未來科技史 - 未來替代能量

1. 未來科技史-未來替代能量 陳瑋翔-燃料電池 吳豐村-生質柴油 鄭宏欽-酒精汽油 黃勇智-汽電共生 郭義邦-沼氣(甲烷)燃料 許瑞顯-太陽能

2. 前言 • 所謂替代燃料，指的是可替代傳統化石燃料的燃料，一般指壓縮天然氣、液化天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、生質柴油、氫氣及Ｐ-系列燃料。而所謂再生能源，是指可再生或新生的能源，如水力、風力、太陽光能及熱能、潮汐、生質能（垃圾、能源作物、森林等）以下我們將一一介紹給大家。

3. 燃料電池 • 燃料電池的歷史可以追朔到1839年，由英國法官威廉葛洛夫(William Grove)在一項業餘的實驗中神奇的發現了燃料電池的發電原理；但當時因為電極材料問題，使這項發明未受重視。直到1959年由另一位英國人法蘭西斯培根(Francis T. Bacon)製作出一個5kW的燃料電池組，能夠推動電銲機、電鋸、及堆高機，使這項技術得以走出實驗室，其後使用氫氣為燃料的鹼性燃料電池(AFC)更成功的應用在太空科技上，成為太空梭的電力供應系統；因為燃料電池的副產物是純淨的水，故也成為太空人飲水用的維生系統。

4. 燃料電池的種類 1.種類 • 燃料電池有多種的分類方式，如以燃料電池之電解質（electrolyte）來區分，它可分為下列五種： • (1)高分子膜燃料電池 （Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）  • (2)鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）  • (3)磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC） • (4)熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）  • (5)固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC） 　　 若以溫度分類，PEMFC(80-100oC)，AFC(60-220oC)及PAFC(180-200oC)屬於低溫型。MCFC(650oC)屬於中溫型，而SOFC(1200oC)則是高溫型。其中，尚有直接甲醇燃料電池( Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)及金屬-空氣混合型電池等。

6. 燃料電池原理 (1)陽極： 氫分子氣體輸至多孔之陽極後， 經過質傳到達陽極，於催化下分解反應： H2→2H++2e- 電子由陽極導至外接電路，形成電流。 而氫離子也由陽極端，透過可導離子性質 （電子絕緣體）之高分子薄膜電解質，抵達陰極。 (2)陰極： 空氣輸至陰極，氧氣分子質傳至陰極，與電子及氫離子起電化反應，而產生水及1.229伏特之電壓。反應如下： O2+4H++4e-→2H2O 圖1 燃料電池基本原理 • 如圖1所示，它的基本原件是兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質。 • 陰陽兩極，除碳粉外也包含白金粉末，以達最佳催化作用。

7. 燃料電池 因沒有經過燃燒過程，所以不會產生污染，也不像傳統的火力或核能發電，需經多次轉換(如表1)才能發電。燃料電池發電因步驟簡單，自然效率就高，體積小。當多組的單位原件重疊一起時，即可串連增加電壓及電能。又效率與組數無關，燃料電池可大可小，應用範圍十分廣闊。 燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。 燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電， 此種燃料電池又叫再生性氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。 氫氧燃料電池作用原理是以氫氣為燃料， 和氧氣經電化學反應後透過質子交換膜產生電能， 其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水， 氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放碳化氫、一氧化碳、 氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。 氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。 不會對環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。 酒精電池的原型

