能源运用及环境

第一章：概論2A.能源：初始定義建構現今社會的主要基材之一天然資源創造貨品和提供許多服務所需使用的能源目前主要使用石化燃料製造能源和(火力)發電政治事件常是牽動石油價格異動的主因，進而引發能源危機：1970年代，天然氣嚴重短缺1973第一次石油禁令1979伊朗革命1991波灣戰爭2004美伊戰爭34化石能源衍生三大環保議題全球暖化酸雨的侵害輻射污染解決之道：建造一個綠色電力、綠色家園5能源的負作用能源的生產和消費對全球經濟發展和社會進步雖有舉足輕重的作用。然而，能源的大量使用也對我們賴以生存的生態環境產生了負作用。1.化石燃料對環境的影響化石燃料是目前世界一次能源的主要部分，故其開採、燃燒、耗用等方面的數量都很大，從而對環境的影響也令人關注。對環境的影響最典型的是煤炭開採，包括(1)開採對土地的損害：據不完全統計，迄今為止平均每開採１萬噸煤炭，將造成0.2公頃的農田塌陷，平均每年塌陷２萬公頃。(2)對村莊的損害和對水資源的影響：煤礦的開採也會造成水資源的嚴重污染，對生態環境的影響層面也量大面廣，平均每開採１噸原煤，則需排放２噸污水。有些地區，由於水源和江河湖海的嚴重污染，造成居民用水短缺。6化石燃料對環境的影響主要是燃燒時的(1)各種氣體與(2)固體廢物和(3)發電時的餘熱所造成的污染。化石燃料產生的污染物對環境的影響主要有兩個方面：(1)全球氣候變化：燃料中的碳轉變為CO2進入大氣，使大氣中CO2的濃度增大，從而導致溫室效應，改變了全球的氣候，危害生態平衡。(2)熱污染：火力發電站發電所剩“餘熱”被排出到河流、湖泊、大氣或海洋中，在多數情況下會引起熱污染。例如，這種廢熱水進入水域時，其溫度比水域的溫度平均要高出7-8度，以致明顯改變了原有的生態環境。7原子能化石燃料對環境的影響核動力是利用鈾-235(或鏷-239,Po-239)在中子轟擊下發生裂變，同時釋放出核能，將水加熱成蒸汽，驅動發電機組，發出電來作為動力。由於核動力的燃料是核燃料(鈾或鏷)，相較於煤或石油的優點是無空氣污染，無漏油等問題。它的缺點是存在放射性污染，因此為了保證安全，要求由反應堆所產生的放射性廢物應與環境隔離，不讓它進入生態環境。目前國內外公認比較好的處理技術是深部地層埋藏，即將燃燒完的放射性廢物進行玻璃固化後，將其埋藏于數百米深的岩層中。首先在深部岩層中開挖洞室，將玻璃固化體裝入不銹鋼容器內，然後把容器放入洞室中，周圍填充膨潤土材料進行密閉，阻止萬一情況下發生的放射性物質向周圍的擴散和轉移。8水力發電對環境的影響水庫建造的過程與建成之後，對環境的影響主要包括以下幾個方面：(1)自然方面(2)生態方面(3)物理化學性質方面(4)社會經濟方面9水力發電對自然環境的影響1.巨大的水庫可能引起地表的活動，甚至有可能誘發地震。2.此外，還會引起流域水文上的改變，如下游水位降低或來自上游的泥沙減少等。3.水庫建成後，由於蒸發量大，氣候涼爽且較穩定，降雨量減少。10水力發電對生態的影響1.對陸生動物而言，水庫建成後，可能會造成大量的野生動植物被淹沒死亡，甚至全部滅絕。2.對水生動物而言，由於上游生態環境的改變，會使魚類受到影響，導致滅絕或種群數量減少。3.同時，由於上游水域面積的擴大，使某些生物的棲息地點增加，如釘螺。進而使得一些地區性疾病(如血吸蟲病)創造了有利的蔓延條件。11水力發電對物理化學性質的影響1.流入和流出水庫的水在顏色和氣味等物理化學性質方面會發生改變。2.水庫中各層水的密度、溫度、甚至熔解氧等有所不同。3.深層水的水溫低，而且沉積庫底的有機物不能充分氧化而處於厭氧分解，故水體的二氧化碳含量明顯增加。12水力發電對社會經濟的影響修建水庫可以防洪、發電，也可以改善水的供應和管理，增加農田灌溉，但同時亦有不利之處，如1.受淹地區城市搬遷、2.農村移民安置會對社會結構、3.地區經濟發展等產生影響。4.如果整體、全局計畫不周，社會生產和人民生活安排不當，還會引起一系列的社會問題。5.另外，自然景觀和文物古跡的淹沒與破壞，更是文化和經濟上的一大損失。應當事先制定保護規劃和落實保護措施。13全球40%的能源來自石油，目前多由波斯灣地區提供多半工業化國家所使用的石油來自進口日本有2/3、美國有1/5、法國1/3的石油均來自波斯灣地區14能源是什麼？可產生強有力活動的能力能源是一守恆的物理量，在宇宙中的總能量是一個固定不生不滅的值。可以許多不同的形式存在：風和流水中的動能、儲存於物質中的位能、彈性位能、化學能，化石燃料經燃燒後的熱能。能源無法被創造，也無法被破壞，但可以從一個形式轉變或重新分配到另一個形式。能源無法看、聽、摸、聞得到但透過使用能源所產生的結果，可以知道能源的存在和價值。15常見及常使用的能源形式有：必須深入探討各種能源資源、能源轉換的過程能源資源、各種能源使用的限制使用能源對周遭環境的影響化學能核能太陽能熱能機械能：動能、位能電磁能：電能、磁能生物質能16能源、經濟、環境三者間的發展息息相關有效使用有限的能源竭力發展新的能源材料才能維持國家的經濟成長17B.