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地質能源(2)黑寶石-煤礦的優點與缺點

煤礦是埋藏在大地之下的能源,早在工業革命以前,古代的人們便會開採煤礦作取暖、冶鐵等用途。到了十八世紀,西方國家開啟了工業革命,煤礦也成為了推動蒸汽機最佳的燃料,直到現在煤礦仍持續著推動著工業文明發展。事實上,中國古代對煤礦的利用的歷史及發展遠早於西方,早在漢代便有確鑿的煤礦開採記錄、遺跡。明代宋應星所撰寫的中國科技百科《天工開物》中,更是記載了當時開採煤礦的的技術,以及解決煤層中富含天然氣所造成的礦工窒息、礦洞爆炸的對策。在西方,英國則是在十八世紀末發展了許多媒礦大量開採的工程技術,滿足了工業發展中,燃料以及煉鋼的大量需求。直至1950年代後,石油的大量生產及利用逐漸取代了煤炭燃料的地位,蒸汽機也被內燃機所取代。但二十世紀末,全球迎來了兩度石油危機,各國開始積極的尋找替代能源,煤炭也再次獲得各界的注目。
 
 
早期地下煤礦開採工作區域狹小且危險性極高,並且常使用未成年勞力。(圖片來源:Library of Congress Prints and Photographs Division, Records of the National Child Labor Committee)
▲早期地下煤礦開採工作區域狹小且危險性極高,並且常使用未成年勞力。(圖片來源:Library of Congress Prints and Photographs Division, Records of the National Child Labor Committee)

煤礦是地層中的一種可燃的黑色沉積物,主要由碳元素構成,其中也含有氰、硫、氧、氮等碳氫化合物中常見的元素。煤炭與石油相似,都是化石燃料,由古生物掩埋、沉積後形成,差別即在於石油和天然氣來源於數百萬年前海底、湖底大量的浮游生物沉積而成,經高熱、高壓後產生化學變化,轉變成液態和氣態的碳氫化合物。而古代陸生植物等擁有細胞壁、質地較硬的生物,死後處於絕氧的環境之中,不斷往復沉積後被深埋於地下則形成煤礦。高溫高壓的地層環境促使這些有機沉積物轉化成煤炭,如今又被人類所開採,成為燃料,釋放出來自遠古的太陽能。

 

 

用煤之必要-煤礦的優勢

 

隨著台灣「非核家園」政策的推行,核能發電的佔比開始逐步減少,火力發電量則相對開始提升。105年度,火力發電站台電公司年度總發構電量的八成,其中有近半來自於燃煤發電。台灣是作能源孤島,能源自給率及低,多數的化石燃料來仰賴船舶進口,大量供給火力發電的天然氣以及煤炭也不外乎是。而相較於另一發電大宗-天然氣,煤礦擁有易貯存、易運送、成本低且蘊藏量豐富等優勢。有別於氣態的天然氣需要經由低溫、高壓的天然氣船耗費大量的功能壓縮及運送,煤炭本身就為穩定的固態,可以安全的儲藏在常溫、常壓下。根據台灣法規,天然氣的法定儲存量只有15天,而煤炭的法定儲存時間則是30天。因此相較於天然氣,煤炭較不會受到天氣、戰爭等因素所造成的斷供影響。同時就發電成本的考量來看,每發一度電燃煤發電的燃料成本約為1.2元,而天然氣則高達2.7元。

 

霧霾的元兇-燃煤的缺點

 

雖然煤炭擁有以上無可取代的優勢,使之成為了便利生活中能源供應的重要來源,但其對於環境的污染卻是我們無法忽視的缺點。其中又以燃煤發點所帶來的空氣汙染尤為嚴重。煤礦的燃燒不僅會排放大量的二氧化碳,增強溫室效應,且在低品質的煤礦中含有大量的硫化物、氮化物,經由燃燒後會隨著二氧化碳排放到大氣之中,造成酸雨、溫室效應等環境問題。燃煤除了會排放大量溫室氣體,更會排放出有機質、硫酸鹽、黑炭、粉塵等細顆粒物質,而這些物質便是現代人必之唯恐不及的PM2.5的主要成份。現今的中國華北地區便因為大量的燃煤,而使得霧霾長期籠罩。這些對人體有重大危害的毒性顆粒在吸入人體後,會對人體的呼吸系統、免疫系統等造成可怕的危害,嚴重影響人民的健康。

 

煤礦雖然是一種方便又便宜的能源,但其對環境的傷害卻是不容忽視,倘若為了一直方便而持續大量燃燒煤礦,必會造成可怕的苦果。如今科學家也積極的在發展有效且乾淨的燃煤技術,希望在未來能以更乾淨、環保的方式燃煤發電。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

 審校:沈建豪
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