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先進節能科技

96/11/06 瀏覽次數 33573
進入21世紀後,傳統能源蘊藏量仍在遞減中,各國政府除了提出節約能源的口號之外,更積極地從能源科技著手,也就是進行能源效率改善的研究。能源效率可改善的項目包羅萬象,一般可概分為4類:運輸、建築、產業和電力網路與設施。因此,節約能源不再是一種個人的行為,也是一種高能源效率的科技研發,例如混合動力車、燃料電池、類神經控制系統與網路、高溫超導和太陽能發電與熱能應用等。

運輸

談到運輸就想到汽車,談到汽車就想到石油。近來汽油價格上揚,蘊藏量少是原因,環保也是問題。為了爭奪石油資源因而產生政治問題,由政治問題大家很容易聯想到中東地區,歷年的石油危機確實都與中東地區有關,在這裡宗教信仰讓問題更複雜,一時之間誰也無法解決。

為了獲得穩定油源,不少能源使用大國在世界其他地方另覓油源,例如中南美、非洲、加拿大與俄羅斯。而開採的地點也從陸上擴張到海上,例如英國的北海、美洲的加勒比海與墨西哥灣,甚至深達數千公尺的海床油源,也不乏有人探勘,這也是為什麼石油就像黑金般珍貴的理由。

近來有人認為應尋找替代能源以取代石油燃料,理由之一是避免環境變遷。一般科學家推論,燃燒化石燃料(主要是石油)會排放大量溫室氣體(主要是二氧化碳),溫室氣體累積在大氣層會使排放輻射能的能力降低,導致大氣層溫度上升,進而使地球氣候異常。最常見的是威力漸強與出現頻繁的颶風和颱風,例如2005年襲擊紐奧良的卡翠納(Katrina)颶風,對美國的衝擊不下「911」攻擊事件。擔心石油蘊藏的枯竭與環境的變遷,加強了人類欲擺脫倚賴石油的決心。

目前,替代汽油的變通方向主要有兩個:一是油電混合車,一是生質燃料。數十年前流行過的電動車,主要是以鉛酸電池為動力,不但重,而且壽命很短,時常需要更換,不受消費者青睞。近年來由於各種電池的開發,使得電動車再度興起。例如鎳氫電池和鋰離子電池,兩者重量大約是鉛酸電池的一半,但續航力是後者的2倍至4倍,使用壽命也長,只是成本太高,有待未來量產使成本進一步降低。

使用油電混合車的優點是,可以利用離峰便宜電力來充電,加上電力馬達扭力大,適合啟動,而內燃機續航性高,兩者配合可以達到比純汽(柴)油車更好的效率及成本,非但節省燃料,也可減少污染排放。

近代最熱門的新型汽車是氫燃料車(hydrogen fuel vehicle, HFV),這是一種以氫為燃料的電動車,產生動力的設備是俗稱的燃料電池。燃料電池以氫為燃料,產生電力推動車體,生成物或排放物是沒有污染性的水。燃料電池本身效率因種類及負荷大小而異,因為未牽涉機械能,由化學能直接輸出電力,所以有40~83%的高效率。

有人說未來是氫能的時代,因為氫是無碳燃料,也是一種取之不盡用之不竭的乾淨能源。憑藉著人類智慧,氫燃料車的商業化指日可待,但是相關的基礎設備,例如加氫站和運輸管,可能是妨礙氫能使用的最大障礙,尤其是氫的儲存。在常態下,氫是以氣態存在,能量密度遠小於汽油,又因為氫的易滲透性,須以特殊方式與材料儲存,方能達到降低成本的要求。

然而,產氫的方式可能是一項優點,因為可以利用再生能源或核能在離峰時刻電解水,產生氫燃料並儲存起來。因此,儲氫技術可說是人類能否實現氫能經濟的關鍵所在。目前,燃料電池車的燃料供應系統是以搭載壓縮氫槽為主流,而且在可預見的將來仍然會以壓縮氫為主,續航距離最高可達500公里。到目前為止,壓縮氫最高壓力是700大氣壓。由於成本過高,預期燃料電池車商業化需10年以上的時間,但是大型巴士結構較小客車簡單,預期會先商業化。

