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替代能源的興起

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2011/09/25 ・1623字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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為了減少二氧化碳的排放以及減緩石油的消耗速度,科學家們開始投入對替代能源的研究。廣義的替代能源為除「石化燃料」以外的所有能源,包括核能、太陽能、風能、生質能和地熱…等等。但通常討論到「替代能源」時,往往會強調其「可再生」的特質,希望此類能源能夠永久提供能源,並經由自然過程不斷地補充,進而在人類有生之年不會有耗竭之時。若加上這樣的特質,核能將不在討論的範圍之內。

除了可再生這樣特質之外,同時也必須考量該項替代能源的發展潛力。最早人類的能源利用方式是「燃燒」。自發現「燃燒」能夠滿足加熱及照明的需求開始,人們開始尋找各種可供燃燒的物質,原料也從植物,動物油脂,最終演變至石油。接著人們發明了內燃機與發電機,讓燃燒產生的能量可以用來發電(例:火力發電),而隨著配合供電網路的基礎建設逐漸完備,「電」成為最普遍的能源使用方式。因此能量來源雖然多元,但一般而言人們都會想方設法利用機械設備進行轉換,使得最終的使用方式不出「燃燒」與「發電」兩種。以現今社會為例,目前人們最常使用的能源設備是「引擎」(內燃機燃燒)及「電廠」(發電)。總結來說,替代能源的潛力,可由是否能夠取代引擎與電廠,以及其所需成本來作評估。

綜合「可再生」及「發展潛力」兩點,近來較受到重視的能源有太陽能、風能及生質能。接著將會逐段介紹上述三種替代能源的特點。

風能:

風能的利用方式主要為在地面上或海上建造風力發電機,讓風推動風機葉片以產生電能,再將產生的電力輸送到供電網路內。風力發電首先遇到的困難是「地點選擇」-首先,對風力發電來說,風向及風力是否穩定非常重要;接著,風機通常是以陣列的方式構成風力電廠,因此設備位置必須遼闊。最後,即使能夠同時滿足以上兩點,也無法保證時時刻刻都能得到風力供給。這表示風機的增加與發電量的增加幅度並不一定都成正比。目前為止,由於以上的限制與困難,風力發電尚無法如同火力及核能成為基載電力。

太陽能:

主要利用方式分為「光電轉換」與「光熱轉換」兩部份。「光電轉換」最常見的例子是計算機上的太陽能電池,若將其規模放大並建造成陣列,就是太陽能電廠的概念。「光熱轉換」則是利用太陽照射來加熱液體,將液體的熱能傳遞給其他需要高溫的目標,或者是利用加熱後的液體推動蒸汽引擎。太陽能遇到的挑戰與風能類似,雖然光照源源不絕,但沒有哪個地點每天都有光照供給,更遑論許多地點時常陰雨綿綿。因此,要以太陽能做為基載電力仍相當遙遠,目前只能作為供電網路內的輔助角色,或是一般家庭與商業大樓小規模發電供應部分需求而已。

生質能:

在發電方面,目前多是將都市廢棄物(例:家庭垃圾)、農林廢棄物(例:廢木材)、一般事業廢棄物(例:廢紙漿)…等製成固態廢棄物衍生燃料(RDF-5),再送入鍋爐內燃燒以汽電共生方式發電。這種方式雖然在可見的未來都無法取代火力或是核能作為基載電力,然而這項應用一方面處理了本來就必須處置的廢棄物,同時又能依靠電能帶來額外的財務收入。此外,生質能源在支援引擎運作方面具有相當大的優勢。現行海陸空的運輸主要都倚賴石化能源生成的液體燃料(柴油、汽油、煤油)來驅動引擎(或內燃機)。因此多數的運輸設備(例:飛機、汽車)以及相關後勤系統(例:加油站)都是為液體燃料而設計。

