自己的電廠自己蓋：能源模擬RPG《2050能源模擬器國際研討會》

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。