發展生質燃料具有擺脫石油倚賴與促進環保的功能。生質燃料分為兩種:一是生質柴油,另一種是生質酒精。前者主要來自油類植物,例如油菜籽、大豆、向日葵和廢食用油。而後者來自醣類植物,例如甘蔗、玉米和甘薯。由這些植物原料來看,燃燒生質燃料基本上不會增加大氣中的二氧化碳,因為植物在生長過程中已經吸收了二氧化碳。另外,廢食用油的再利用可化腐朽為神奇,減少廢棄物污染,因此生質燃料具有環保的功能。

另外,臺灣缺乏傳統能源,尤其是礦物燃料(例如煤和石油)幾乎全部仰賴進口,種植生質燃料作物,非但可以減少石油進口,增加供應安全,更可利用廢農地增加農民收益,一舉數得。前幾個月,由於油價高漲,美國民眾紛紛在汽油中添加酒精,一窩風使用生質燃料,僧多粥少,反而使得生質燃料價格上漲。未來因應之道似乎在於低成本大量原料的獲得與大量專業化製程。

建築

變色節能技術 有關建築節能技術,目前有一種變色節能窗的研發。其原理是利用特殊的玻璃,使其變色並把太陽光中的主要熱輻射波如紅外線阻擋在外,而讓適量的可見光進入室內。如此一來在不妨礙照明功能下,阻擋了大部分的熱能進入室內,以節省空調的負荷。當然理想狀況是,玻璃顏色的深淺能依據日照光度而變化,才不致影響室內的照度。

另外在太陽能光電技術上,目前具挑戰的課題是BIPV(building-integrated photovoltaics),也就是與建築物結為一體的太陽能光電板。以這種太陽能光電板取代建築物上的玻璃裝置,兼具發電與建材的作用,有應用潛力。

研發人員甚至希望能把變色節能窗與BIPV合併為一體來開發,使其產品具有自行發電、變色節能與建築材料的三重功能。也就是說,在玻璃中開發能自行發電且變色的高分子材料夾層,並使用在建築帷幕上。如此,其太陽光發電與變色的作用,將能依據外在日射強度而變化,導致有效的隔熱與發電。

舉例而言,當沒有陽光照射或夜間時,是一透明的玻璃窗,當有日光照射時則變色、發電,並隨著日照強度的增強,顏色變深,同時發電量也增大。因為是在尖峰負載時發電,也可減少建築物的空調負荷,兼具了節能、產能、建材的三重效果。

臺灣進口能源占總能源使用量的98%以上,但因地處北回歸線經過的亞熱帶,日照充沛,且氣候炎熱,夏季空調負載所占用電比率已達4成以上,開發這種「變色節能發電玻璃」,將可化不利因素為有用能源。另一方面,人類居住結構有朝高樓大廈發展的趨勢,臺灣地狹人稠,更是適合開發這種兼具建築、能源等多功能的科技產品。

與「太陽能變色發電玻璃」功能相同但更精簡的構想是「廣波太陽能電池」。太陽能電池已逐漸與建築發展成為一體,特別是做為高樓建築的帷幕。但是矽原料的太陽能電池,目前因為發電成本太高,未能廣為應用。主要原因是其吸收光譜僅局限在可見光範圍,至於占太陽光譜的主要成分—紅外線則沒有使用,因此造成能量效率的低落。

研究人員認為太陽能電池應設計為能吸收大部分波長的太陽能,但保留可見光的部分,也就是「廣波太陽能電池」。如以其做為玻璃窗裝在建築物上,效率可大為提升,並且因為吸收了紅外線,使得進入建築物的熱量減少,而降低建築物的空調負荷,節能、發電一舉兩得,有應用潛力。

隔熱技術 隔熱是建築系統中一項十分重要的因素,先進的技術包括真空隔熱玻璃,其隔熱值範圍由138至700 m℃/W,是具有真空夾層的玻璃組合,已經商品化,目前正考慮使用於住宅中。

