教育部102年度國民中小學 未來想像與創意人才培育計畫 未來能源 指導單位：教育部 主持人：廖偉民校長 分享者：蔡振明 http://creative-science.hlc.edu.tw/ 科學教育 跨縣市 創意社群

課程概要 關於未來能源 可燃冰 ─ 甲烷冰或天然氣水合物 淨煤 ─ 煤的氣化 氫能源 ─ 燃料電池 生質能 ─ 彈性燃料汽車 太陽熱能 ─ 史特林引擎發電、其他蒸氣介質發電 太陽光能 ─ 追日聚焦式太陽光能發電 海洋能 ─ 溫差發電、鹽差發電、波浪發電、流能發電、潮汐發電 地熱 ─ 天然地熱發電、人造地熱發電 風力 ─ 壓縮空氣汽車、熱泵 水力 ─ 目前能量轉換效率最高的發電 核融合 ─ 能量最大、技術最難的發電 振動能源利用 ─ 壓電材料 電力儲存 ─ 甲烷、抽蓄式水力發電 區域供冷供熱 ─ 重要的節能科技 智慧電網 ─ 節約15％用電 建築節能 ─ 溫度調節、通風、採光、建材選擇、雨水利用

關於未來能源 未來人類的工作內容與相關知識，有 60％目前尚屬未知。 為適應知識「一日千里」的變化，人類對未來的想像能力日形重要，它是目前教育的關鍵能力之一。 現代生活離不開能源，我國每人平均隨時需要一千瓦電力，亦即每人每天約需要24度電以維持正常生活（約燃燒12公斤的煤）， 因此瞭解未來能源相關知識，有其必要性。

可燃冰（教具操作1項） 可燃冰的命名是因為外觀與冰塊類似，又稱為甲烷冰或天然氣水合 物，它是在高壓低溫的地質環境下，甲烷與水形成的固體，例如水 深超過300m，水溫大約2°C的海洋沉積層。或是深度超過800m，地表 溫度低於0°C的極地大陸沉積岩等。其儲藏量約為天然氣的數倍至數 十倍，可能供人類使用數百年之久。「可燃冰」燃燒值高，使用後 排放的二氧化碳約僅石油的一半，更不會排放硫及氮化物，也不會 產生任何灰燼，是一種比較潔淨的能源。目前它被世界公認為「尚 未開發」的最主要新能源，也是未來代替石油的最重要能源之一。 http://www.youtube.com/watch?v=ZQHa4ZibEaA（我國民視） http://www.youtube.com/watch?v=AyFE4fnzNmQ （大陸央視） http://www.youtube.com/watch?v=NErYp1V2_FQ （大陸央視）

淨煤 淨煤 煤尚可供人類使用約200年，如何提高煤的效率與潔淨，是人類積極追求的 重要目標。淨煤技術主要內容包括： 蒸氣的發電效率。 ●洗煤：洗除礦物質、灰份、脫硫等。 ●煤的氣化：煤氣化後再燃燒，可提高效率，氣化後主要為甲烷與氫。 ●純氧燃燒：可增進煤的完全燃燒程度，以降低污染物排放。 ●高溫高壓蒸氣發電：以300大氣壓、攝氏600度的蒸氣，推動渦輪機，提高 蒸氣的發電效率。 ●二氧化碳的捕獲與封存：將燃煤產生的二氧化碳捕獲，並封存於地層、鹽 水層、海底等，避免地球大氣碳濃度飆升。 ●目前世界已有數座淨煤示範發電廠，最高能源轉換效率約為60％，而一般 的燃煤電廠約只有30％，淨煤發電可大幅提高能源效率。 ●各種發電成本：核能0.6-2元、煤約1.5元、天然氣約3元、燃油發電約5元 http://www.youtube.com/watch?v=wtiAIk2RRnQ（我國東森） http://www.youtube.com/watch?v=IF1cv8t0TH4 （香港中電，減排60％）

氫能源（教具操作3項） 氫的來源：含氫化合物 如：水、天然氣、沼氣、酒精、甲醇等 氫能產品原理： （1）燃料電池(電化學反應：電子轉移產生的化學反應) 氫 →質子交換膜→＋氧→電＋水 （PEMFC燃料電池） 氫的儲存：高壓或低壓儲氫、碳材、合金、氨、苯等 （2）氫燃料 水 →電解 →氫+氧 →氫可燃燒(排水集氣) 2H2O → 2H2↑+ O2↑ http://www.youtube.com/watch?v=cCSjEGN9Y0Y （我國民視） http://www.youtube.com/watch?v=i9D11YFXYzI （我國民視─日本） http://www.youtube.com/watch?v=XeMGhRT3EUc （我國民視─機車） http://www.youtube.com/watch?v=XypWk_6wDJY （我國大愛─上海）

