5 能源與生活 5-1 能源的意義與重要性 5-2 能源的發展與應用 能源與生活小故事 習題與討論

5-1 能源的意義與重要性 目前人類廣泛使用的能源依能量產生方式可以分為三大類。第一是動態能源，如：水力、風力、地熱等自然營力。第二是燃燒能源，如：石化燃料與生質能源。第三是原子能，如：太陽能與核能。過去兩百多年來對於石化燃料的依賴甚深，長期使用終須面臨資源驟減與枯竭的窘境，因此對於現有能源效率的改良與提升，以及各類新式能源的開發，就變得迫切且急需，全球各國莫不積極投入此一領域，期盼早日緩和或消弭可預見的能源危機。

5-2 能源的發展與應用 5-2-1 水力能源 台灣雖然面積不大，但是擁有許多陡峭的河川，豐沛的水力造就了水力發電的有利條件，因此台灣遠在清朝劉銘傳擔任台灣巡撫時就規劃了第一座水力發電廠。後來日本殖民統治台灣，根據此一設計藍圖，在新北市烏來區建造台灣最早的龜山水力發電所。台灣光復後，政府又陸續完成很多水力發電廠，對於台灣早期經濟與民生的發展有著相當大的貢獻。

水力發電原理是利用處於高處的水具有較大的位能，當高處的水流向低處時，減少的位能轉換成動能來推動水輪機，再進一步帶動發電機來發電（如圖5-1所示）。

河流的水位如果有一定的落差且川流不停，就可以用來發電，例如台中市后里區有一座低落差示範電廠，是將大安溪的河水引進后里的灌溉渠道，利用區區3 河流的水位如果有一定的落差且川流不停，就可以用來發電，例如台中市后里區有一座低落差示範電廠，是將大安溪的河水引進后里的灌溉渠道，利用區區3.6公尺的水位落差來發電。此外，海水每日的漲潮與退潮也有位能差，當然也可以被利用來發電，這就是所謂的潮汐發電。法國於1967年就開始在不列塔尼半島東邊的藍斯河發展潮汐發電，當地高低潮潮差達13.5公尺，每日發電量有400至500百萬瓦／小時(MWh)。只是潮汐發電需要配合一定的地理條件，因此目前還不是那麼普遍。

◆ 圖5-1　水力發電

5-2-2 風力能源 風是由空氣分子運動所形成，蘊含著分子的動能，當風吹動風車之後，運轉的風車會帶動齒輪產生機械能，接著再由齒輪帶動發電機，產生電能（如圖5-2所示），這就是風力發電原理。最早的風力發電機是19世紀末丹麥氣象學家保羅．拉．庫爾(Poul La Cour)所發明，從此風車就變成了風力發電的主角。

風力發電是一種毫無汙染的發電方式，如果當地的風力充足且穩定，同時有廣大的土地以置放風車，那麼發展風力發電將很合適。台灣地區風力能源相當豐富，尤其冬天吹起的東北季風更是強勁。根據調查，在台灣西部沿海與澎湖地區都是適合發展風力發電的場所，在石化燃料日益短缺的現在，風力發電適合成為重要的輔助能源。

◆ 圖5-2　風力發電

根據台灣電力公司的規劃，民國102年已建置完成306部風力發電機組，總裝置容量60 根據台灣電力公司的規劃，民國102年已建置完成306部風力發電機組，總裝置容量60.976萬瓩，年發電量16億1728萬度，提供了乾淨的能源，又可免除人們恐懼核輻射外洩的不安。現在石門、林口、桃園、香山、台中、彰化、麥寮、四湖、恆春、澎湖、金門等地都看得到風車迎風轉動，未來還會有更多的風車將出現在我們的周遭。

5-2-3 地熱能源 地球內部的放射性物質不斷輻射出能量，地函中高溫岩漿的流動，以及岩石間壓力引起的地溫增高皆提供了地熱來源，所以說地熱是豐富的地下能源。地熱能源係指源自地表以下蘊含於土壤、岩石、蒸汽或溫泉之熱能，而地熱發電是利用這些熱能轉換為電能的發電系統。地熱要超過150℃以上才有開發的價值，目前的地熱發電廠主要分兩種，第一種是蒸氣發電，直接使用地下蒸氣帶動汽輪機發電；第二種是地下沒有蒸氣儲存層，把水注入地下間接產生蒸氣再來發電（如圖5-3所示）。