另一種隔熱設計是隔熱發泡體(insulating concrete form, ICF)隔牆,具有建築隔熱的功能,由類似4英寸的ASTM C 578聚苯乙烯所製成,它們是永久牆壁的一部分,有連結與阻隔的功能,並支撐內側與外側的最後修飾(塗飾)材料。ICF可設計成平的、格子狀、或梁柱狀的結構。使用聚苯乙烯發泡的ICF牆的熱阻值,在3到4.6 m2℃/W之間。ICF同時還有減少空氣滲透和噪音的功能,更適合於抵抗天然災害,不會腐爛和生銹,被美國各主要建築法規所認同。

熱能回收技術 如果把建築做得更為氣密,則會產生室內空氣品質的問題。雖然在若干天候情況下,把窗戶敞開不失為一種無成本的通風/冷卻選擇,但是某些建築需要可調控的通風方式,使能源損失降到最小。這種功能可由熱回收通風器(heat-recovery ventilator)或焓回收通風器(enthalpy recovery ventilator)來完成。大部分的回收型態可回收排放空氣中70~80%的能量,把回收的能量「傳送」到吸入的空氣中。

自由調控技術 其他最新的發展包括可以依環境的變化自動改變本身性質的玻璃窗,例如熱變色玻璃窗能夠依據溫度的變化而改變本身的光學性質,當房間夠暖和時,玻璃窗能夠阻斷太陽熱能的獲取。其中稱為GloudGel的商用熱變色產品是一種塑膠薄膜,幾乎能與任何玻璃組件配合。這種薄膜能從透明變為擴散型的白色,減少太陽熱能的穿透,並分散穿過的光線。由於透明度的喪失,這種玻璃適用於天窗,而不適用於展視窗戶。

另一種新材料是光變色玻璃,能因為光度改變本身性質,多年來已經應用在類似太陽眼鏡等小型產品上。控制日光光度及熱負載時,光變色玻璃十分有用,但對於被動式太陽能加熱可能有相反效果。

真空玻璃窗是把空氣從中間隔層抽除,一併把熱傳導與熱對流機制去除。美國國家再生能源實驗室已經研究出一種玻璃窗技術組合,製成的真空玻璃窗單位,具有1.67m2℃/W的熱阻值。這項技術需要一項平面構型的支撐以對抗大氣壓力,並在這種窗戶整個使用期間保持密封狀態。

光譜選擇性玻璃運用特殊塗層,僅讓可見光(48%的太陽能)進入建築物中,而把光譜中不需要的熱負荷—紅外線部分(46%)和紫外線部分(6%)屏除在外。傳統的太陽熱能排除玻璃,例如灰玻璃或反射建築玻璃,所具的可見光穿透率和太陽熱負荷係數的比值在0.3~0.7之間,雖然進來的熱量減少了,進來的光線也同樣減少了,這會破壞窗戶本來的功能。但是商品化的光譜選擇性玻璃的可見光穿透率與太陽熱負荷係數的比值則高於1.5。

產業

依據能源消耗的統計資料,臺灣有一半的能源消耗在產業部門,其中的百分之四十又發生在製程加熱系統中。因此製程加熱系統效率的提升,不僅可替公司減少營運成本,也可替國家減少能源消耗並促進環保。

一般的製程加熱系統包括使用化石燃料的燃燒系統,少量電力設備,熱回收和熱交換系統。供應製程加熱系統的能量中有15%~85%使用在加熱上,其餘則浪費掉,例如蒸氣排放和煙氣排放。因此,以熱交換器為主體的熱回收設備,至少可把這部分浪費的熱能做部分的回收。另外,控制空氣與燃料的比例或把燃料與空氣預熱,也可提升製程加熱系統的效率。

汽電共生 臺灣在1980年代末,由於供電吃緊,實施「汽電共生推廣辦法」。汽電共生系統是同時利用發電廠產生的電力和蒸氣的系統。以往的汽電共生系統多由高壓蒸氣鍋爐和蒸氣渦輪機組成,近年來為了應付電力和熱能負載變化的要求,以及節省工廠有限空間,採用燃氣渦輪發電機和廢熱鍋爐的組合。因此,汽電共生的效率非常高,甚至可達90%,不但節約能源,也可減輕對環境的污染。