而當前最能夠以現有系統進行佈署的替代能源就是生質燃料(酒精汽油、生質柴油、生質煤油)。這是其他替代能源難以與生質能源競爭的部份-其他替代能源如要用於運輸,基本上都要先發電,然後讓運輸設備使用電力。電力車或是電力船概念雖好,然而就現實面而言目前電池容量無法支援長程運輸,若要佈署更換電池的「電力站」所耗費的成本太高,幾乎與重新建立後勤系統無異;就算於電力車或電力船上裝置太陽能板也不足以滿足長程運輸的需求(這個方式同時將受到天候(日照量)影響),更別說以電力支援客機跨越太平洋或是大西洋。因此在未來10年甚至20年內,生質燃料仍然會是替代能源中最重要的一項。

原文刊載於 BioEnergy Today 生質能源趨勢
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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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「恆水創電」聯手比利時 Turbulent 研發超低落差機組——力拼「微水力發電」扎根台灣!
PanSci_96
・2021/12/09 ・1788字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文/郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展,台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標,行政院也擬於2022年初提出路徑草案,檢討整體能源政策;為了實現淨零碳排目標,能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會,發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」,該機組針對台灣水利環境設計,只要 1.28m 超低落差即可發電,有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出,比利時綠能產業擁有許多領先技術,為潔淨能源的先驅,是台灣發展能源最理想的合作夥伴,與台灣離岸風電領域已有深入合作,十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進,「台比合作將發展美好且綠化的台灣,為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示,推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調,台灣具有得天獨厚的水力發電條件,不但水力豐沛,地勢更是山高水急。然而,在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施(如消波塊),以小水力發電的觀點來看相當可惜。

比利時水輪機製造商TURBULENT於智利架設的機組。圖/恆水創電提供

鄒飛逯指出,若運用發電機組取代消能設施,用水流動能發電,就能使消能設施創造能量,既可兼顧設施安全,又能創造最乾淨的綠能,堪稱一舉數得,而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調:「思維轉個彎,水利基礎建設就是小電廠,每一滴水都能發好幾次電!」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢,鄒飛逯指出,TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞(以Turbulent S為例,可容納直徑 25cm 的物體通過),一體成型的設計亦可抗震;若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲,也有對應的斷電機制,讓發電機組自動跳離電網,在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說,TURBULENT 的機組體積小且易於施作,可與水利設施合為一體,多元發展性高。更關鍵的是,機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片,可兼顧生態友善:「頂多讓通過的生物感到暈眩,但不會造成傷害。」

資料來源/恆水創電

而為徹底運用台灣的水力潛能,恆水創電與TURBULENT整合雙方專業,經過兩年場域資料蒐集及田野調查,為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組,為台灣打造最佳化機組。

Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中,因其有效落差高度僅1.28m,所需流量為2cms (每秒2立方米),無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域,都有極大發揮空間,讓鄒飛逯喊出「一落差一機組,一渠道一電廠」的綠能願景。

Turbulent S 的機組構面圖。圖/恆水創電提供

為推動台灣小水力產業發展,恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄,授權Turbulent S機組國產化,比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出,Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術,更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設,國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運;」廖弘毅總結,「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步!」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會,強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示:「小水力發電是最環保再生能源,為對環境最友善的發電方式,小水力為台灣再生能源第三棒,聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

恆水創電9日與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會;左為恆水創電執行長鄒飛逯、右為台灣小水力綠能產業聯盟理事長洪正中。圖/李先泰攝

2021.12.12 PM 0:24 更新:原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意,為單位重量液體通過泵所獲得的能量,單位為公尺(m)。為便於理解,改為「落差」。

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前方高能注意!你知道可以用「熱」發電嗎?把廢熱變能源的黑科技──熱電材料
研之有物│中央研究院_96
・2021/09/06 ・4237字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣
  • 美術設計|林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際,再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年,隨著奈米科技的發展,可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年,在他眼中,熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻,我們不由得擔心,再生能源真的足以補上電力缺口嗎?還有沒有其他新興的發電方法呢?有的!用廢熱發電,聽起來很不錯吧?畢竟在日常生活中,我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱,加上太陽的輻射熱等,這些煩人的廢熱如果能拿來發電,實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵,它能將(沒用的)熱轉化成(好用的)電。近年來,熱電材料逐漸發展起來,中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料,他說:「熱電材料的發電效率已經有很大的進展!」在不久的未來,熱電材料的應用將愈來愈廣泛,成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前,德國科學家西貝克(Thomas Seebeck)在 1821 年發現,材料兩端的溫度差會形成電位差,稱為「西貝克效應」。也就是說,同一種材料只要兩端溫度不同,兩端之間就會產生電壓;反之,在材料兩端賦予電壓時,兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ∆V∆T,表示同一種材料下,溫度差愈大,輸出電壓越大,「換句話說,一個有溫差的材料,等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」,直觀來說,西貝克係數愈大的材料,在同樣的溫差下輸出的電壓愈大,是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說,熱電材料除了西貝克係數要高之外,「導電性也要好,除此之外,導熱率不能太好,否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後,科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=(δS2κ)T,其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數,κ 是導熱率,T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高,而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是,研究熱電材料的科學家從幾十年前開始,便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說:「金屬的導熱都太好了,並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料,搭配不同的摻雜元素及比例,來找出最佳化的 ZT 值。」