8. 台灣燃料電池研發現況 台灣最早期從事燃料電池研究及推廣單位，是經濟部能源委員會及工研院能資所，但其研究均屬小規模。及至最近3、4年，各單位更擴大投入規模，分述如下。  ◎工研院能資所，規劃在未來4年內，開發3~5kw小型家用PEM燃料電池，包含電池堆、燃料重組器及關鍵材料。 ◎台灣經濟研究院預期將於2002年完成第四代燃料電池，量產應用於電動機車，其機車最終目標為：極速85km/hr、續航力160km、總重量100公斤以下，換氫氣罐時間五分鐘內。 ◎中科院材料之研究領域則包含：電極觸媒、碳材電極、氣體擴展層(gas diffusion layer)、複合石墨雙極板，及電池堆設計開發。 ◎工研院材料所及核能研究所燃材組，也積極從事關鍵材料零組件研發工作，研發目標以應用家電、資訊、通訊(3C)電源供應產品為主。 ◎學術單位方面，則有元智大學投入燃料電池應用領域的研究，其近程目標是PEM 燃料電池的研發；長程目標則是直接式甲醇燃料電池(DMFC)及固態氧化物燃料電池(SOFC)的研發。 ◎能源委員會的燃料電池計畫，目前則先由PEM 燃料電池著手研發。 參考資料http://www.mingdao.edu.tw/physics/pdf_page/Lesson_5.pdf http://idic.tier.org.tw/TFCF/data/name/name_2_2.htm • 下一個主題將由吳豐村同學跟大家介紹『生質柴油』

9. 生質柴油 • 『生質柴油』屬於再生能源的一種，是將動植物油脂或廢食用油（三酸甘油脂），經交酯化反應、中和、水洗以及蒸餾等過程所生成，具有生物可分解和無毒等特性，由於其燃燒特性與石化柴油相近，因此可與石化柴油任意比例調配使用，降低石化柴油所排放的廢氣污染。

10. 生質柴油的製造方法 • 製造生質柴油有三種基本方法,一是以酒精催化酯轉化作用,二是直接以甲醇催化酯化作用,三是將轉化為脂肪酸然後以烷基酯取代.目前主要的製造方法為第一種,這種制程屬於一種低溫低壓(65°C, 20 psi)的方法;在三種方法中,這種方法需要的反應時間最短,但卻能達到高比例(98%)的轉化結果。

11. 生質柴油的生產流程圖 反應過程

12. 生質柴油對環境之貢獻 • 生質柴油所產生的二氧化碳(CO2)，經還回生態圈，供植物吸收成長，並無CO2的淨值增加，而形成密閉型的碳循環，永續運用，確保生態。

13. 生質柴油是典型的“綠色能源”，是一項環境友善的再生燃料，兼具資源再生及潔淨能源等優點，大力發展生質柴油對經濟可持續發展，推進能源替代，減輕環境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰略意義，與普通柴油相比，生質柴油更有利於環保。生質柴油是典型的“綠色能源”，是一項環境友善的再生燃料，兼具資源再生及潔淨能源等優點，大力發展生質柴油對經濟可持續發展，推進能源替代，減輕環境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰略意義，與普通柴油相比，生質柴油更有利於環保。 • 下一個主題將由鄭宏欽同學跟大家介紹『酒精汽油』

14. 酒精汽油 • 酒精的來源，主要為經由農作物，如玉米、小麥、薯類、糖蜜、甘蔗等原料發酵，然後再透過蒸餾來純化提煉出酒精（學名乙醇），且與汽油按一定比例調配成「酒精汽油」，廣泛提供汽車做為燃料用油，加上可再生及快速循環的特殊生物能源性，在燃燒過程中比汽油燃燒排放較少的二氧化碳和含硫氣體，所以又被稱為「綠色能源」或「清潔能源」。

15. 燃料酒精原理 • 燃料酒精則有別於一般酒精，為酒精的加工產品，其是將酒精再進一步脫水及經過不同形式的變性處理後，成為變性燃料酒精，而車用酒精汽油則是在汽油中加入一定比例之變性燃料酒精，成為國際上通稱「汽油醇」（gasohol）的混合燃料，作為車輛行駛時之替代燃料。在此燃料中，酒精既是能源，同時也是良好的汽油品質改善劑。由於酒精的增氧劑功能，使用酒精汽油作為燃料，可明顯降低汽車尾氣中的有害物質，包括降低CO約30%-38%、VOC約12%、有害物質排放量平均減少1/3以上，而NOx則有約略上升的情形。

