第十四章 環境與能源科技的 發展與人物

前言 環境保護工作長久以來都是以提高人類福址(human’s welfare)為宗旨，在污染防治(pollution control)及自然保育(resources conservation)工作皆以減少污染與對自然資源管理再利用以自我評價。 目前地球上的溫室效應（greenhouse effect）、臭氧層（ozone layer）的逐漸擴大、氣候反覆無常、和酸雨污染日益加重等問題都與能源息息相關。

14.1 何謂環境與環境變遷 環境（environment）是指生物四周的所有情況。環境包含二大因素：非生物因素與生物因素。 非生物因素包括所有生物環境的無生命因子，如陽光、熱、濕氣、風雨、水、土壤、砂石等。 生物因素則指生物間的互動關係，如競爭、捕食、遷移等。 人口過度增加、資源開發過度、廢棄物汙染和濫墾、食物鏈的破壞等，均會破壞環境，影響生態（ecology）平衡，造成環境惡化。

14.2 環境汙染的課題 人類必須加強環境保護，以維持一個能永續發展的生態平衡環境。 人類的活動，使得自然環境中的物理、化學、和生物等特性發生重大的改變，進而影響到人類和其它生物的生存。 科技的發展使得人類大量使用各種化學物質，這些物質廢棄之後均會被釋放到環境中，並造成環境的危害甚至威脅人類的健康。為了人類的永續生存，我們必須正視環境污染的問題，並積極面對並解決各種問題。

14.2.1 空氣污染 空氣污染可分為三種： (1) 懸浮微粒，是火力電廠、工廠排煙產生的煙灰，還有汽車、機車所排放的煙。 (2) 惡臭氣體，人、家畜家禽的排泄物，和屍體被分解所產生的惡臭，以及嚴重被汙染臭氣沖天的水溝產生的臭氣，還有工廠洩漏的臭氣。 (3) 有毒氣體，汽車、機車排放的廢氣，如一氧化碳。還有工廠洩漏的氣體如氯氣，家裡洩漏的瓦斯。

14.2.2 水污染 水汙染的來源有： (1) 生活汙水，家庭內流出含有清潔劑、油垢等的洗滌水和糞汙水。 (2) 工業廢水，工礦廠排出含有金屬鹽類、有毒物質或放射性物質的廢汙水。 (3) 農牧業廢水，牲畜的排泄物，以及種植蔬果或園藝施放農藥、肥料所汙染的水。 (4) 垃圾汙染：垃圾棄置於河川而造成河川汙染。 (5) 其他汙染：醫院、實驗室的排放水，也會造成水汙染。

14.2.3 噪音污染 經過調查，通常音量在70分貝以上，對人來說都太大聲了，耳朵會覺得不舒服，工廠、娛樂場所、營業場所、營建工程、擴音設施等都是噪音的主要場所。

14.2.4 土壤污染 土壤污染有： (1) 水，工業廢水,家庭污水,農牧業污水。 (2) 空氣，廢氣排放。 (3) 垃圾，固體廢棄物。

14.2.5 垃圾污染 垃圾汙染是最嚴重的汙染，若不善加處理的話，地球就會被一大堆垃圾所覆蓋了。火化垃圾會引起空氣汙染，倒在水裡會引起水汙染等。

14.3 環境保護與政策 環境問題對人類生活空間的衝擊及威脅，已由地區性轉為區域性、甚至全球性；在資源利用上，也將對後代產生影響。 世界各國及其公民，除了關心當地及日常的環境問題以外，更要建立廣視野的環保概念，以前瞻性的行動關切全球性的環境 危機。 在地球高峰會議中，擬定了五項 重要公約，分述如下：

14.3.1 里約宣言 里約宣言（Rio Declaration）即是所謂「地球憲章」（Earth Charter）的別稱。其內容均屬原則性的宣示，共有二十七則條文。該宣言主要方針乃要求在各國、在社會各個關鍵性階段和人民之間開闢新的合作層面；從而建立一種新的、公平的全球夥伴關係；並致力於達成「尊重各方利益以及保護全球環境與發展體系」的國際協定。

14.3.2 二十一世紀議程 在地球高峰會議中，這是各國元首討論與簽署的主要文件之一。21世紀議程(Agenda 21)乃是為了追求全球永續發展而準備的行動綱領。 本綱領超過六百頁，共計40章。包括全球社會經濟問題、資源的保育及管理、各主要團體角色與貢獻的發揮、以及各種實施方案等四大部份。該份文件主要係為規劃在1993年至2000年執行「永續發展」的工作藍圖，及建立永續發展的全球夥伴關係(global partnership for sustainable development)。