半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

全世界各研究團隊多年下來,針對各種材料組合及摻雜比例,找出了不少值得關注的熱電材料候選者(如下表)。「你可以從中發現,多數的熱電材料都是溫度愈高,ZT 值愈高,在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說:「只有一種材料適合在室溫運作,就是鉍-銻-碲(BiSbTe),目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了,它保持世界紀錄至今 50 年。」

各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。圖│陳洋元
各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。
圖│陳洋元

控制晶格和缺陷,不讓熱傳過去!

找到優秀的材料搭配和比例還不夠!要提升熱電效果,還有一個重要因子:減低熱電材料的導熱率。微觀來看,就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

晶格是材料的骨架,熱的本質是晶格振動,而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此,阻礙能量傳遞的方式,就是調控材料內原子的排列,以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」,當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時,界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同,這會造成晶格排列不順暢(晶格不匹配),彼此的振動能量也不易傳遞,大部分都會反彈回來,也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間,由於晶格不匹配,振動比較不易傳遞,導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋,超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制,「因為我們只希望導熱率降低,但不希望影響到電子的移動。」也因此,這項製程「非常困難,需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚,可能必須鍍膜上萬次,成本很高,東西也做不大。換言之,超晶格在學理上可行,但實際應用上有困難。」


「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質,或製造晶格的空缺,包括:點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性,在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上,發展得比其他再生能源慢,主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料,轉換效率約 3~4%,相較之下,太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下,轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此,幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收,畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能,等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來,隨著電動車逐漸成為主流發展方向,這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎?並不是。其實早在 30~40 年前,它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後,需要電能維持運作,除了太陽能以外,熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例,「它朝著太陽系外離去,過程中太陽光會愈來愈微弱,因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此,航海家一號就有使用熱電技術,其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料,它們在衰變過程會放熱,與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差,藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年,對我們來說像是萬年之毒,但對太空船來說,卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳,但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低,又不怕放射性汙染的太空科技來說,是很好的發電選擇。

此外,熱電材料不只能把熱轉換成電,也能反過來,利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電,它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計;或是在熱電材料上外加電壓,產生電流,造成材料兩端的溫度差,做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

陳洋元也在近兩年,研究開發出薄型熱電晶片,裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱,就像 128 個小小的乾電池串聯一樣,能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋,雖然熱電效率不高,無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況,但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」,應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上,這類裝置需要的電量不高,但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景,你走在路上發現手機沒電了,於是拿出熱電自充隨身電源,利用自身體溫與室溫的溫差,幫手機緊急充電。」

薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、 n 型半導體,具有輕巧的外形。圖│陳洋元
薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、n 型半導體,具有輕巧的外形。
圖│陳洋元

隨著網際網路的發展,基地台熱點愈來愈多,這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶,例如玉山的基地台,電力供給或許就不需要建置發電站,利用熱電材料(透過溫差發電的特性),只要送一桶瓦斯去就好,方便多了!」或者,熱電材料也能與太陽能互補,「因為太陽能發電使用的是太陽光,它的輻射熱並沒有被利用到,這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外,陳洋元也正在與廠商合作,希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說:「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電,把 25 個晶片合起來,就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高,但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點,「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著,而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值,「只要我們想辦法降低導熱率,它理論上還能再拉高。」陳洋元說:「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多,在不久的未來,我們很有可能就突破它了」

研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook