第 八 章 能 源 科 技 8-1　發電原理 8-2　汽電共生 8-3　氣化複循環系統 8-4　燃料電池 8-5　氫能運用.

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1 第 八 章 能 源 科 技 8-1　發電原理 8-2　汽電共生 8-3　氣化複循環系統 8-4　燃料電池 8-5　氫能運用

2 發電原理 當轉子或電樞在磁場中旋轉時，線圈內將產生感應電流以阻抗線圈在磁場中運動，換言之，將其消耗外力或是機械能以轉換成電能。
8-1　發電原理 發電原理 當轉子或電樞在磁場中旋轉時，線圈內將產生感應電流以阻抗線圈在磁場中運動，換言之，將其消耗外力或是機械能以轉換成電能。

3 8-1　發電原理 現代汽渦輪機

4 8-1　發電原理 化學能轉換成電能的效率演進情形 目前的發電效率僅能將燃料中約1/3的化學能轉為電能，換言之，仍有約2/3的能量最終以廢熱的形式排放至大氣中。提高發電效率是目前能源利用中極重要工作項目之一。

5 8-2　汽電共生 汽電共生 汽電共生系統係指在使用燃料或處理廢棄物的同一流程中能同時產生熱能 ( 或蒸汽 ) 及電能的能源利用方式。

6 8-2　汽電共生 汽電共生的優點 1. 節約能源 傳統系統所產生工業製程用熱能的效率約為75%，而傳統發電的平均效率則只有35%。因為汽電共生系統的效率一般約可達65~85%，因此使用汽電共生系統生產電力及熱能約可節省燃料10~30%。 2. 減少環境污染 因為產生同樣數量之能量所需的燃料較少，故在同樣的熱能及電能使用量下，汽電共生設備所產生之污染較少。同時由燃料之開採、運輸及提煉等過程中對環境所造成的污染及衝擊亦可減少。 3. 較高經濟效益 對於等量的電力及熱能輸出而言，汽電共生系統的投資及運轉成本較傳統分離式系統之合計成本低約10~30%。

7 汽電共生的種頹 1. 頂循環 (Topping cycle)
8-2　汽電共生 汽電共生的種頹 1. 頂循環 (Topping cycle) 又稱為先發電循環，其乃將燃料燃燒所產生之熱能先用以發電，再利用剩餘之熱能供製程使用，該循環中使用燃料的鍋爐稱為「動力鍋爐」

8 又稱為後發電循環，即燃料燃燒所產生之熱能先供製程使用，再回收廢熱產生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發電，其所用的鍋爐稱為「廢熱回收鍋爐」。
8-2　汽電共生 2. 底循環 (Bottoming cycle) 又稱為後發電循環，即燃料燃燒所產生之熱能先供製程使用，再回收廢熱產生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發電，其所用的鍋爐稱為「廢熱回收鍋爐」。

9 8-2　汽電共生 3. 複循環 (Combined cycle) 所謂複循環即前兩個循環的組合。使用場合必須配合燃氣渦輪發電機先發電 ( 即先發電循環 )，而後利用燃氣渦輪排出的廢熱將廢熱回收鍋爐加熱並產生蒸汽，再將產生的蒸汽推動蒸汽渦輪發電機發電產汽 ( 即後發電循環 )。將兩個循環合併一起連續使用就是所謂複循環。

10 8-2　汽電共生 汽電共生設置條件 政府基於提高能源有效利用之目的而推廣汽電共生，對汽電共生系統之熱效率予以規範。在「汽電共生系統實施辦法」第5條中規定，凡有效熱能比率不低於20% 且總熱效率不低於52% 者，才稱為合格汽電共生系統，得請當地綜合電業收購其生產電能之餘電，與提供系統維修或故障所需備用電力。 其中值得注意的是，由於專業處理廢棄物之汽電共生系統並不受前二項有關有效熱能比率及總熱效率基準之限制，因此新建廢棄物焚化廠亦可適用此優惠電價回售台電。

