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變身國王 自己決定電要怎麼發

劉珈均
・2015/03/17 ・3518字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

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英國2050 Calculator網站:「你能將二氧化碳排放量減至1990年代基準的20%,避免劇烈的氣候變遷嗎?」。(圖:截圖自該網站)
英國2050 Calculator網站:「你能將二氧化碳排放量減至1990年代基準的20%,避免劇烈的氣候變遷嗎?」。(圖:截圖自該網站)

「讓一條公路上的汽車都使用生質能源!」

「讓建築大樓用電的10%靠再生能源,自己的用電自己發!」

如果讓你掌管一座城市,擔任呼風喚雨的國王,可以隨心所欲在滑鼠彈指間蓋一座核電廠或廢除它、豎立起幾座離岸風力發電機、多種植幾十公頃生質燃料要用的田──當然各種選擇都必須付出相應的代價,你的大臣、NGO也會叨叨絮絮的告訴你──這是你專屬的城市,你會怎麼選擇生活方式、分配發電組合?

2050能源供需模擬器」(2050 MyCalculator)便由此而生!點入介面,便一腳踏進能源界的模擬城市,自己發想策略,設法維持城市的能源供需。英國「能源及氣候變遷部」(Department of Energy & Climate Change)率先在2009研發能源模擬器,以情境分析為基礎,讓大家身歷其境,自己考量要如何行動。類似RPG遊戲,遊戲中有各種狀況、限制、要付出的代價(能源風險、成本、排碳量、電費),玩家可以任意改變各種發電組合與生活方式,能源模擬器會計算並告知,在該情境之下,能源供需是否達成平衡,同時能源安全、碳排與其他項目會發生什麼變化。

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工研院綠能所隨即跟進,2013完成台灣版的能源供需模擬器,並改良設計為更平易近人的遊戲。英國「能源及氣候變遷部」首席科學顧問、劍橋大學教授大衛˙馬凱(David MacKay)、工研院綠能所所長胡耀祖分別為英台兩款能源模擬器的主導者,他們在二月的「2050能源供需情境模擬器國際研討會」相聚,聊聊「建城」的過程與心得。

劍橋大學教授大衛˙馬凱(David MacKay)
劍橋大學教授大衛˙馬凱(David MacKay)
工研院綠能所所長胡耀祖。
工研院綠能所所長胡耀祖。

 

 

 

 

 

 

 

 

從桌遊紙卡到風靡各國的模擬城市

這款「能源模擬器」由英國吹向世界各地,比利時、日本、韓國、中國、巴西、印度、印尼、越南、南非……包含台灣在內,目前全世界共有18個國家依自身狀況,建設各自的能源模擬器。

英國是全球第一個將節能減碳目標賦予法律意義的國家,2008年英國制定「能源法」(Energy Act 2008)與「氣候變遷法」(Climate Change Act),明定減碳目標與時程,預定在2020年前達成15%能源來自再生能源、在2050年將二氧化碳排放量減至1990基準的20%,並建立碳預算系統,提供排放交易機制的基礎。

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英國「能源及氣候變遷部」首席科學顧問、劍橋大學教授大衛˙馬凱(David MacKay)說,美好的想望得加上可靠的計算,才不會產生不切實際、設計不良的政策。面對盤根錯節的能源議題也是,必須同時考量供需兩端的現實需求與限制,再作判斷。

英國的能源模擬器從紙卡遊戲、網路圖表,演變為帥氣如電影《阿凡達》漂浮島的情境模擬。
英國的能源模擬器從紙卡遊戲、網路圖表,演變為帥氣如電影《阿凡達》漂浮島的情境模擬。

馬凱演講時提到,其實這款能源模擬器的最初原型只是紙卡遊戲,他的學生艾蜜莉亞˙麥爾維爾(Emilia Melville)重視互動,她設計了一款紙卡,上面標示各種發電資訊,參與者拿著紙卡拼貼發電組合、討論影響與後果。後來這紙卡遊戲放上網路,又覺得單只有圖表資訊太枯燥,繼續一代代改良,並加入能源成本等更多資訊,才變成現在這帥氣模樣。

馬凱說,要模擬各種能源搭配、計算該情境會帶來什麼影響,必須取得龐大資料作為支撐,過程中與政府各部門溝通、取得信任和共識是最困難的,DECC還曾經認為模擬器的地圖顯示了太多資訊,有國安顧慮。不過,模擬器開發完成後,英國已用這項工具蒐集數萬筆資料作為制定能源政策的依據。

