能源概论

能源概論在廿一世紀的今天，能源與人類的日常生活已息息相關，密不可分。在本單元“能源的概論”中，將從能源的定義開始介紹、並對於各種不同能源的種類與型態之優缺點進行比較、能源使用的歷史回顧、如何量度能源？能源單位的轉換及未來能源發展趨勢。壹、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」（羅文基、黃炯，2001）。當某種能源被使用時，會發生某種動作和動力。古人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。能源可以動能、位能、熱能的型態出現。能源的形式有很多（例如熱力、電力等），這些能源被使用時，會以各種不同的形式出現，而產生動作或動力，例如:以電能的形式出現使電燈發亮等。而且一種能源形式可以轉化成另一種形式。總之，凡是能產生熱、動力、電力的都是能源。（能源的原理，2004）能源是從實用角度的思維，某一形式的能是否可以轉換為可使用的形式的能，其關鍵在工程技術上的可行性（Schwaller，1989）。如日本有人提出用海洋洋流發電的想法，讓洋流流過放在海中的水渦輪機，帶動渦輪旋轉發電。天空中的閃電威力強大，可以使汽車充電後行駛在時光隧道中，從過去回到現實，但這是電影〈回到未來〉的想像，現實社會還沒有這項技術，雖知具有大量的能量儲藏在內，但目前的工程技術卻難以克服，因此閃電並不能算是能源（陳陵援、高惠蓉，2004）。故在第二節中探討目前使用的能源種類與型態。貳、能源的種類與型態一、能源的種類蘊藏在自然界中，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。初級能源又分為非再生能源與再生能源。非再生能源是有限的能源，經開採使用後，資源也就逐漸枯竭，如化石燃料的煤、石油、天然氣等；再生能源則是不虞匱乏的能源，如太陽能、風力、水力、地熱、海洋能等。分敍如下：（能源知多少，2004）（一）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。（二）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。核能分裂的主要用途是供應船艦的動力以及核能發電。核能可以由很少量的燃料，生成龐大的能量，如1公克的鈾-235完全分裂後所產生的能量，大約和燃燒2000公斤的石油，或3噸重煤炭的能量，或是看23萬小時電視（100瓦特）的電能是相同的。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。核融合要在很高的溫度下才會發生，所以又稱為熱核反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來源的問題，一旦人類能夠控制融合反應，而且符合經濟的效益，那麼能源不足的問題，也將迎刃而解。（三）水力水是地球上重要的資源之一，它也是地球上含量最多的化合物。約有3/4的地表被水所覆蓋，其中97%為海水，2%的水存在冰河及南北極，真正能供人們灌溉、飲用的水不到1%。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。（四）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。（五）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。台灣地熱蘊藏豐富，溫泉和噴氣孔遍佈全島，民國66年起開始積極探勘，尋求可利用之資源，目前已在宜蘭清水建立一座3000仟瓦的地熱發電廠。（黃永能，2002）（六）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。台灣屬海島地形，許多地區年平均風速皆在每秒5公尺以上，而平均風速大於5公尺的區域總面積則近乎有2,000平方公里，且以沿海、離島以及高山迎風面等地區風速尤強，因此前述地點約有超過半年的時間可充分採行風力發電，發展潛力無窮。（陳文樹，2004）（七）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47%的能量傳到地面（陳憲章，1997）。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。（經濟部能源委員會，1995）基本上太陽能也有先天的缺點，就是它是稀薄的能源，需要廣大的面積才能收集到所要的能量；此外，季節或是天氣的變化以及夜晚的影響，會使得太陽能中斷無法連續供應。太陽能直接就可以利用做為曝曬、取暖、照明、集光點燃之用。近代已發展到許多太陽能轉換能源的應用，如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太陽能電池。（八）生質能利用動植物所衍生的能源稱為生質能，如牲畜的糞便、農作物的殘渣、薪柴、製糖作物、城市垃圾、城市污水、水生植物等。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。又如國內台糖公司，便是以蔗渣為燃料，用來產生熱蒸氣，以減輕對燃油的負擔。第二種利用方式是用醱酵程序，將生質能製成酒精或是同類的液態燃料。