生質能（教具操作1項） 植物、沼氣、有機廢棄物產生的能源，例如：生質燃料 （E3、B2）、沼氣、微藻等。 http://www.youtube.com/watch?v=2wbaHCXPVb0&playnext=1&list=PLD5F985B65C4B02F8&feature=results_main（大愛電視 6分鐘，生質能源討論） http://www.youtube.com/watch?v=U6Cj4VgjWX4（從廢棄炸雞油自製柴油） http://www.youtube.com/watch?v=f8gxx042ySg （中醫師酵母菌自製柴油） http://www.youtube.com/watch?v=r6wyVIpSa5Q （微藻製柴油）

太陽熱能（教具操作3項） 凹面鏡 →集熱 →直接啟動溫差引擎(或加熱：水、鹽、合成油等介質，使水氣化) →帶動發電機 →發電 澳、美、義、西班牙等國已發展此類新能源。 http://www.youtube.com/watch?v=CdGM3f6wCls （史特林太陽熱能發電） http://www.youtube.com/watch?v=LS5NHWnkfYQ（拋物線＆太陽能塔） http://www.youtube.com/watch?v=YXMcWQuW004 （英國零碳社區6分鐘）

太陽光能（教具操作2項） 太陽光能 →晶矽→電能（世界最大生產與進口國：中國） 晶矽分類：單晶矽、多晶矽，皆由二氧化矽提煉純化而成。 (我國預定2030年完成陽光屋頂百萬座計畫) 晶矽以外材料：薄膜、砷化鎵、有機物、聚合物等 以色列聚焦光電技術，效率達70％，世界第一。 http://www.youtube.com/watch?v=60oDduqMQEM （亞洲最大追日發電） http://www.youtube.com/watch?v=CHEZdZS4oaY（窗戶發電）

海洋能（教具操作1項） 海洋溫差、鹽差、波浪、潮汐、流能等 http://www.youtube.com/watch?v=6q_moDHUu7M（溫差能與波浪能） http://www.youtube.com/watch?v=uYtQYR8ysqk （黑潮流能）

地熱 地熱：指含於土壤、岩石的蒸氣或溫泉能源。 人造地熱：地底皆有炙熱的岩層，因此即使目前沒有地熱資源的區域，全球有60％的地區，可利用鑽井技術，創造地熱能源。 地下取熱：地層每下降百公尺，溫度約升高3℃，寒冷地區可由地下取得熱源。 http://www.youtube.com/watch?v=OtzD5Dtc--8（地熱簡介） http://www.youtube.com/watch?v=f7OftcdBxjw （冰島地熱） http://www.youtube.com/watch?v=-ArHkZuPTIM （澳洲人造地熱）

風力（教具操作2項） 丹麥、中國、德國、西班牙、美國已廣設風力發電。 其中丹麥的風力發電量，佔全國總電量的20％以上； 美中日風力發電總量世界前茅。（2030年千架風機計畫） 利用空氣的減碳新產品 1.利用空氣取熱─熱泵熱水器 2.壓縮空氣汽車─空氣可以推動活塞，還產生？(凝結核) http://www.youtube.com/watch?v=E2ZxbQGbIRk（丹麥風電） http://www.youtube.com/watch?v=r12kCGp7diI （我國風電抗議事件） http://www.youtube.com/watch?v=bURL3nRYwMQ （壓縮空氣汽車） http://www.youtube.com/watch?v=wFF9l-jpAoE （熱泵熱水器 3.10 開始）

水力 指利用河川湖泊之自然水量與落差做為能源。 至於抽蓄式水力（如：明潭與大觀發電廠）， 是利用剩餘電力，把水抽往高處貯存，它是電力 的儲存方式之一，依法不被視為再生能源。 http://www.youtube.com/watch?v=CX-VB2IHAG0 （台灣水力發電） http://www.youtube.com/watch?v=MHFFzEHiYZM （中國水力發電） http://www.youtube.com/watch?v=rq2C1bVdf2I （中國對水力發電的討論）

核融合 兩個質量小的原子，例如氘（重氫）和氚（超重氫）， 在一定條件下（如超高溫和高壓），會發生原子核互相 聚合作用，生成中子和氦，並伴隨著巨大能量釋放。但 因人類無法確實掌握高溫和高壓等條件，所以目前尚處 於研究階段。 太陽是使用氘的核融合產生能量。 http://www.youtube.com/watch?v=ZRvHsJlgr8Q&playnext=1&list=PLFA4BBC5E0BA7D983&feature=results_video（核融合） http://www.youtube.com/watch?v=KFmNcB5_YHo （核融合原理）

振動能源利用─壓電材料 壓電陶瓷主流材質是鋯鈦酸鉛（PZT）， 這種材料很容易把機械能轉換為數萬伏特 的高壓電能，因此可鋪設於人潮或車潮多 的地方，收集振動能以產生電力。 http://www.youtube.com/watch?v=4ZeTOWKlU2Q（壓電材料 PZT） http://www.youtube.com/watch?v=l3fU982Tiu0 （日本壓電材料發電橋） 下圖說明：人潮擁擠的東京地鐵，需要「助推員」幫助，才能關門開車。