14.3.3 氣候變化綱要公約 1992年5月9日，聯合國於巴西里約熱內盧召開的地球高峰會議，即通過『聯合國氣候變化綱要公約』(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)。 此公約的最終目的是在於穩定大氣中溫室氣體的濃度，以避免對氣候系統造成不利干擾。本公約計分二十六節、五項原則及十項協議內涵；透過執行公約內容，所有簽署國即可共同管制全球二氧化碳的排放量，亦即減少石化燃料的使用，並期能降低日趨嚴重的溫室效應。

14.3.4 生物多樣性公約 生物多樣性公約（Biological Diversity Convention）的主旨在確保各國能有效的採取行動以保全各生物種、生態系，使免於被破壞。 全部內容共計四十二節，主要在說明世界各國應對生態系、生物物種及基因庫的多樣性加以保存，使生物歧異度得以維持，並重新發掘傳統方法和知識、分享生物資源與技術、促進各國（尤其開發中國家）的永續利用，以滿足未來人類在生活、醫療等各方面的需求。

14.3.5 森林原則 森林原則(Forest Principle)是對所有類型森林的管理、養護和可永續利用作成全球性協議。 但條文並無法律約束力，只是權威性的原則聲明。計畫內容共分17項，包括：(1)維持森林、林地、立木地的多重角色與永續功能；(2)透過復舊造林、新造林、跡地造林及各種更新的方法追求永續經營及保育森林，並應綠化荒廢地區。

14.3.6 京都議定書 為了21世紀的地球免受氣候變暖的威脅，1997年12月，149個國家和地區的代表在東京召開(聯合國氣候變化框架公約)締約方第三次會議，經過緊張而艱難的談判，會議通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球暖化的管制協議，稱為京都議定書(Kyoto Protocol)。 雖然議定書規定發達國家削減溫室氣體的目標距發展中國家的要求還很遠，但最終能以法律約束的形式限制發達國家溫室氣體排放量。

14.3.7 世界地球日 為倡導保護地球，國際上訂定每年的四月二十四日世界地球日。 在那一天，世界各地愛護環境的人，需要用行動展現「熱愛地球」實力。 政府間氣候委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change)於2007年發表之研究結果指出，全球暖化已是可以確定之現象。

14.4 環境科技及其發展 環境科技領域的相關發展涵蓋多種環境技術，包括固體廢物處理、節省能源、車輛廢氣污染控制、噪音控制、節省用水、空氣及氣味污染控制、廢物循環再利用或回收、節約能源、污水處理和水循環再利用技術等。 它們大致可細分為五個類別，即污染控制技術、潔淨技術、環保支援服務、環境監察/測量技術和綠色產品製造。

人類依靠科技力量，對大自然大肆的擷取資源，使環境產生很大的衝擊和變遷，而造成環境危機。環境危機為一個非常複雜的問題，並非所有環境問題皆能仰賴技術來解決。 社會、政治和價值系統的改變亦是有其需要的，如人口問題、物種滅絕、臭氧層耗竭、氣候暖化等問題，均需使用環境科技來解決。

14.5 何謂能源 能源的原意是活動的意思，是指供給能而使之動作的原料和資源。希臘語言裡的意思是指「作功的能力」。 古代使用人力和獸力從事生產，以今天的工業技術來看，熱和電是最基本的兩種能的形式，凡任何能產生熱和電的就屬於能源。所以薪柴、煤、油、天然氣燃燒後產生熱是能源；高山上水庫中的水沖下來時可用來發電；太陽光、風力可以發電，也都是屬於能源。

14.6 能源的型態與種類 能源的型態可分為機械能、熱能、光能、化學能、電能、核能等。 在日常生活，這些型態的能源均被廣泛的使用。 蘊藏在自然界中，天然形成不必經過處理就可以直接使用的能源，稱為初級能源。例如：煤、石油、水力、太陽能等。 初級能源經過轉換處理而產生另一種形式，則稱為次級能源，例如：電力、汽油、瓦斯等。

14.6.1 化石燃料 目前我們能源的主要來源是化石燃料，包括有煤炭、石油、天然氣等。 科學家推斷它們是千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植物殘骸，大量淤積在海底，經過地殼的變動逐漸被埋藏在地底下，經過細菌的分解及長期在高壓、高溫的作用下，產生了化學變化而變成構造複雜的碳氫化合物，也就形成了化石燃料。