16. 生質能源轉化流程圖

17. 酒精汽油的優缺點 • 酒精汽油的優點包括生物分解性佳，燃料含氧且不含硫及芳香烴，可減少毒性物質排放。燃而酒精汽油也不是沒有缺點，燃料酒精加入汽油後會增加蒸汽壓，可能經引擎軟性零件（如密封墊）滲漏而增加VOC排放。其它問題包括其可能對油缸及引擎造成腐蝕、冷天不易發車、較為耗油等問題。 • 燃燒柴汽油，會製造有毒的氮化物和硫化物，但生質柴油、酒精，只產生二氧化碳和一氧化碳，幾乎沒有氮化物和硫化物；若在汽油車中混用生質酒精，一氧化碳排放量也可減少1到2成。 • 生質柴油的副產品是甘油，包括化妝品、醫療用品、牙膏、止咳糖漿的生產都用得上。

18. 生質酒精之二氧化碳循環示意圖 • 下一個主題將由黃勇智同學跟大家介紹『汽電共生』

19. 能源再利用-汽電共生 • 國內近年來工商業持續發達，對於用電所要求的品質與電量更不斷的提升。尤其近年來因環保運動頻繁，致使電源開發受阻，多數人只想無限制的用電，但普遍存有「電廠不要在我家後院」的心態，為反對而反對，致使備用電力不足。所以遇到台電發電機組出狀況常會實施限電措施，這對經濟發展是一種致命打擊，其背後所付出的社會成本更是難以估計。因此在電源開發緩慢之際，發展汽電共生技術是一種必行性之考量，其功能在於提高能源使用效率、降低生產成本、提供可靠電力， • 接對於環保改善及減廢亦有相當程度之幫助。

20. 汽電共生的技術包含機構、土木、化工及能源經濟各領域的專業知識。其機組型式繁多，燃料的選擇也是多樣的，例如以蔗渣、污泥、煤、天然氣、重油甚至廢熱、廢棄物等皆可應用。此外為適應各種工廠製程需要，即使是同類機組，其設計考慮上也有相當程度的差異。但是一般所謂汽電共生應該是定位在可利用單一投入燃料能源來同時產生熱能與電力的一個獨立系統，它的主要特質是必須能夠利用製程系統產生的熱能至某一程度。簡而言之，即是熱能(和蒸汽)的再利用且必須是與製程是連貫性的一種能源再生設備。汽電共生的技術包含機構、土木、化工及能源經濟各領域的專業知識。其機組型式繁多，燃料的選擇也是多樣的，例如以蔗渣、污泥、煤、天然氣、重油甚至廢熱、廢棄物等皆可應用。此外為適應各種工廠製程需要，即使是同類機組，其設計考慮上也有相當程度的差異。但是一般所謂汽電共生應該是定位在可利用單一投入燃料能源來同時產生熱能與電力的一個獨立系統，它的主要特質是必須能夠利用製程系統產生的熱能至某一程度。簡而言之，即是熱能(和蒸汽)的再利用且必須是與製程是連貫性的一種能源再生設備。 • 　　從政府立法獎勵推廣氣電共生至今已逾十年，國內汽電機組的裝置容量已成長了好幾倍，相關技術已漸成熟，目前各系統皆有其優點。

21. 汽電共生系統機組有三種主要方式 • 1. 先發電循環：有人稱之為頂部循環，它是先利用燃料產生高壓高溫蒸汽去推動蒸汽渦輪發電機之後再將此蒸汽引到工廠供製程使用。 • 2. 後發電循環：有人稱之為底部循環，它是利用工廠製程中產生的廢熱轉換為蒸汽發電。 • 3. 複循環系統：本系統是融合上二項特點之設計，但需考慮是否有利工廠生產流程。上述三種系統其關鍵在於整個循環中不僅要產生電，而且還必須產生足夠之蒸汽供製程用，才可稱作為汽電共生。另外要成為合格汽電廠尚須要其總熱效率不得低於50%及有效熱能產出比率不得低於20%，但如果是專業廢棄物處理所設之汽電共生廠則不在此限。