汽電共生原本推廣的目的在於增加備置容量,但自從因應全球氣候變遷議題受到重視之後,人們反而關注其環保效益。基本上,汽電共生系統要具有環保效益的條件,必須(1)能源效率達60%以上,(2)燃料使用低污染的天然氣而非煤或重油,(3)熱能充分利用。事實上,達成上述3項條件的汽電共生系統,不但可真正合乎環保目的,更具有實質的節能效益。

太陽能熱水系統 在工業製程預熱應用技術上,臺灣有一項得天獨厚的應用技術,就是太陽能熱水系統。不同於利用光電板吸收太陽光波發電的太陽能光電系統,太陽能熱水系統是利用吸熱板吸收太陽輻射加熱用水,其主體是流體熱交換器。臺灣由於日照良好,加上政府輔導得當,太陽能熱水器產業技術已達世界級水準。

太陽能熱水器在南部住家屋頂處處可見,但是有98%是應用在沐浴上,太陽能熱水系統未使用在產業上,實在可惜,因為產業界的鍋爐蒸氣消耗能量占製造業總耗能的三分之一以上。基本上,大型太陽能熱水系統常見於宿舍用水,如果要用在產業製程預熱上,只要把熱水儲槽接到鍋爐即可,且鍋爐的淨水要求更有利於避免集熱器的結垢,因此工程上只是管路的串聯而已,運作上的可靠度更高於宿舍沐浴用途。

在成本上,臺灣日照豐富,太陽能又是免費的熱源,家用熱水器最少4年就可回收。用在製程預熱上,如果用水量夠大,系統回收年限更可縮短。太陽能屬於再生能源,是種取之不盡用之不竭的乾淨能源,更符合目前的環保要求。因此,太陽能熱水系統如果能真正使用在工業製程預熱上,將可以達到省能、環保與經濟三贏的效果。據估計,臺灣的鍋爐熱水應用具有安裝6百萬平方公尺太陽能集熱板的潛能,這對於目前已屆飽和的1百多萬平方公尺家用太陽能熱水器的安裝量而言,確實是一項可資擴充的途徑。

電力網路與設施

電力輸送 傳統上,發電廠產生的電需要經過電力網路輸送到各使用戶,為了能夠一次輸送大量電力,並提高輸電效率,防止電能散失,遠距離傳送都是使用高壓電。例如屬於小區域的臺灣輸電電壓最高約為350 KV,屬於大陸地區的美國,由於幅員廣大,電壓甚至高達600 KV。

隨著生活水準的提高及人口的成長,用電量一直在增加,電力網的負荷也逐漸加重,如果沒有適當的更新與擴充,很容易造成類似2003年8月14日美國東北部和加拿大東南部發生的大停電。那次大停電所造成的重大衝擊,使得世界各國重新重視電力網的問題。健全的電力網在消極方面可以避免上述大停電的災難,積極面上則可以節約大量的電力能源。

舉例來說,美國正在研發超高電壓電纜,諸如800 KV和1,000 KV。為了配合如此高壓電力的傳送,相關的基礎設備,例如變壓器與轉換器也須做適當的調整。高壓電力電纜在幅員廣大的國家,更是一種傳遞能源的利基工具。在中國,水力發電資源集中在西南部,煤與天然氣則集中在西北部,如何把龐大價廉的水力發電電力,以及煤與天然氣火力發電廠產生的電,傳送至人口密集的東部地區,則有賴高壓電纜。

以高壓電纜輸送電力,相當於把偏遠地區的水力、煤、天然氣等資源與能源,有效率地輸送至人口稠密地區使用。相關的技術發展包括用距離超過1,000公里的DC(直流)超高壓電纜,這是因為DC一般比AC(交流電)穩定,在長距離傳輸下,電能損失也比較少。