全世界的主要地熱區絕大部分分佈在不同板塊間的邊緣地帶，所以亞洲的日本、菲律賓、印尼，美洲的美國、墨西哥、薩爾瓦多，歐洲的義大利、德國、冰島等都充分利用先天的地利優勢來進行地熱發電。其中美國是全球最大的地熱發電國家，發電容量約300萬瓩，每年可產生170億度的電力。

台灣位在菲律賓海板塊與歐亞板塊之間，由於板塊運動的擴張、隱沒、互撞與平移使交界處溫度增高，熱量集中，地溫梯度異於尋常，地熱能源的發展極富潛力。1981年宜蘭縣清水地熱發電廠正式運轉，發電量最高曾達2100瓩，但後來由於熱水中所含的CO2產生碳酸鈣沉澱，堵塞通路，降低產量，不敷成本而停止運作。現在由於對乾淨能源的殷切需求，經濟部能源局正積極探勘全島有開發潛力的地熱能源。

◆ 圖5-3　地熱發電廠

5-2-4 石化能源 遠古時代人們就懂得生火取暖，從熱力學的角度來看，「生火取暖」是將木材的化學能轉變為熱能的過程。現代已經不用木材當作主要能量來源，取而代之的是煤、石油與天然氣等石化燃料，其來源是古代的植物與動物死亡後的殘骸，因地質作用深埋入地下受到細菌分解及高壓、高溫作用影響而逐漸碳化或轉變成結構複雜的碳氫化合物，故稱為石化能源。石化能源是目前分佈最廣，使用最多的能源。

煤因含碳量的不同，分為無煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤等四種。無煙煤含碳量超過85%，是其中最有價值的燃料，燃燒熱值可達每公克8 煤因含碳量的不同，分為無煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤等四種。無煙煤含碳量超過85%，是其中最有價值的燃料，燃燒熱值可達每公克8.8仟卡，但由於大量開採使用而逐漸稀有。煙煤是目前用量最多的煤碳，碳化程度約60~85%，燃燒熱值達每公克7~8仟卡，缺點是含硫量較高，直接燃燒易造成空氣汙染。次煙煤與褐煤含碳量皆低於60%，燃燒熱值亦較低，燃燒時易產生大量煙灰汙染空氣，開採價值低。

煤的主要成分為碳，經由乾餾程序可收集揮發性的煤氣與液態煤渣，以及剩餘的固體煤焦。煤氣的主要成分為氫氣、甲烷與一氧化碳；煤渣再經分餾可得苯、萘、蒽與酚等200餘種碳氫化合物；而煤焦可作為製造水煤氣與乙炔的原料，以及冶金、煉鋼之用。煤最主要的用途是當燃料，提供工業動力和熱量來源，如燃煤發電、家庭取暖等。台灣煤碳目前以進口為主，早年在新竹到基隆一帶雖有開採，但因煤層薄、坑道深，開採與運輸不易，成本太高，經營困難，各地煤礦坑多已封閉。

石油主要成分是液態烷系烴的碳氫化合物，碳以鏈狀或環狀結合，亦有支鏈結構，外觀呈油狀，比重比水小，不溶於水。石油經分餾後可以產生氣體、石油醚、汽油、煤油、柴油、潤滑油、石蠟、瀝青等，種類繁多，經提煉出化合物後，可再利用化學合成製造各種有機物，如：塑膠、人造纖維、肥料、除蟲劑、醫藥等，稱為石油化學品。台灣石油99%以上依賴進口，苗栗和新竹一帶雖有蘊藏，但杯水車薪，所以必須加強沿海石油鑽探與跨國合作探勘石油。

天然氣成分主要為甲烷與乙烷，其餘為少量其他低碳烷類。天然氣燃燒比石油完全，較不會造成空氣汙染，所以更適合當作燃料。液化天然氣能夠降低儲存空間，運送便利，符合經濟效益。石化燃料除了作為能源，也是現代化學工業的主要原料來源。

5-2-5 生質能源 大量使用石化燃料除了易造成汙染外，礦藏也會越來越少，於是有不少科學家開始研究把蘊藏在生物體內的化學能轉變為可以利用的燃料，這種利用生物產生的有機物質，經過轉換後所獲得的能源稱為生質能源。生質能源的共同特色是使用後幾乎不會汙染環境，是一種極乾淨的能源，只是因為成本的問題，目前還無法全面取代原來的石化燃料。 目前被轉換產生的生質能源有酒精、柴油、瓦斯與氫氣等，以下分類說明這些生質能源的製造過程與性質：