22. 就發電原動力的發展上主要有四種 • 1. 為採用動力鍋炸：因其可以多樣化選擇燃料進而降低成本、加上使用的蒸汽鍋輪機也已發展成熟，淨熱利用率在80%左右，是現今常見的一種汽電共生機組。 • 2. 為使用重油引擎為動力：本類型機組熱利用率約在50～65%之間且機組發電量較小，但此系統建廠時間短，起動與降載反應快，一般用在小型汽電共生廠。 • 3.是使用天然氣或經油為燃料的一種燃氣渦輪機(非蒸汽渦輪機)：此種燃氣渦輪機類似噴射飛機的發動機。本系統有反應快、穩定性高、操作容易、建廠時間短及低污染之優點，但因燃料昂貴，故使用者稀。 • 4. 為一種增壓燃燒循環式流體化床鍋爐：其特點在於燃料是在壓縮空氣中燃燒，其燃燒效率高，機組體積小，能源利用性高且具低氮氧化物及低硫化物排放，對環保相當有利，本系統將深具發展潛力。

23. 汽電共生廠是一種能源有效應用的設施，亦是當前能源利用的一種趨勢。若能有效的掌握各種設廠條件，則對於充份利用能源、減少輸電損失、降低環保污染、減輕電力公司的網路負載及減少因電力公司限電、跳電而造成的損失皆有極大的助益，對於一些需要大量電力與熱源的工廠更具有存在的意義。假以時日的發展與應用，則對企業本身及對主使者國家之整體利益均有極深遠的影響。汽電共生廠是一種能源有效應用的設施，亦是當前能源利用的一種趨勢。若能有效的掌握各種設廠條件，則對於充份利用能源、減少輸電損失、降低環保污染、減輕電力公司的網路負載及減少因電力公司限電、跳電而造成的損失皆有極大的助益，對於一些需要大量電力與熱源的工廠更具有存在的意義。假以時日的發展與應用，則對企業本身及對主使者國家之整體利益均有極深遠的影響。 • 下一個主題將由郭義邦同學跟大家介紹『沼氣(甲烷)燃料 』

24. 沼氣(甲烷)燃料 • 隨著新能源的開發和利用，西藏農牧民取暖、做飯的牛糞灶正在退出歷史舞臺，風能、太陽能、地熱能等新能源已經開始普及到日常生活中。近年來，西藏在部分農牧區進行沼氣建設試點，將這種在內地農村廣泛運用的新能源“移植”到雪域高原。西藏今年將投資１６００多萬元，在農牧區建設２５００個沼氣池。 • 據聯邦可再生能源聯合會的專家估計，沼氣在不遠的未來將成為一种經濟型能源，不僅能滿足農村的能源需求，還可將多餘的能源輸送到城市。 早在1948年，在德國的奧登小鎮出現第一個沼氣設備。在30—70℃氣溫條件下，沼氣從糞水、有機的垃圾、污水或食物殘渣中產生甲烷氣體。

25. 何謂沼氣燃料 • 沼氣就是甲烷，它可用有機物發酵分解來獲得。沼氣可分解出多種終極產品，甲烷和一氧化碳。在沼氣設備中產生氣體，經凈化可用於燃燒，這是第一種利用方式。據德國專家的計算，1立方米沼氣燃燒產生的熱量相當於0.6升燃油或0.6升天然氣。而另一種沼氣利用燃料箱來發電，這一技術利用氫氧的反應，特點是無污染，有很高的輸出功率。當沼氣只用於燒爐灶時，其經濟價值很低，而大多數生產沼氣的農民採用可供生產電力和熱能的所謂“集團熱電裝置”，即由一個汽油機驅動的發電機組生產電，由此產生的餘熱用於供暖。通過這種方式，農戶不僅可以滿足自己的用電和供暖，而且，所產生的每千瓦的電都可以輸入公共電網供使用。

26. 沼氣燃料的未來發展 • 現在，世界各國重新認識到沼氣作為一種替代能源在農村有很重要的發展前景。美國、英國、義大利等發達國家與德國的政策不同，他們還是主要將沼氣技術用於處理垃圾，美國紐約斯塔藤垃圾處理站投資2000萬美元，採用濕法處理垃圾，日產26萬立方米沼氣，用於發電、回收肥料，效益可觀，預計10年可收回全部投資。英國以垃圾為原料實現沼氣發電18兆瓦，今後10年內還將投資1.5億英鎊，建造更多的垃圾沼氣發電廠。 • 下一個主題將由許瑞顯同學跟大家介紹『太陽能 』

