能源的概论

能源的概論主講者：田振榮教授國立台灣師範大學工業教育系系主任能源的概論何謂能源能源的種類與型態能源使用的歷史能源的量度能源單位的轉換各種能源未來發展趨勢何謂能源能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動作的原料和資源。能源可以動能、位能、熱能的型態出現。如：以電能的形式出現使電燈發亮。能源的種類與型態初級能源非再生能源再生能源不必處理即可直接使用的能源。如媒、石油、水力、太陽如石化燃料的媒、石油、天然氣不虞匱代的能源如太陽能、風力、水力、地熱、海洋能等次級能源經轉換處理而產生另一種形式如電力、汽油、瓦斯化石燃料目前我們能源的主要來源是化石燃料，包括煤炭、石油、天然氣等。千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植物殘骸，經細菌的分解及長期在高壓、高溫的作用下，產生了構造複雜的碳氫化合物核能-1核能主要來自核分裂和核融合。謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子撞擊時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。圖片來源：清蔚園科學館核能-2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。核融合要在很高的溫度下才會發生，又稱熱核反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來源的問題。水力水是地球上重要的資源之一，也是地球上含量最多的化合物。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。水力發電組發電流程海洋能-1利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所貯藏的能源來發電。海洋能-2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。地熱-1台灣地熱蘊藏豐富，溫泉和噴氣孔偏佈全島，民國66年起開始積極探勘，尋求可利用之資源。。地熱-2目前已在宜蘭清水建立一座3000仟瓦的地熱發電廠風力-1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2000平方公理，且以沿每、離島以及高山迎風面等地區風速尤強，因此皆有超過半年的時間可以充分採行風力發電，發展潛力無窮。風力-2麥寮風力發電示範系統完工圖台Enercon600kW風力機外貌示意圖太陽能-1太陽能就是地球接收來自太陽所放射的輻射能。近代發展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、太陽能電池等。太陽能-2(photocourtesyofDOE/NREL,WarrenGretz)HowSolarCellsWorkOperationofaPVcellTheeffectoftheelectricfieldinaPVcellGeneralschematicofaresidentialPVsystemwithbatterystorageBasicstructureofagenericsiliconPVcell太陽能-4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。生質能生物直接燃燒，獲取能源利用醱酵程序利用氣化、裂解程序能源的優缺點-1化石燃料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。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。能源的優缺點-2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。能源的優缺點-3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。能源的優缺點-4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。5．可以用來生產氫氣。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。海洋能1．可以重複使用，亦即取之不盡。1．發電成本比較高能源的優缺點-5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。能源的型態能源核能化學能機械能電能光能熱能能源使用的歷史年代十八世紀前(農牧時代)十八、十九世紀(工業時代)二十世紀(商業時代)二十一世紀(資訊時代)主要能源薪柴煤炭石油電力生活型態原始農牧業自給自足1.瓦特發明蒸汽機後，有效替代傳統勞力與獸力，建立現代物質文明與經濟發展的新里程，帶動工業革命。2.以煤炭為燃料的鐵路運輸，使人類經濟活動範圍由「點狀」延展成「線狀」型態。1.中東地區發現油田後，石油之使用較煤炭更廉價且便捷。2.火力發電及公路運輸更形發達，城鎮區域住宅的經濟型態加速擴大，人類經濟活動範圍由「線狀」轉化至「網狀」型態。3.石油裂解衍生出之石化、塑膠及紡織等多樣化產品，替代某程度傳統農工製品，創造更進步之商業文化。電力具有高控制性、高便利性、高清潔性、高替代性、高級能源性、低污染性、及能源多元性等石油與煤炭無法比擬之優越特性，成為高科技產品及通訊設備唯一依賴之能源動力。能源的量度-1我們會按所使用的能源種類和業內傳統的計算方法，以不同單位來量度能源。在英制（EnglishSystem）採英國熱能單位(BritishThermalUnit；簡寫BTU)是各行各業最早採用的能源單位。而公制目前又以國際系統(SystemInternational)則以焦耳為單位。能源的量度-2(資料來源:能源的原理(2004)，取自2004年9月2日，)煤-約250萬BTU╱噸原油-約560萬BTU╱桶燃油-約578萬BTU╱桶天然氣-約1,030BTU╱立方呎液態天然氣-約250萬BTU╱桶量度不同形式的能源(一)、與粒子有關低量能源的活動上，我們通常會用電子伏特(相等於1.602x10-19焦耳)為單位進行的量度。(二)、在日常生活使用能源的活動上，我們通常用千卡路里(Kilo-calorie；簡寫kcal)即等於1千克的水使其溫度上升攝氏1度所需的熱量，或千瓦(Kilo-Watt；簡寫Kw)等於每秒產生1,000焦耳的功，來為能源單位來量度。(三)、日常能源消耗量需要大量能源的貿易活動，我們會使用BTU(相等於1磅水的水溫上升華氏1度所需的熱量)，但仍不足以形容貿易活動所應用的能源數量，故我們通常會用百萬英國熱能單位(1x106BTU)及夸特(1x1015BTU)。個別能源的計量單位1.煤炭、焦炭、核燃料等以重量單位表示，即公噸、公斤、磅等2.原油、汽油、柴油等以容量單位表示，即公秉、公升、加侖、桶等3.天然氣、煤氣等以體積單位表示，即立方公尺、立方呎等4.電力在發電設備容量則以瓩（KW）表示，而在用電量則以瓩-時（KW-h），俗稱〝度〞表示常用能源單位的換算1電子伏特=1.602x10-19焦耳1卡路里=4.1868焦耳1千卡路里=4.1868x103焦耳1BTU=1,055焦耳=252卡路里1夸特=1.055x1018焦耳=1x1015BTU1千瓦小時=3.6x106焦耳1公噸油當量=4.1868x1010焦耳能源危機再度逼近自然資源有限，如果不能生生不息，終有耗盡的一天。依今的估計，在各項初級能源中，石油可用40年，一般天然氣可用60年，煤炭可用200年，鈾可用70年。尋找替代燃料及再生能源乃是目前的當務之急。能源未來發展趨勢一、開發新技術的核能發電—核融合二、開擴新能源，為未來能源尋找新入口1.再生能源2.回收能源3.能源新利用沉睡中的新能源甲烷冰「甲烷冰」，即甲烷水合物（MethaneHydrates），它的學名為天然氣水合物。「天然氣水合物」是一種由天然氣與水所形成的像冰一樣的固體結晶，主要生成於一定低溫、高壓下的海底數百公尺深處地層或極區凍原。當低溫、高壓若超出其生成的範圍時，便會分解成水與天然氣，每一單位體積的天然水合物約產生170單位體積的天然氣未來能源之開發利用，將朝向能源的多元化，亦即不偏重於使用任何一種能源，同時多開發利用天然再生能源，便在整個能源供應上，儘量占據較重的比例，同時從節制人口成長及能源之消耗著手，務期提供人類所需要的能源永不匱乏。