電力儲存 德國電力儲存： 2012.5.4晚間9.00-9.30，SMART電視台「知識探 奇」節目報導：世界首座「剩餘電力儲存廠」將 於2013年在德國開始運轉，其原理是利用剩餘電 力把水電解，產出的氫再與二氧化碳合成甲烷儲 存。它並不是甲烷製造廠，而是保留國家重要電 力的「能源儲存廠」！ 台灣電力儲存： http://www.youtube.com/watch?v=bJ70O54uF24 （台灣抽蓄式水力發電）

區域供冷供熱 全球能源最大的消耗項目是─空調。 如果能採取區域集體供冷供熱方式，約可 節省50％的空調能源。 http://www.youtube.com/watch?v=zJj25-XkzmQ（焚化爐區域供冷供熱） http://www.youtube.com/watch?v=ehgsu9GEIoA（哈爾濱污水供冷供熱） 下圖說明：東京新宿的區域供冷供熱設施

智慧電網 利用感測和通訊技術，建立一套完整的電力資訊系統，藉由資訊的整 合分析，可達到電網即時監控功能，使電力分配最佳化，提升供電 品質與可靠度。 智慧電網約可節省15％電力消耗，主要原理如下： 1.電力分配最佳化。（2.3萬高壓用戶，約佔用電60％，已換裝。） 2.約可減少35％的停電事件。 3.創造「有感用電」─ 讓大家知道：哪些電器正在不合理耗電，以 便立即進行管理。 4.用電檢查與建議：例如竊電、漏電等警告。（彰化3億、屏東1億） 5.提醒大家該在什麼時段用電最便宜？ 6.節省抄電表的費用，可回饋用戶。 http://www.youtube.com/watch?v=tdXX1AWJATI（資訊工業策進會對智慧電網說明） http://info.taipower.com.tw/（台電舊網）

建築節能 建築物消耗全球約60％的能源！ 建築節能重要項目： 溫度調節、通風、採光、雨水利用 建築材料： 可回收建材、可分解建材、再生建材 http://www.youtube.com/watch?v=bqOKe4uUtmA （綠建築） http://www.youtube.com/watch?v=dqoLSiLseVI（成大魔法、雨水、通風、免空調） http://www.youtube.com/watch?v=H2u7zzzOYdE （德國、保溫、通風） http://www.youtube.com/watch?v=NSAKSdoRZlE （英國、麻建築、雨水） http://www.youtube.com/watch?v=5w2ZYfR0z2Y （德國、綠建築、雨水）

謝謝您的聆聽！

巨大的風力發電 旋翼 (補充資料)

簡易評量 化石能源有哪些？ 化石能源對環境有什麼危害？ 未來能源有哪些？各有何優缺點？ 在「食」的方面，我們如何節約能源？ 在「住」的方面，我們如何節約能源？ 在「行」的方面，我們如何節約能源？

我國能源及環保標章(補充資料)

地熱(補充資料) 含於地下土壤、岩石，蒸氣或溫泉之能源。

小觀念、省很大(補充資料) 全國一年食用白米（含白麵粉）250萬噸，增加耗電2.3億度，增碳15萬噸。 （改吃糙米、全麥等全穀類，如何？） 全國一年廁所衛生紙12萬噸，處理費用6億元，增碳18萬噸。（衛生紙丟入馬桶，如何？） 全國一年飲用瓶裝水8億瓶，耗費120億元，增碳12萬噸。（出門自備水壺，如何？） 全國一年使用機油1億公升，耗費200億元，後續污染狀況不明。 （延長機油使用里程，如何？）

各國每度電產生的碳足跡(補充圖表) 引用自：徐遐生（2008）。全球暖化與能源危機。科學人雜誌（2008/12專輯）。

以色列砷化鎵聚焦光電技術 （補充資料） 以色列發展的「砷化鎵追日聚焦太陽 光電技術」，其轉換效率約達70％。 其中約25％為電能， 45％為熱能。熱 能可做為社區供冷供熱的能源。

流明與勒克斯換算(補充說明) 流明與勒克斯之換算(概數) 流明(lm)：光通量單位(單位時間內的有效光能) 勒克斯(lx)：照度單位(lm/平方米)，每平方米所接收之光通量。 1勒克斯=1流明的光通量均匀分布在1平方米面積上的照度 如果在燈源前0.3公尺測得照度(光分散的範圍=半徑0.3公尺球形表面積) 其發光效率(lm/W)計算方式如下： lm/W = lx × 半徑0.3公尺球形表面積/W = lx(4π0.09)/W = lx/W × 1.13 ≒ lx/W (概數)

本教材使用的理化單位說明 (補充資料) lm =流明=單位時間的有效光能 W =瓦特=焦耳/秒 J =焦耳=牛頓 x 公尺 力=質量 x 加速度(m/s2) 加速度=速率變化量/總時間 O2 + 2H+ + 2e- → H 2O +電+熱 (本化學式未平衡)