教育部102年度國民中小學 未來想像與創意人才培育計畫

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1 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 科學教育 跨縣市 創意社群

2 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

3 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。

4 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。 （大陸央視） （大陸央視）

5 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 （香港中電，減排60％）

6 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↑ （我國民視） （我國民視─日本） （我國民視─機車） （我國大愛─上海）

7 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。
6分鐘，生質能源討論） （中醫師酵母菌自製柴油） （微藻製柴油）

8 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。 （史特林太陽熱能發電） （英國零碳社區6分鐘）

9 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。 （亞洲最大追日發電）

10 海洋能（教具操作1項） 海洋溫差、鹽差、波浪、潮汐、流能等
（黑潮流能）

11 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。 （冰島地熱） （澳洲人造地熱）

12 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) （我國風電抗議事件） （壓縮空氣汽車） （熱泵熱水器 3.10 開始）

13 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。 （台灣水力發電） （中國水力發電） （中國對水力發電的討論）

14 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。 （核融合原理）

15 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。 PZT） （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。

16 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： （台灣抽蓄式水力發電）

17 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。
下圖說明：東京新宿的區域供冷供熱設施

18 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。

19 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
（綠建築） （德國、保溫、通風） （英國、麻建築、雨水） （德國、綠建築、雨水）

20 謝謝您的聆聽！

21 巨大的風力發電 旋翼 (補充資料)

22 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？

23 我國能源及環保標章(補充資料)

24 地熱(補充資料) 含於地下土壤、岩石，蒸氣或溫泉之能源。

25 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？）

26 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）。

27 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。

28 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)

29 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)