影響能源供需的許多因素會不時波動,馬凱說,接下來英國團隊計畫加強視覺化,並將資料庫更新的時程縮短,讓模擬器能更切合地反映能源供需變化。

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入境隨俗到台灣

工研院從過去四五十年累積的環境與能源資料提取,並納入台灣自有的130項低碳能源技術、整合為34個情境。他國模擬器大多無遊戲互動版本,比起原本的英國模擬器樣貌,台灣還加入了經濟成長率的連動性、碳排放量估算、限電代價等指標,這些都是變動條件,每三個月至半年要更新一次,胡耀祖開玩笑說:「經濟學家給我的GDP一年變動五六次,我們學工程的人真不習慣。」而在核能取捨的選項,模擬器也列出核一至核三是否延役、核四是否商轉的排列組合。

能源政策與氣候變遷、科技發展、國家環境相互牽動,減碳的必要性帶出了再生能源發展議題,長期而言,再生能源有利減碳,但站在供應端的立場,就必須注意電力充足與穩定性,若有任何時刻供應不足,就必須用傳統燃煤燃氣補充,而這又回到成本與政策討論,大家願意付出多大的代價維持供電條件。

台灣的能源模擬器簡易遊戲版介面,另有進階版、Excel核心運算模型、讓大眾討論意見的能源論壇。
台灣的能源模擬器簡易遊戲版介面,另有進階版、Excel核心運算模型、讓大眾討論意見的能源論壇。

當然,降低成本的渴望也會促使科技研發往前推進,胡耀祖說:「現在看太陽能發電成本就與3年前差了一半!」但另一方面,科技也有其限制,例如台灣研究碳捕捉與封存技術(CCS)已有十年經驗,可抓下電廠煙囪的二氧化碳,甚至獲得素有科技界奧斯卡獎之稱的「R&D 100 Awards」。但胡耀祖認為,20年內還無法利用CCS解決碳排問題,因為「捕捉碳之後沒有地方存!一聽要把二氧化碳打入地底,在當地幾乎沒獲得任何人支持。」工研院轉而找水泥廠合作「碳迴路」,將二氧化碳100%回收、液化重新使用,多的還可以賣給乾冰、碳酸飲料等民生二氧化碳需求。胡耀祖說,IEA提到CCS可貢獻3%至17%的減碳量,前提是有地方存,否則作到如工研院現在的進展後就會停滯了。

模擬器的選擇分成「Level 1」至「Level 4」四種等級,像光譜的兩端,靠向Level 1的一端是放任、不刻意作改變;Level 2是國家的政策現狀;Level 4則是「理論上可行就定下了」,必須極有魄力地改變社會,有時甚至顯得極端。

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胡耀祖說,四個等級的每個參數都有所本,都是經過學者討論、共識決而定下的。他舉例,估算地熱的發電量有許多不同的意見,循環量、土地的加熱狀況、溫度維持等各種條件充滿假設與計算,各方計算的數據可達十倍差異,團隊便邀集學者溝通、論辯,取各專家協商之後公認的可接受值;對於口號響亮的「陽光屋頂百萬座」計畫,綠能所團隊花了快一年半的時間才敲定面積計算方式,自己人就「吵半天」,不斷計算、對照各處數據才公布;土地面積是建設規模的侷限,若為了保護白海豚,不在牠們的棲地建置離岸風機,反映成數據便必須將200支風機移往更深水處,這又牽動工程難度、成本與地質考察,加上政府希望帶動台灣發展離岸風機產業,重新計算後,總裝置容量達6.2GM的離岸風機時程便要往後延五年。其他發電方式的參數也比照處理,胡耀祖說,公布的數值不一定可如實執行,但那些數據都是經過縝密精算的潛能。

淬鍊民意 不再雞同鴨講或「西瓜偎大邊」

胡耀祖說:「這款模擬器是為了幫助大眾在事實認定的基礎上作價值判斷。」有了開放平台、有了具公信力的數據資料,便能促進有效溝通,開放的數據也方便大家相互確認各方的論證;馬凱亦抱持類似觀點,他強調,他們並不推行特定解決方案,方案要自己想,模擬器的用意在於提供論證、充分告知各種能源搭配的影響後果。

路徑反映著玩家的選擇,匯聚起來便成民意所趨,可能從中解讀大眾對能源發展的意見。台灣的能源模擬器自2013年上線,工研院會定期向經濟部報告模擬器的成果與意見,目前累積七千多筆有效路徑,胡耀祖說,目前的路徑數還不足以分析出具統計意義的結論,未來會繼續分析這些路徑背後的意義。

胡耀祖說,根據調查,能源局的節能標章已達80%的認知度,「但這花了十年的時間才達成,期間經過兩次計畫補助。」工研院計畫從學校切入,對大學生與高中生開設講座與工作坊推廣能源模擬器,從教育著手,知識會擴散較快。