14.6.2 核能 核能主要來自核分裂和核融合。 所謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子撞擊時，會分裂成為二個質量較輕約略相等的分裂產物，並釋放出大量的能量，同時產生二至三個中子，中子再分別撞擊其他的原子核，再引起核分裂，如此反覆循環，形成連鎖反應。 核融合是兩個原子結合成新的原子，並釋放大量的能量。如太陽和星球的光和熱便是來自融合反應。

14.6.3 水力 水藉著太陽能蒸發，變成水蒸氣停留在大氣中，直至碰到冷空氣，凝結而成雨或雪再掉落地表面，如此產生水循環。自古人類便利用水力來推動水車灌溉，近代主要作為水力發電。

14.6.4 海洋能 利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所貯藏的能源來發電。 1960年法國在蘭斯河口建立世界第一座容量24萬仟瓦電力的潮汐發電廠，在二次世界大戰後也建了一座75,000仟瓦電力的海洋溫差電廠，所以在未來的世界中，這些發電方式對某些地區是很重要的。它們具有無污水、不會浪費資源的優點，唯發電成本比較高些。

14.6.5 地熱 在世界某些地區，因火山形成作用，地下水被加熱而形成溫泉、 噴泉、地熱井等，提供了豐富的地熱能。 地熱的利用歷史久遠，如：古羅馬人、希臘人、墨西哥人、日本人等利用溫泉沐浴、烹飪、暖房等，近代則利用地熱發電。

14.6.6 風力 風的產生是由於太陽將地表的空氣加溫，空氣受熱膨脹變輕而往上升，熱空氣上升後，低溫的重空氣就從四周橫向流入，因而形成空氣的流動，這就是風。 人類很早以前就懂得利用風力在日常生活上，如使用風車來取水、灌溉、磨麥、木材加工等各種費力的工作。其他如風力推動帆船、滑翔機等。

14.6.7 太陽能 太陽能就是地球接收來自太陽所放射的輻射能，它直接或間接帶給地球上絕大部分的能源。巨量的太陽能傳到地球時，大部分的能量被大氣散射掉，只有約47%的能量傳到地面。 假如，我們能將照射在地球上的陽光收集起來，以40分鐘的太陽能源完全回收來講，就可相當全世界1年間的能源消費量。

14.6.8 生質能 利用動植物所衍生的能源稱為生質能。 生質能最基本的利用方式是將生物直接燃燒，獲取能源，如木柴、乾草等直接燃燒使用。 第2種利用方式是用醱酵程序，將生質能製成酒精液態燃料。利用醣類醱酵產製酒精是傳統的技術，也可以利用畜產的廢棄物，經過醱酵程序產生沼氣，取代部分的農村能源消耗。 第3種方式是利用氣化、裂解的程序，產製石化原料。將含水量低的木屑、稻穀等有機物，經過適當的化學程序，可以製造氫氣以及有用的碳氫化合物等。

14.7 能源使用的歷史和能源危機 1974年及1980年發生兩次能源危機，歐美等已開發國家體認到過度依靠石油－非長遠之計，除了著重提昇能源使用效率及宣導節約能源外，並致力於開發再生能源技術，因而風力發電技術的研究再度蓬勃發展。 歐美等國環保意識抬頭，民眾普遍關心傳統發電方式產生的污染問題，清潔的風力能源逐受到相當的重視，而被大量的利用。現風力發電已經是再生能源中最經濟、使用最多的技術之一，這股潮流仍在持續，且正蔓延到全世界。

石油的消耗量每十年增一倍，在西元1950年，世界石油儲藏量，幾乎可供100年使用。 自然資源有限，如果不能生生不息，終有耗盡的一天。依現今的估計，在各項初級能源中，石油可用40年，一般天然氣可用60年，煤炭可用200年，鈾可用70年。 未雨綢繆，尋求資源的源源供給，並減少對環境的衝擊，尋找替代燃料及再生能源乃成為目前的當務之急。

14.8 能源科技的發展 由於能源耗竭的問題和能源危機的再度逼近，如何開擴新能源，並為未來能源尋找新入口，能源工程技術與能源相關技術的發展變得愈來愈重要。未來能源之開發利用，將朝向能源的多元化，同時多開發利用天然再生能源。