11 8-2　汽電共生 汽電共生設置條件 有效熱能比率 總熱效率

12 8-3　氣化複循環系統 氣化 氣化原理乃在高溫及不充分氧化劑環境下，使燃料與空氣 ( 或氧 ) 進行不完全或部份燃燒，甚至通入蒸汽反應以產生可燃性氣體及部份焦油，而燃氣主要包含了一氧化碳、氫氣與部份甲烷，前兩者稱之合成氣。 氣化具有燃料多元性、發電效率高、用水量低、污染物排放量低及可生產其它化工副產品等優點。例如氣化技術應用煤炭做為燃料最為廣泛，但亦可應用於廢棄物、垃圾衍生燃料、石油焦、殘渣油及生質能等。此外，氣化系統可在燃氣燃燒之前，先將污染物移除，故其污染較燃燒程序低。

13 8-3　氣化複循環系統 氣化技術的發展與演進

14 氣化爐形式 固定床或移動床:通常煤與空氣的移動方向恰好相反，大粒徑煤由氣化爐上端輸入，而蒸汽及空氣則由底部向上流動以加熱煤。
8-3　氣化複循環系統 氣化爐形式 固定床或移動床:通常煤與空氣的移動方向恰好相反，大粒徑煤由氣化爐上端輸入，而蒸汽及空氣則由底部向上流動以加熱煤。 流體化床:較高速反應氣體由底部向上流動以產生紊流。床內煤粒子僅佔一部份，其他粒子則有煤灰、沙、硫份吸附劑 ( 如石灰石 )。 挾帶床或懸浮床:其乃將煤粉末化並直接吹送至爐中。由於其顆粒甚小，因此煤粉將懸浮爐中以進行氣化反應，並於高溫環境下於數秒時間內完成。

15 8-3　氣化複循環系統 氣化爐形式

16 8-3　氣化複循環系統 氣化複循環系統 (IGCC) 氣化複循環系統(IGCC)發電係將煤炭或重質油置於氣化爐中，還原轉化為合成燃氣CO、H2及CH4，經除塵、除硫和除氮後，再送至複循環機組當燃料發電，目前效率約達45% 左右，較傳統燃煤發電的35% 高出甚多。 IGCC主要設備包括煤炭供給系統、氧氣製造廠、氣化爐、煤氣淨化系統、熱回收、煤渣處理及複循環發電系統等部分。

17 8-3　氣化複循環系統 氣化複循環系統 (IGCC)

18 8-3　氣化複循環系統 氣化複循環系統 (IGCC) 目前在國際市場上最具競爭力之氣化爐，大致可分為二種：其一為德士古 (Texaco) 石油公司 ( 現被GE所併購 ) 所研發的煤漿進料及耐火磚爐壁專利技術，即將煤粉和水拌成煤漿後送入氣化爐內，爐壁以耐火磚作為隔熱材料；其二為殼牌 (Shell) 石油公司所研發的煤粉進料及水牆爐壁專利技術，即將煤粉和氧氣送入氣化爐內，爐壁以水牆作為隔熱材料。

19 工研院能環建立之多元燃料壓力式挾帶床氣化爐
8-3　氣化複循環系統 工研院能環建立之多元燃料壓力式挾帶床氣化爐

20 8-4　燃料電池 燃料電池 燃料電池有下列數項特色： 能源效率高達50到60%，在實驗室尺度下甚至可達85%。若燃料電池以氫為燃料並應用於電動汽車，相較於內燃機直接燃燒氫氣之20% 效率，燃料電池的能源效率高出數倍。 燃料電池對環境的污染甚低，若以氫氣及氧氣為燃料，則產物為水，完全沒有污染。燃料電池可因應任何需求而設置在都市中任一角落。 燃料電池的燃料來源甚為多元，如天然氣、氫氣、甲醇及沼氣等，而取得上述氣體的方式甚多，如來自發酵、氣化及廢棄物掩埋場等。