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回到本文首段的兩個問題,馬凱說,如果把生質燃料所需的植物就種在路旁,假設公路為雙線道、車輛時速為60英哩、行駛30英哩便要用掉一加侖燃料、車間距為80公尺,一年一平方公里的田地可產生1200公升的生質燃料,計算之後,公路旁邊的田要綿延8公里寬的面積才足以供應所需;讓建築物自己發電供應10%的方案是大倫敦市政廳(the Greater London Authority)於2005提出,「Strata SE1」落實了這想法,它是倫敦最高的住宅大樓,特殊之處在於頂部嵌入三座9米高的風機,設計者估算那3支19KW的風機能為該建築物提供8%的能源,但馬凱指出,若真如照該設計運作,成本會比使用低碳能源高十倍。

價值選擇須以知識基礎作為支撐,正如馬凱演講時說的:「美好的想望得加上可靠的計算,才不會產生不切實際、設計不良的政策。」而模擬器的存在意義正是提供數據、論證與知識,充分告知每個抉擇在各層面掀起的影響,讓個人有穩固的資訊後盾作最終決定。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

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封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

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更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
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氣候變遷讓缺水、淹水更嚴重,臺灣做好準備了嗎?——專訪水利署賴建信署長
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/10/31 ・3262字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 經濟部水利署 委託,泛科學企劃執行。

「30年後,我們將面對更嚴峻的缺水考驗。」水利署署長賴建信接受我們採訪時坦承地說。

水利署署長賴建信

近年,全臺西部地區都曾遇過「供五停二」的停水措施,,缺水問題更早已是全球問題。根據 2021 年發表在 Nature Communication 上的論文,2016 年全球有 9.33 億的城市人口面臨缺水問題,約為總人口的 12 %;依據過往趨勢推測,至 2050 年,全球將有 16.93-23.73 億的城市人口面臨缺水問題,相當於 2050 年總人口的 17%-24%。

為什麼全球缺水問題會如此嚴重呢?賴建信署長認為首要是「氣候變遷」改變了降雨強度與頻率,並舉生活中的經驗來說明氣候變遷:

「生活在臺灣地區的我們,會感覺到最近好像很久都不會下雨,然後不下雨的時候很熱,但一下雨,雨滴大到打在身上都會痛。」而近期紐約暴雨造成地鐵淹水癱瘓,也是氣候變遷造成的。

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氣候變遷讓降雨更加極端

賴署長說:「可以說以後的降雨會非常集中在特定某幾天。就像剛剛講的,就是突然暴雨,然後接下來一個大乾旱。 」

無論是缺水還是淹水,氣候變遷造成的影響都不容忽視,賴署長表示,不只是降雨頻率會更低,降雨地區也會更加不平均,降雨的強度也會有所提升。

依照聯合國政府間氣候變化專門委員會最糟糕的預測(SSP5-8.5),到了這個世紀中,臺灣暴雨強度會比世紀初提升 20%,世紀末會提升 40%,即便是最優預測(SSP1-2.6),也會在世紀中提升 15.7%。

據上所述,氣候變遷讓全人類無法迴避「降雨不均造成的地區性缺水」,以及「降雨強度提升造成的地區性水災」這兩個問題。雖然個人、企業與政府都為了減緩氣候變遷有所作為,但賴署長也表示,我們該「從科學擁抱殘酷現實,對未來做最壞打算」。

簡單來說,若所有締約國都遵守聯合國氣候變遷大會(COP)的決議完成減碳工作,那氣候變遷也只是不再加劇,並不會立刻恢復到過去的型態,而只要有其中幾項沒有達成,那全世界就得面對更嚴峻的情況。

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回到開頭賴署長所說的 30 年,我們還有時間做好基礎建設,降低氣候變遷對人民造成的影響。「從2016年開始,我們就思考這些問題,思考說臺灣未來面對的自然環境,我們應該如何因應、構築一個怎麼樣的未來。所以當時我們就開始思考包括區域調度、多元水源等相關計畫。」

賴署長提到的「區域調度」相關計畫,即是目前正在進行的「珍珠串計畫」。

地區性缺水解決方案—「珍珠串計畫」

「珍珠串計畫」預計把台灣西部像珍珠一樣珍貴的水源,用聯通管線串聯起來,讓珍貴的水資源可以妥為應用。

臺灣降雨時間和空間差異極大,桃園至屏東等西部地區,在 5 月至 10 月是豐水期,11 月到隔年 4 月是枯水期,然而北北基與宜蘭等東北地區,卻是完全相反,10 月至隔年 4 月有東北季風帶來的豐沛雨量,此時若能將東北地區的水調度至西部地區,將能緩解西部地區缺水。而未來面對更加極端的降雨情況,也能提供一定的支援。