另外,高溫超導電纜也再一次地受到重視。超導現象指的是在某條件下物質不具電阻,其發現由來已久,隨著新材料的開發,使得超導臨界溫度持續提升,一步步地接近商業化階段。例如,在1961年,超導現象最早發現時的溫度是液態氦的攝氏零下273度,在1986年,則提高到液態氮的攝氏零下196度,即所謂高溫超導,特別注意液態氮的價格是液態氦的四百分之一。

除了高溫超導電纜之外,業界也在努力開發高溫超導電力元件。如果能把整個高溫超導電網建立起來,則在沒有電阻情況下,電力輸送量會大幅增加,輸送過程中電力損失會更為減少。

電力調控 由於人類活動時間大部分集中在白晝,造成白天的用電量遠比夜晚的大,因此形成所謂的白天尖峰時刻和夜晚的離峰時刻。但是大部分的大型發電廠是24小時在發電,例如核電廠和火力電廠,除了大修之外,都是晝夜不停地運轉,必須不停地供電,用不完的電就形成浪費。為了儲存剩餘的電力,科學家開發了許多儲能的技術。

例如抽蓄式水力發電,夜晚利用多餘電力驅動馬達和泵浦,把低處的水打到高處聚集,白天再把高水位水釋放出來往低處流下,帶動水渦輪發電機發電,這是一種屬於儲存位能的方式。蓄電池則是一般耳熟能詳的儲存化學電能的方式,可把電能先以化學能儲存起來,需要用電時,再以化學反應產生輸出電力。

為了克服以往尖峰負載情況,分散式電力技術近年有趁勢崛起之勢,再生能源就是一個好例子。再生能源利用大自然資源發電,是一種因應溫室氣體排放的乾淨能源,尤其是風力發電和太陽能發電,特點是發電站容量小且分布廣泛,是隨手可得的發電方式。所產生的電除了擁有者可自用外,多餘的電力可併入電網,另一種形式的電能儲存,當沒有風或沒有陽光無法自產電力時,再由電力網輸入電力使用。

其他方式尚包括小型氣渦輪機,特別適用於高耗能產業,因為一般尖峰時刻電力成本往往比自行發電貴,因此利用這種方式發電除了能夠預防不可預期的斷電之外,也可因低價電力而降低生產成本。

欲利用上述分散式發電系統成功地分擔尖峰負載,還需倚賴智慧型電表和類神經網路的控制。智慧型電表是裝置在各個用電戶內,除了計算輸入的電量之外,還可計算輸出的電量,以結算每個月的淨電量。因此裝有太陽能發電系統的用戶,可能因賣電而賺錢。

類神經網路的控制,則是把控制器安裝在用電器具與發電設備上,透過網路把電或用電資訊傳回中央控制臺,利用人工智慧技術管理用電或發電的時機,配合儲能設備的運用,達到整體電網的最佳化管理。

例如家裡的洗衣機、洗碗機可控制在夜晚的離峰時刻啟動,風力強勁時,風力機所產生的電如果用不完,可用於產氫–另一種儲能方式。另外,夏天太陽太大溫度太高,全國電力負載上升,這時太陽能發電就可派上用場。為了提升效率與節省能源,現代電力網路會比以往複雜,這將依賴成熟的電腦資訊控制技術來解決。

再生能源可一以貫之

從前面零零總總的論述,大致可以結論出唯有發展再生能源,才可同時符合4大節約能源部門的要求:運輸、建築、產業與電力輸送。舉例來說,生質燃料可以取代汽油與柴油,太陽能光電系統可以成為建築的一部分同時進行發電,太陽能熱水器除了可用於沐浴外,還可供應產業熱能,風力發電可以做為分散式發電主力及用於產氫。更重要的是再生能源可滿足最佳能源政策的基本要求:經濟繁榮、供應安全與永續發展。

臺灣98%以上的能源仰賴進口,要更進一步順應氣候變遷所掀起的乾淨能源訴求風潮,不管從應用面或技術面的角度來看,發展再生能源都是一個最佳的能源策略。
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