21 8-4　燃料電池 燃料電池 燃料電池是一種電化學程序裝置，其主要功能是將存在燃料及助燃物內部的化學能，藉由此裝置轉換成電能。早期的燃料電池其燃料是直接使用純氫 (hydrogen)；而助燃物則是採用純氧 (oxygen)。後來陸續發展出的燃料電池，其燃料亦可直接使用天然氣、汽油、甲醇、柴油、甲烷及氣化之煤炭氣體等碳氫化合物；而助燃物也可直接採用含氧氣的空氣。

22 8-4　燃料電池 燃料電池的基本原理 燃料電池系統主要包含了陽極與陰極兩個電極，此陰陽二極由電解質分隔，將燃料 ( 例如氫氣 ) 導入電池中陽極的側邊，燃料於陽極發生氧化反應放出電子，而氧化劑 ( 例如氧氣或空氣 ) 則注入電池中陰極的側邊，氧化劑在陰極則接受電子而發生還原反應，如此兩個半反應同時發生而產生電動勢。

23 燃料電池的種類 鹼性燃料電池(AFC) 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 磷酸燃料電池(PAFC) 質子交換膜燃料電池(PEMFC)
8-4　燃料電池 燃料電池的種類 鹼性燃料電池(AFC) 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 磷酸燃料電池(PAFC) 質子交換膜燃料電池(PEMFC) 固態氧化物燃料電池(SOFC) 直接甲醇燃料電池(DMFC) 再生式燃料電池(RFC) 鋅空氣燃料電池(ZAFC) 質子陶瓷燃料電池等(PCFC)

24 各種燃料電池基本特性比較 電池種類 鹼性燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池 磷酸燃料電池 質子交換膜燃料電池 固態氧化燃料電池 英文簡稱 AFC
8-4　燃料電池 各種燃料電池基本特性比較 電池種類 鹼性燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池 磷酸燃料電池 質子交換膜燃料電池 固態氧化燃料電池 英文簡稱 AFC MCFC PAFC PEMFC SOFC 陽極 Pt/C Cr, Al/Ni Pt, Ru/C Ni/ZrO2 陰極 Mental/C NiO Sr/LaMnO4 電解質 KOH (35~85%) LiCO3/NaCO3 H3PO4 Nafion 高分子 Y2O3/ZrO2 流動離子 氫氧根離子 (OH-) 碳酸根離子 (CO32-) 氫離子 (H+) 氧離子 (O2-) 操作壓力 小於60 psia 小於120 psia 小於30 psia 常壓 操作溫度 <120~250℃ 650 ℃ 160~220 ℃ <100 ℃ 800~1000 ℃ 反應物 高純度H2 H2、CO2/CH4 H2 H2、CO/CH4 可用燃料 精煉氫氣、電解氫氣 天然氣、甲醇、石油、煤炭 天然氣、甲醇、輕油、沼氣 天然氣、甲醇、輕油 氧化物 O2、空氣 發電效率 70% 50~60% 40~45% <40%

25 氫的特性 氫原子是所有元素中最簡單之元素，一個氫原子僅含一質子及一電子，儘管如此，氫卻是宇宙中作最豐富之元素，約佔90%。
8-5　氫能運用 氫的特性 氫原子是所有元素中最簡單之元素，一個氫原子僅含一質子及一電子，儘管如此，氫卻是宇宙中作最豐富之元素，約佔90%。 由於氫氣 ( 或氫分子 ) 的質量甚輕，在大氣中其容易脫離地球引力而逃逸至外太空，故大氣中氫氣極為稀少。 地球上的氫原子大部分和其他原子結合而存在，例如和氧原子結合而形成水。此外氫原子也常和碳原子結合而成碳氫化合物，例如汽油、天然氣、甲醇及生質物等有機體等

26 8-5　氫能運用 氫氣 氫氣除是化工業的重要原料外，近年來眾所矚目的燃料電池，其運轉重要燃料之一即為氫氣。以氫氣做為燃料電池的燃料不但發電效率高，且發電過程幾乎無污染。此外，在交通運輸方面，燃燒氫氣以做為汽車引擎動力來源目前亦深受汽車界研究發展的重視。事實上，早在1970年代美國太空總署就已利用液態氫作燃料以推進太空梭及其他火箭進入軌道。