14.8.1 未來的綠色能源 - 燃料電池 複合材料是由前面所提到的金屬、陶瓷、聚合體三種基本材料中，兩種或兩種以上性質不同的材料合在一起而產生的一種新材料，為目前材料科學研究之主流

14.8.2 太陽能的利用 太陽能是一種理想的可再生能源。人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。 我國早在兩千多年前的戰國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來乾燥農副產品。

14.8.3 火力發電與氫氣燃料 美國的人口僅占世界總人口的3 ~ 4%，但能源的消耗量卻占了全世界的25%以上，在能源日益缺乏下，舉世莫不關注能源消耗及相關的環境污染問題。 降低二氧化碳的排放量，使大氣層中溫室氣體含量不再增加，以減緩全球增溫的現象。

14.8.4 海洋能源的開發技術 占全球70%的海洋，所蘊藏的再生能源，估計遠超過全球能源的總消耗量。根據各國再生能源研發推動小組的規劃，長程的目標是希望在二○二○年再生能源的開發利用能夠占總能源的12%。

14. 8.4.1 潮汐發電 因為太陽、月亮作用於地球的萬有引力與地球自轉運動使得海洋水位形成高低變化，這種高低變化，稱之為潮汐。 潮汐發電就是利用漲潮與退潮來發電，與水力發電原理類似。當漲潮時海水自外流入，推動水輪機產生動力發電，退潮時海水退回大海，再一次推動水輪機發電。 目前全世界僅有少數潮汐發電廠在運轉，其中法國、中國、蘇聯與加拿大的潮汐電廠總容量合計約263百萬瓦。

14. 8.4.2 波浪發電 海洋波浪是由太陽能源轉換而成的，因為太陽輻射的不均勻加熱與地殼冷卻及地球自轉造成風，風吹過海面又形成波浪，波浪所產生的能量與風速成一定比例。 而波浪起伏造成水的運動，此運動驅使工作流體流經原動機來發電。以往由於維修保養的技術瓶頸，使得有效利用波浪能的案例極為有限。但近年來此項技術已有所突破，除了把原來在深海域發電轉移到淺海域外，並結合其他與波浪發電有關的技術以改善效率。

14. 8.4.3 海洋溫差發電 海洋溫差發電（ocean thermal energy conversion, OTEC）就是利用深海冷水（約攝氏1 ~ 7度）與表層的溫海水（攝氏15 ~ 28度）之間的溫度差，經熱傳轉換來發電。 海洋溫差發電與潮汐、波浪發電的差異在於海洋溫差發電是連續性發電。理論上，有溫差就可以發電，但是考慮成本與效益，溫差越大，效率越高、成本越低。熱帶與亞熱帶地區，由於深層海水與表層海水溫差可達攝氏25度，因此效率最高，最適合OTEC發展。

14. 8.4.4 海流發電 海流發電是利用海洋中海流的流動推動水輪機發電，一般均在海流流經處設置截流涵洞的沈箱，並在其中設置一座水輪發電機，視發電需要增加多個機組，惟於每組間需預留適當的間隔以避免紊流互相干擾。 目前海流發電應用構想種類甚多，但均屬研究性質，其技術可行性離商業化應用尚有段距離。

14.8.5 風力發電的開發與應用 人類使用風力能源的歷史由來已久，數千年前即已懂得利用風力推動船隻航行。 根據文獻，一千年前中國及古波斯即利用風車汲水、灌溉及磨碎穀物。後來風車經荷蘭、希臘等歐洲國家加以改良後，更進而發揚光大，成為中世紀歐洲重要的動力來源。

14.8.6 後石油時代 - 21世紀的能源 新思維 邁入21世紀後，人類必須發展新思維以面對後石油時代的「能源危機」。 14.8.6 後石油時代 - 21世紀的能源 新思維 邁入21世紀後，人類必須發展新思維以面對後石油時代的「能源危機」。 不同於1970年代的能源危機，這個危機不僅是能源、經濟面的，更包括自然環境、社會公義和人類發展的危機。 我們唯有開發新能源，善用能源與節約能源，將來才不會有能源枯竭的問題

結語 人類習以為常的廉價化石能源正逐漸減少，但我們對能源的規畫和使用卻缺乏完整思維。 目前的能源型態不但造成資源耗竭、環境破壞，也產生社會不公，更形成劍拔弩張的能源外交和隨之而來的戰爭。 因此，如果不積極思考開闢一條新的能源途徑，人類社會和文明將岌岌可危。