27. 太陽能 • 太陽所產生的光和熱，是帶給地球多采多姿生態的原動力。因為有太陽源源不斷的向地球傳遞能源，植物才得以進行光和作用，將太陽能轉換為自身的養分。而動物再藉由攝取植物，從而得到自身活動所需之能源。所以太陽能可以說是地球上一切生命的基礎。 • 現今我們直接轉換太陽能的方式有兩種：(1) 收集熱能 (2) 轉換光能。

28. 太陽能轉換方式 • 太陽能可以直接轉換為其他能量來加以利用。轉換形式，目前有下列三種類型一　通過光合作用利用太陽能；　　　地球上所有綠色植物，都是通過光合作用來直接利用太陽能的。於是有人提出利用葉綠素再造太陽能電池的設想，更據計算，利用葉綠素製造的太陽能電池，效果相當理想。計每十平方米面積這種光電池，效果即使僅得十分之一，也能發出一千電力。科學家研究其他半導體和染料，以找出模擬光合作用的最佳搭配，實現通過光合作用利用太陽直接發電，這對解決人類對電力的需求具有特別意義。太陽能電池可以把光能轉換成電能，主要構造是利用半導體材料，薄的ｎ型半導體置於較厚的ｐ型半導體上，當光子撞擊該裝置的表面時，ｐ型和ｎ型半導體的接合面有電子擴散，電流即可利用上下兩端的金屬導體將電流引出利用，不過電池的成本很高，且要有足夠的功率要有相當大的面積放置電池。

29. 二、利用光生伏打效應使太陽能轉化成電能；利用光生伏打效應，以太陽的輻射能力使太陽能直接轉化成電能的製品，這是目前人造衛星的主要動力來源，也是地面上許多場合不可缺少的特殊電源。如船標電源等。 　 • 三、聚集太陽能加以利用。　 這是利用太陽能最成功的方式。只需依各吸收能量的表面極佳熱表面接觸的液體，便可達到加熱取軟，供熱的目的。

30. 太陽能電廠主要有二種集光的方法 • 1、塔型集光 　 先建造一座高塔，然後在地面排列鏡子，將陽光友射於塔頂，陽光移動時塔下方的鏡子也不斷追隨太陽移動，所以放置在塔頂的熱吸收器被加熱到極高溫，並製造蒸氣發電。 2、曲面分散集光。 　 使用半管型的拋物面鏡集光，由拋物面鏡反射的太陽能向各自的焦點集中，而焦點設有集熱管以產生蒸氣發電。

31. 太陽能的優點及缺點 • 優點: • 1.太陽能是人類可以利用的最豐富的能源。 • 2.太陽能是到處都有的，不需要運輸。 • 3.太陽能是一種清潔的能源。 • 4.太陽能的系統又稱作「無變量的能源系統」。 • 5.太陽能安全可性 • 缺點 ： • 1.太陽能的利用裝置必須具有相當大的面積。 • 2.太陽能受氣候、晝夜的影響。

32. 綜觀太陽能利用的優缺之處，發展太陽能仍是非常可取的。目視污染是很主觀的，又有誰能擔保龐大的收集器不會成為壯觀的景色，而成本問題也不能短視近利的，花下去的金錢、空間，是可以在時間上換回的。

33. 結論 • 我們所倚賴的傳統燃料——石油，地球上目前的蘊藏量約2.2兆桶，具開採經濟價值約1兆桶。畢竟這些資源是有限的，終有耗盡的時候，預估再過40年將無石油可用，或許比我們想像的速度還快，可能10年後，它的供給就不那麼容易了。 所以從現在開始，我們必須積極尋找傳統燃料的替代品，絕對不能等到最後一滴石油用罄時，才採取行動。

34. 報告完畢 • 謝謝大家