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。第三種方式是利用氣化、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，如氣化、裂解等，可以製造氫氣以及有用的碳氫化合物等。木材也是生質能的一種，它是需要花較長時間等植物生長，才能使用。自文明產生以來，人類就懂得以木材作為燃料，燒製陶器以及煉製金屬等技術，延續至十六世紀之前，木材仍是主要的熱源。在世界上的部分地區，由於其他燃料短缺，木材仍是主要能量來源，以南美的巴西為例，有3/4的能量是由木材供應。所以目前在世界消耗的能量中，木材仍維持一固定的比例，而令人遺憾的是有些國家為了經濟發展、土地的開發利用，造成廣大的森林持續的被破壞，因此如果沒有良好的復植計畫，毫無疑問的，木材將日趨減少外，同時也造成地球生態環境的改變。上述的能源的優缺點整理如下表所示：種類優點缺點化石燃1.容易開採。2.容易儲存和提煉。3.容易運輸，且安全性頗高。1.石油無法再重複使用。2.石油是化石燃料儲存量最少的。3.中東的政治不穩，影響石油的供應量。4.世界上有產石油的地方不多。種類優點缺點料5.石油的應用會造成空氣污染（汽車排放廢氣就是最明顯的例子）。煤1.煤的儲藏量很豐富。2.容易被轉換成熱能。3.容易運送，且使用安全性高。1.煤無法再重複使用。2.開採煤礦的危險性很高，經常發生礦災。3.燃燒煤時會浪費一些熱能，並釋放出二氧化硫、二氧化碳、微粒及黑煙等，造成空氣污染。天然氣1.乾淨的燃料，不會造成空氣污染2.運送及存放皆容易。1.天然氣無法再重複使用。2.儲存需要較大的空間。核能1.與石化燃料比較，燃燒過程核能比較不會造成環境污染。2.不需要空氣中的氧來幫助燃燒。3.只需少量的原料，即可產生大量的熱能。1.發電造廠之費用初置成本較高。2.高階核廢料的輻射能仍然會對人體有害，故存放更需留意。太陽能1.它是乾淨且取之不盡的能源。2.不會增加或減少地球上的溫度。3.建廠容易，成本低。4.安全性高。5.熱效率亦很高。1.當有陽光的日子，才會發電，亦即只有白天才能發電。2.因受天候影響，發電情形無法控制。風能1.只要有平均風速達5公尺/秒以上的地方即可設立。2.不會造成空氣污染。1.因風速非定值，風能來源不穩。2.風速必須大於5公尺/秒以上，才可以被用來發電。水力1.可以重複使用，亦即取之不盡。2.單位成本低。3.水能轉換成電能的效率是90%。4.不會造成空氣污染。1.建築費用相當高。2.築水壩，會破壞河川的生態。3.適合築水壩的地點難尋。種類優點缺點5.可以用來生產氫氣。海洋能1.可以重複使用，亦即取之不盡。1.發電成本比較高地熱能1.地熱的蘊藏量很豐富。2.建造地熱廠時間短且容易。1.熱效率低，共有30%的地熱能用來推動渦輪發電機。2.流出的熱水含有很高的礦物質。3.一些有毒氣體（如硫、硼或銨摩尼亞）會隨著熱氣，而噴入空氣中，造成空氣污染。生質能1.生質能所使用的原料來源豐富。2.生產技術簡單。3.最適合少量地區使用。1.轉換效率低。2.種植原料所需約土地很大。3.原料含水量高。二、能源的型態能源是人類生活的動力，如煤、石油、天然氣、風能、水能，當被使用時便以不同形式呈現。能源的型態可分為：機械能、熱能、光能、化學能、電能、核能等，茲分述如下:（Bohn&MacDonald,1992）（一）機械能動作產生的能源（動能）及位置高低差產生的能源（位能）。（二）化學能能量可以儲存在化學物質內，食物中含有動植物的化學能。我們使用的主要燃料煤、石油、天然氣也都儲藏了化學能量，像這種儲存於物質分子中的能量就是化學能。人類無法直接使用化學能，但在生產及能量之儲存上是相當重要的。電池就是屬於這種裝置，是一種適於儲存而隱藏式的能量。（三）核能核能是來自原子核內的能源，原子核分裂或融合反應，所產生的能量。（四）熱能熱能可從各種能源轉換而得，產生的時候，大都會有光，如太陽能、天然氣……等。我們應用熱能，常利用下列三種傳送方式：1.熱的傳導：金屬、玻璃……等固體物質，一受熱，熱就從溫度高的地方傳到溫度低的地方，如鍋子加熱、熨斗……等。2.熱的對流：水或空氣加熱其密度會變小、變輕，所以冷水向下降，熱水向上升，形成循環，這種循環反覆幾次，溫度就會一致，如煮開水……等。3.熱的輻射：熱能從一處傳到另一處，不需接觸熱源就能直接傳熱的方式，稱為熱的輻射，如電暖爐……等。（五）光能光是一種能量，在空間形成波浪狀的移動。最重要的光能是太陽能，以光的形式傳送到地球上。含有可見光、紅外線、紫外線及其他電磁波。一般我們所說的光線就是可見光，其他是肉眼無法看見，但人們可以利用的，如ｘ光用來檢查身體內部、紫外線用來殺菌、紅外線用來保溫……等。（六）電能電能是在電線中流過的電流產生磁效應，可以轉換成聲、光和熱是一種很方便的能，如電鈴、電磁鐵……等。參、能源使用的歷史人類文明的每一步，都和能源的使用息息相關。人類進化發展的程序，是一部不斷向自然界索取能源的歷史。柴薪是人類第一代主體能源。人類發現用火之後，首先用樹枝、雜草等作為燃料，用於燃燒煮食和取暖，用草飼養牲畜，靠人力、畜力並利用一些簡單機械作動力，從事手動生產和交通運輸作用中。從遠古時代直至中世紀，在馬車的低吟聲中，人類渡過了悠長的農業文明時代。十八世紀歐洲產業革命開創的工業文明，逐步擴大煤炭的利用。煤氣燈的使用，照徹了人類的漫漫長夜。蒸汽機的發明，使煤炭一躍成為第二代主體能源。以煤炭作燃料的蒸汽機的使用，使紡織、冶金、採