珍珠串計畫的聯通管線預計將在 2028 年全數完成,而在 2021 年旱災中搶先開通的「桃園—新竹備援管線」,從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹,在旱災期間總計調度 2300 萬噸,約是 0.6 座寶山第二水庫的蓄水量,不僅讓新竹地區免於限水所苦,也讓新竹科學園區的科技業能維持生產。

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寶山第二水庫。圖/Wikipedia

不僅管線串聯,更要開創「多元水源」

有了聯通管串聯,就能解決缺水問題嗎?賴署長給出否定答案:「如果只有一種供水方式,突然有意外就完了。當然要有多股水源,多條管線。」

過往開發新水源,直覺想到的是蓋水庫,不過蓋水庫不僅要謹慎評估該地是否有充足水源,考慮安全性及經濟性是否合理,更要謹慎評估對環境生態的影響,通常一座水庫從規劃到興建完成,需耗時數十年的時間。

為了因應氣候變遷與逐步增加的用水量,水利署目前已朝「多元水源」的方式來尋找新水源,像是南化與寶山第二水庫藉由「溢流堰加高」擴增蓄水量,臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」,以及以及高屏溪的「伏流水」與新竹的「海淡水」,這些多元水源將與水庫水、川流水及地下水等傳統水源共同支撐起全臺用水。

此外,水利署也正想辦法讓洪水資源化,臺灣山高水急,大雨過後的洪水大部分都流向大海,只有少部分可被水庫收集,像是「河槽人工湖」就能增加收集水量,來供應日常使用,或補注超抽的地下水。

地區性強降雨解決方案—從「不淹水」轉變為「耐災韌性」

受氣候變遷影響,近年臺灣短延時強降雨頻率提高,低窪地區或排水系統也時常發生淹水,顯現目前臺灣防洪工程的不足。

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過去臺灣由於預算有限,治水策略多以建護岸、堤防或下水道為主,然而這種作法有其極限,即便已完成防洪工程的區域,也未必能面對未來極端降雨的情況,為此,水利署改變過往治水策略,從「不淹水」轉變為「耐災韌性、與水共生」,而在多年來中央與地方政府的聯合推動下,各地開始邁向「逕流分攤」的方式來治理水患。

「逕流」是指下雨時地表土壤無法吸收的水份,在地表形成的水流。「逕流分攤」是在淹水較為嚴重的河段,於新建(或改建)公共設施時,以不妨礙設施功能,建設洪水期間可收集逕流的滯洪池。此外,為提升土地耐淹能力,「出流管制」政策也要求開發單位,必須提升建築物的透水、保水與滯洪能力。

以日本東京鶴見川為例,由於東京市的發展,導致土地保水、滲透能力降低,洪水尖峰流量增加,更容易發生淹水。為此日本將橫濱日產體育館建置成兼具滯洪功能的公共設施,來應對鶴見川的洪峰流量,館場下方的滯洪池高度高達五公尺,平日則作為停車場使用。

橫濱日產體育館。圖/Wikipedia

「我們希望所有的土地都能更有效地利用,例如我們學校的操場,如果下面是一個蓄水池,那大雨下來是不是就不容易淹水了?」賴署長表示,近期開工的鹿港洛津國小的地下停車場兼滯洪池工程,正是「逕流分攤」的案例。

風暴將至,我們能做好準備嗎?

賴署長略為嚴肅地說:「我不期待氣候型態會回到 30 年前。」並重提了在 IPCC 的最優預測(SSP1-2.6)下,臺灣仍必須在 2050 年面對暴雨強度提高 15.7% 的情況。

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無論我們怎麼做,風暴已確定到來,那麼我們能事先做好準備嗎?賴署長說:「我認為我們能做到的,是使用適當的方法趨吉避凶。」隨著科學進步,模擬變得越來越精準,但終究還是預測,存在不確定性,雖然 2050 年最優預測是暴雨強度提高 15.7%,但上限呢?真的就只有前面提到的 20% 嗎?賴署長提醒我們要面對氣候變遷的現實,並在面臨風暴來臨之前做好準備,這個準備不只要能面對預估強度,更要有足夠的韌性,來面對超越預期的情況。

最後,賴署長說:「每個巨大的改變,一定是從一個微小的生活習慣,比如說開始固定運動,或是固定減少能源浪費。」也許現在看來微不足道的小動作,都將是未來的「重要一步」,就像蝴蝶效應一樣。

相信科學數據,擁抱不確定性,積極做出因應,這不僅是賴署長個人的想法,也是水利署全體的信念,唯有如此,才能在超乎預期的「風暴」來臨之前,做出最好的選擇。

參考文獻

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