1. 生物酒精 生物酒精的原料是玉米、甘蔗、馬鈴薯等富含澱粉的作物，首先將澱粉發酵，進而提煉出酒精，再轉為燃料或燃料添加物使用，可有效降低車輛對汽油的依賴。例如：南美洲的巴西是全世界著名的甘蔗產區，該國充分利用甘蔗來提煉酒精，且與汽油按一定比例調配成酒精汽油，目前巴西的汽車大都使用酒精汽油。由於酒精汽油對環境的汙染極低，過去曾經被列為汙染黑名單的巴西聖保羅市，現在已經成為全世界空氣品質最好的城市之一。

2. 生物柴油 生物柴油是從油菜、大豆、向日葵等植物種子的油提煉出來，跟一般柴油比較，生物柴油可大量減少汙染物的排放。目前德國已經有為數可觀的車輛在使用生物柴油。 3. 生物燃氣 生物燃氣是指利用糞便或廚餘發酵得到可燃氣體，再將這些生物燃氣直接燃燒以產生熱能，或者當作發電機的燃料來發電。

4. 氫氣 燃料電池(Fuel Cell)是電池的一種，可以使用汽油、酒精、天然氣、氫氣等燃料來轉換成電能。其中使用氫氣為燃料的稱為氫氣燃料電池（如圖5-4所示），利用存放於電池中的氫氣加上空氣中的氧氣來產生電力，副產品只有水，沒有其他汙染排放物。反應過程如下：

◆ 圖5-4　質子交換膜(PEM)氫氣燃料電池

5-2-6 太陽能能源 地球的外部能量來源就是太陽的光與熱，綠色植物吸收二氧化碳與水，利用太陽光的能量，將光能轉變成化學能儲存在產物葡萄糖中，形成可利用的高能量分子，這就是所謂的光合作用。

人類不能行光合作用，除了偶爾來個日光浴，使身子暖和一些外，想直接利用太陽能似乎是不可能。後來利用鏡子聚光，發現直接利用太陽能是可行的。近代科學家發現光電效應的現象，人類才知道原來太陽能可以直接轉變成電能，這個理論導致太陽能電池的出現。

一個原子大致可以分為原子核與核外電子兩部份，原子核帶正電，電子帶負電，由於正負電的吸引力使得電子被束縛在原子核的週遭運動。當我們使用光線照射原子時，如果入射光的能量大於原子核對電子的束縛能，那麼電子就會脫離原子成為自由電子，而自由電子的流動就構成了電流。愛因斯坦成功地以量子化的觀點解釋了光電效應，此一將光能轉變成電能的劃時代理論還因此得到諾貝爾獎。

◆ 圖5-5　光電效應

目前太陽能電池大都使用一種半導體薄片，集合很多此類的薄片形成所謂的太陽能光電板，只要陽光照到太陽能板，在短時間內便可輸出電壓及電流（如圖5-5所示），矽薄膜太陽能電池效率約15%。太陽能電池應用光電效應原理將光能轉變成電能，因此只要有光就可以產生電，譬如：一個計算機若使用太陽能電池就完全不必擔心沒電而要換電池，另外在太空中運行的人造衛星也大多使用太陽能發電，因為太空中陽光充足。

◆ 圖5-6　太陽能發電

5-2-7 核能能源 核能是一種巨大的能量，這種能量亙古以來就存在於恆星的內部，人類發現了核能的秘密，有如找到了一個具有魔法的寶盒。長久以來，太陽始終散發著光與熱，但是地球卻不會如此，也因為這樣使地球溫度適中，才造就地球擁有孕育生命的有利條件。而太陽能夠發光的原因就是因為核能，太陽內部時時刻刻都在進行核融合反應，核融合反應所釋放出的能量就變成了太陽的光與熱。

核能的觀念是由愛因斯坦的質能互換原理所產生，此原理闡明質量與能量可以互相轉換，一個反應過程質量的減少將會變成可觀的能量釋放出來。轉換的公式如下所示： E ＝ mc2（能量＝質量×光速的平方）

一般化學反應不涉及質量的改變，即化學反應遵守質量守恆定律即可。然而在原子核反應，不論是核分裂還是核融合反應都會造成質量的減少，所以核反應會釋放出大量的核能。

◆ 圖5-8　核能發電

核能發電最為人擔心的問題就是輻射線的產生，核分裂過程會產生輻射線，核分裂完成後的廢料也有輻射線，這種放射性核廢料歷經多年後還是會產生相當的輻射線，所以核能安全的把關是發展核能發電的最重要關鍵，絕不允許任何絲毫的疏漏。