27 8-5　氫能運用 氫內燃引擎車輛 BMW所推出的Hydrogen 7

28 8-5　氫能運用 氫能經濟 氫氣的利用能夠減少石油進口的依賴，同時能降低空氣污染物及溫室氣體的排放，以上兩點是美國二大能源挑戰，因而在未來數十年極具潛力。另一方面，若和再生能源如太陽能及風能比較，上述再生能源往往受限地理環境或氣象等因素而無法持續供應，而氫能則可加以儲存以供不時之需，同時可運輸到任何需要之處，若以此特性論之，氫氣可視為能源載體 (energy carrier)。

29 8-5　氫能運用 氫能經濟 整體而言，氫能經濟的開發涉及多個層面，主要包含氫氣的生產 (production)、運輸 (delivery)、儲存 (storage)、轉換 (conversion) 及末端使用 (end-use) 等。不論是生產、輸送、儲存、轉換或末端使用，其皆需要完整的氫能基礎設施 (infrastructure) 為骨幹。除了上述基本元件外，相關配套措施如氫能基礎研究、安全、法規、標準、教育及系統分析亦十分重要。

30 8-5　氫能運用 氫能經濟發展要素

31 氫能經濟發展要素 1.生產：生產方法可分成熱處理法、電化學法、光電化學法及生物法等。
8-5　氫能運用 氫能經濟發展要素 1.生產：生產方法可分成熱處理法、電化學法、光電化學法及生物法等。 2. 運輸：以管線、鋼瓶、氫罐車及鋼瓶束等方式進行氫氣的運送。 3. 儲存：將氫氣儲存於容器中，以使氫氣作為能源載體。儲存可分為氣態高壓儲氫、液態儲氫、金屬氫化物儲氫及物理吸附儲氫等。 4. 轉換：轉換裝置主要有渦輪機、內燃機或往復式引擎及燃料電池等。 5. 末端使用：將氫氣運用於手機、筆記型電腦、移動式燃料電池車輛、定置型燃料電池發電、氫內燃機、做為燃料添加計作推進劑等。

32 氫的生產 蒸汽重組：在觸媒作用下 ( 通常以鎳為基底 )，將化石燃料中的氫成分移出，其中最常用的燃料是天然氣，而最常用的媒介則是蒸汽。
8-5　氫能運用 氫的生產 蒸汽重組：在觸媒作用下 ( 通常以鎳為基底 )，將化石燃料中的氫成分移出，其中最常用的燃料是天然氣，而最常用的媒介則是蒸汽。 部分氧化法：其係將化石燃料置於限氧 ( 或不足氧 ) 的高溫環境中，無催化劑作用下，反應以產生氫氣，例如氣化，而後再將產生的氫氣純化。 自熱重組：其乃結合燃燒反應與蒸汽重組產生氫氣，其中燃燒所釋放的熱量作為蒸汽重組的驅動力。 電解法：將水電解，其將可得到高濃度的氫氣，而電解所需之能源則可來自再生能源或核能。 用裂解 (pyrolysis) 或氣化 (gasification) 等熱處理方式從中取得氫氣；或是利用微生物，以厭氧發酵或光合作用方式分解生質物以產氣氣。

33 氫能的挑戰 氣態氫不易運輸，故常冷凍至溫度-253℃以下以液態形式儲存運輸，但低溫儲存容器的安全性及儲存時間卻是一大問題。
8-5　氫能運用 氫能的挑戰 氣態氫不易運輸，故常冷凍至溫度-253℃以下以液態形式儲存運輸，但低溫儲存容器的安全性及儲存時間卻是一大問題。 當氫和空氣混合時，其可燃 ( 或爆炸 ) 範圍甚廣，介於4到75% 之間，比天然氣的5到15% 大了許多，同時點火能量約為2×10-5焦耳，僅為天然氣的15分之一，且逸散速度甚快，因而安全性需特別注意。 氫能基礎建設的發展亦是另一重要課題。縱使氫能利用裝置已在市場上運用，但消費者若無法像電能、石油及天然氣般方便取得，公眾將不會認同氫能是一種淨能的選擇。