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「氫」進你的生活,探索太陽能變成電的秘密——專訪東海化學系助理教授王迪彥

110/04/27 瀏覽次數 1436

地球暖化、能源耗竭是這個世代環環相扣的問題,雖然大家皆知北極熊正在瀕臨生存危機、每天呼吸的空氣越來越髒;但是,沒有電,手機就無法充電、電腦及各種電器設備就無法運轉,缺電的後果不堪設想。正因如此兩難,科學家們開始發展「綠色電力」(以下簡稱「綠電」)。太陽能是綠電的一大重點,如何將太陽能儲存起來供大眾使用更是目前學者們的競相研究的主軸。而在台灣,「新世代能源研究團隊」發現能把太陽能用「氫」儲存起來的方法,究竟是什麼樣的神奇技術呢?就讓身為團隊主力之一的王迪彥教授帶我們來一探究竟吧!

氣候變遷

地球暖化、能源耗竭是這個世代面臨最嚴峻的問題之一。(圖/pixabay

王迪彥教授小簡介

王迪彥教授目前任職於東海大學化學系,專長是開發奈米材料於光電及催化方面之應用。王教授去年科技部計畫主要研究的方向著重發展新型態鋁離子電池之陰極材料,同時建立金屬離子電池測試平台。此外,王教授與台大教授陳俊維、臺灣科技大學教授黃炳照所組成的跨校際「新世代能源研究團隊」,突破了「太陽能轉換氫能」的技術門檻 :研發出以原子層材料石墨烯與矽基材料結合之新型的光電化學製氫技術。

關於綠電的大小事

火力發電通常是仰賴燃燒化石燃料,將鍋爐水加熱,產生高溫高壓的蒸氣後,將蒸氣導入汽渦輪機推動葉片轉動,而這類的機械能會帶動發電機產生電力,並將電力輸送至各地。但是,火力發電最大的缺點,就在於它會產生飛灰、底灰、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物及粒狀物等副產物,而破壞地球環境。

而綠電則是以減少對環境衝擊為前提的情況下生產電力,像是其發電所產生的二氧化碳排放量為零或趨近於零,目前大家時常聽到的風力發電、水力發電及太陽能發電均屬綠電的範疇。那麼......為何不用綠電取代火力發電呢?如果你也有相同的疑惑,以下這些事情,你必須知道!

目前台灣綠電的比例占多少?

109年台電系統發購電量結構

109年台電系統發購電量結構(圖/台灣電力公司「再生能源發電概況」

根據 109 年台電發電量統計結果:火力發電占 78.5%,核能發電占 12.7%,再生能源(綠電)僅占 5.8%。而當我們再細分這些再生發電的種類,當中太陽能發電的比例居冠 (43.6%),亞軍是水力發電 (21.8%),季軍則是風力發電 (15%),其他還有垃圾沼氣、生質、地熱發電也有少數貢獻。

109 年再生能源發購電量結構

109 年再生能源發購電量結構(圖/台灣電力公司「再生能源發電概況」

為什麼台灣綠電的比例那麼少?

這就得說到以下幾個層面的問題了~

  1. 土地問題:無論是現階段的太陽能或是風力發電的陸上風機,若要達到以綠電為發電主力,均需要用到大面積的土地,進而會造成整合地權的問題。
  2. 制度問題:雖然當前經濟部標準檢驗局推動「再生能源憑證 (Renewable Energy Certificate,簡稱 REC) 」,它是綠電的「身分證」,讓國內的生產的綠電符合國際綠色供應鏈的要求,角逐國際競爭,也是國際企業進駐台灣投資的重要關鍵,更是綠能發展的加速器 。但這類憑證仍存在一些制度漏洞(例如經濟部標檢局似乎並未追蹤及註銷憑證的具體規劃),因此若要達到完善且明確的綠電使用制度需待加強。

用電習慣會是推動綠電的絆腳石嗎?

不管是炎炎夏日,抑或是酷寒冬日,大家都會下意識地打開冷氣、暖氣機讓自己舒服一下,加上去年疫情影響下,選擇在家辦公的人數激增,因此台灣 2020 年 1 到 10 月住宅用電量較同期成長足足 7% !幾乎現代人都 24 小時無法脫離用電,但現階段的綠電根本無法達到人們連續用電的需求。若要達成電力以綠電為主的目標,不僅僅是技術層面上的精進,也需要配合人們的節電意識。

如何將太陽能變成電?

本篇文章的重頭戲來了~上述提及太陽能發電占整個綠電的比例為大宗,那麼......太陽能究竟是如何變成電的呢?就讓王迪彥教授來為大家解釋一下當中奧秘吧!

將太陽能「存」起來的方法

傳統太陽能電池,是直接將太陽光轉換成電能,直接進入電網,提供給社會大眾所使用。但我們這項研究是希望先將太陽光能轉變成化學能—氫能,以方便儲存以及運輸。其常見的轉換方法有利用太陽能電解水、太陽能熱分解水及太陽能光電化學電池分解水製氫,但是這些方法有的耗能量高,有的轉換率不佳,而新世代能源研究團隊發現將矽結合石墨烯形成的蕭基介面 (Schottky Junction) 能大幅提升太陽能轉換成氫能的轉換率。

一般半導體的二極體內含有 P 型和 N 型半導體,而 P 和 N 型半導體的接面就叫做 PN junction(註一);而蕭基介面則是由 P 型矽基材料,與類金屬特性之石墨烯所形成,並在石墨烯表面沉積一層鉑奈米觸媒金屬,如此一來,觸媒和太陽能板一體成形,就同時兼顧吸收太陽能及轉換成氫氣知功能。此外,三維特殊結構(如金字塔造型)的矽晶材料也大幅降低了矽的反射率,增加其太陽光吸收效率高達 20%,因此也連帶增加產氫效率。

當太陽能轉成氫以後該如何儲存呢?王教授提及目前能想到的方法就是將氫氣儲存在鋼瓶中,而部分學者也試圖運用儲氫材料,將氫氣儲存在這些固體材料中,但現階段的儲氫材料能儲存的氫氣相對較低,大概 100 公斤的儲氫材料上線就只能儲存 6 公斤的氫氣。然而,將氫氣儲存在鋼瓶中仍有安全上的疑慮(例如不小心接觸到火源而爆炸),因此如何儲存氫氣仍是科學家們需要再琢磨的考量點。

氫能如何放電

當太陽能變成氫能後,可以作為氫燃料電池的原料,當位在燃料電池陽極的氫氣,與位在燃料電池陰極的氧氣,經過催化劑的作用下,使陽極的氫分子氧化分解成兩個氫質子 (proton) 和兩個電子 (electron) ,當中質子會通過到薄膜到達陰極,電子則由外電路形成電流到達陰極。在陰極催化劑的作用下,氫質子、氧分子及電子,發生還原反應形成水分子。而水就是燃料電池唯一的副產物,因此也稱為潔淨能源。

與教授的問答時間

Q1:為何化學元素週期表當中那麼多個元素,偏偏要變成氫呢?

A1:由於氫的能量密度高,且地球廣泛存在氫,因此氫能作為太陽能的能量載體是再好不過的了!

Q2:為什麼想選用石墨烯與矽作為太陽能轉換氫能的材料?

A2:以前太陽能需要先轉換成電,再用這些電去電解水,但若直接將觸媒成長於石墨烯與矽所形成的蕭基介面,就可以省去另外在架設一電解槽進行電解轉換成電的步驟,而直接用太陽能轉換成氫能。

接著,公主通常都需要由守衛來保護,所以石墨烯還有做為保護矽不會強酸電解質所腐蝕之強大功能!由於矽身處的電池環境不是強酸,就是強鹼,而具高載子透明率(註二)的石墨烯能完整貼合包覆矽,使其免於環境的腐蝕,使其發揮最大效用。

Q3:王教授在研發過程中曾經遇過什麼樣的難題?

A3:之前遇過兩大難題:

第一個,是如何讓石墨烯完整地貼附在矽晶板上?想像一下,若矽晶板是手機,而石墨烯就是螢幕保護貼,大家總希望自己的保護貼能完整貼附在自己的手機螢幕上,以達到最大的保護效果。同理,雖然石墨烯具有延展性,我們使用的是具有三維結構的矽基板,因此花了很大的功夫找到與矽晶板貼附率最好的轉印方法,才能發揮其最佳之光電轉換效果及保護程度。

第二個,要如何增加矽晶板的吸光率?教授們也是費了一些精力,終於找到像金字塔造型的 3D 表面矽晶材料能達到最大的吸光率。

綠電的未來展望及應用

若太陽能轉換氫能的效率提升,王教授表示將來可望建造一座太陽能電解廠以將太陽光直接轉換成化學能進行儲存。另外,氫能電動車的興起也能減低汽車廢氣對環境的汙染。雖然將太陽能轉為氫能是對環境友善的第一步,但如何儲存這些氫能在目前技術仍是一大挑戰,想像一下,若一座太陽能電廠要儲存氫氣,現階段常見的方法就是用鋼瓶儲存,一旦鋼瓶外洩或是爆炸,其後果實在不堪設想。而當前氫能電動車,每跑 500 公里就需要消耗 3-4 公斤的氫氣,就算設立加氫站(相當於現在的加油站),也得思考是否有安全疑慮。

即便現階段發展的綠電離完全取代火力發電還有好幾大步的距離,但是,新世代能源研究團隊提升氫能轉換率的成果就像阿姆斯壯登上月球一樣,相信未來,透過團隊及科學家們的努力,能將綠能科技提升到另一個境界,讓人們普及使用。

給地球人的省思

王教授認為要發展綠電,需要考量綠電的產能與製造綠電設備耗能的比重(產能/製造耗能),現階段的再生能源仍需仰賴火力發電的支持才能進行,若是為了發展綠電,而耗掉更多能源,豈不是本末倒置了嗎?因此,綠電發展的最終目標,是以再生能源足以支持自身的耗能,以正向回饋的機制產能。

另外,大家近期吵得熱烈的藻礁公投。燃燒天然氣發電能減少空汙問題,加上政府為了減少南電北送的成本,因此選擇將第三天然氣接收站蓋在桃園大潭一帶以支援當地的發電廠。但是,此舉會破壞當地稀有的藻礁生態,藻礁的形成速度非常緩慢因此珍貴,而大潭藻礁的分布規模尤其廣泛,是維持生物多樣性的關鍵角色。這是一個能源轉型與生態保育的取捨,雙方各持立場,兩方都沒有絕對的對錯,這是一個開放性問題。這個事件也值得大家思考,要擁有健全的綠電發展、能源轉型,其實不單靠專家投入心力,也需要大家共同商討及各界努力來達成。

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