能源利用及環境使用能源資源和化學物質是影響環境的主因之一大量使用化石燃料的結果：大氣層的CO2含量增加了30%造成地球暖化、溫度上升導致南北兩極冰山融化海平面升高靠近海洋低窪地居民遷離、降雨區向北移動導致農耕區域轉移…..18如何妥善解決化石燃料所造成之環境污染問題？各種能源替代方案從穀粒中可提煉出的乙醇，現今美國所賣出的汽油中，有10%的汽油添加了從玉米中所提煉的乙醇。19我們的地球－過去及現在19701997世界人口33億58億美國鉛的排放量(103公噸)2044廢物回收量(公噸)800萬4900萬使用太陽能的美國家庭(戶)35,0002000,000美國每年產生的垃圾量(公噸)12,100萬21,700萬美國輸入石油佔有的比例23%56%聯邦政府環境預算佔有的比例3%1.5%大氣中CO2的濃度(ppM)325367世界CO2排放量(109公噸/年)1423焦點1.120圖1.1(A)全球溫度變遷；(B)大氣二氧化碳濃度；(C)大氣甲烷濃度；(D)燃燒化石燃料碳的年產量。21C.能源使用類型再生能源(RenewableEnergy)如水、風、太陽能、生物質能、潮汐、地熱等非再生能源(NonrenewableEnergy)如化石能源、核能等22圖1.2依燃料的類別，美國200年來能源的消耗量趨勢。Btu為能源的單位，1Quad=1015Btu。23圖1.3世界能源消耗：1970～2020年間工業化國家、開發中國家及東歐/前蘇聯(EE/FSU)的消耗情形。右圖說明1996年最終總消耗各地區佔有的比例(其中OECD指經濟合作發展組織)。24圖1.41998年世界各國能源消耗比較圖。美國人口總數僅佔全世界4.6%，但能源消耗量卻佔全球1/4。25主要的能源資源化石燃料：現今佔總能量的85%再生能源約佔全約佔全世界總量的20％，其中包括傳統的非商業燃料像是木材和糞肥等。燃料的方式不斷地演變：工業化之前，僅利用可再生的能源，如水風、太陽、生物質能、木材、煤最初利用動物、水和風力，以增加人類肌肉的力量工作18世紀後，則開始大量使用非再生能源，如化石燃料，包括木材、煤、石油、天然氣等19世紀開始使用核能26圖1.51998年世界及美國能源消耗(能源別)。27化石燃料的歷史演進1859年，於美國賓州鑽出第一座油井1870年間，發明內燃機後，開始大量使用石油。1920年後，因引擎數量和開挖之石油可利用量雙雙增加，加以使用石油為燃料比燃燒煤炭來得乾淨等條件下，助長了石油使用量的遽增。目前美國燃料消耗，石油約佔40%。德州和路易斯安那州發現大量天然氣儲藏量天然氣發現量增加＋電業解制＋提供更乾淨的環境(與煤炭和石油相比)美國開始大量使用天然氣，現佔23%。28近年來五個美國石油主要輸入國委內瑞拉加拿大沙烏地阿拉伯墨西哥奈及利亞29再生能源(RenewableEnergy)水、風、太陽能、生物質能、潮汐、地熱等用於加熱、冷卻及發電目前對能源的貢獻尚佔不到10%，但正在快速成長中。風能雖此佔0.2%，但是目前成長最快速的能源美國現以每年10%的速率成長，歐洲更以每年37%的速率成長，丹麥約有8%的電力是採用風力機供應。30圖1.71949-1999年美國自產及進口石油分佈圖31能源的最終消費(EndUsersofEnergy)主要分為四個部門：交通工業住宅(單一或多戶住宅)商業(公司、商店、學校、…)32圖1.8美國於1998年各部門的能源使用情形。33圖1.91999年美國的總能源流(QuadBtu)總能源消耗為96.6Quads(包含電力公司轉化及輸電損失)。34D.能源資源(SourcesofEnergy)欲善用能源資源必須先瞭解下列問題：有哪些能源可用?各種能源的蘊藏量(Reserves)燃料的成本和價格消耗量的成長率35圖1.6美國過去100年能源消耗(各種燃料佔有比例)36表1.1世界及美國可採蘊藏量(1998年)資源全世界美國使用年限*石油1020×109bbl5.9×1018Btu21×109bbl0.11×1018Btu8年天然氣5090×1012ft35×1018Btu165×1012ft30.17×1018Btu9年煤炭1.09×1012tons27×1018Btu0.58×1012tons14×1018Btu500年瀝青砂300×109bbl1.7×1018Btu22×109bbl0.12×1018Btu8年*U.S.蘊藏量/1998年生產量D.能源資源(SourcesofEnergy)37各種能源常用的計算單位煤：公噸(tons)石油：桶(barrels,bbl)1桶的量＝42加侖(gallons)天然氣：兆立方英呎(tcf,109ft3)熱能的單位：Btu-英制的熱量單位，使一磅(1lb)的水溫度上升1oF所需的能源。各種不同蘊藏能源需換算成相同之等效能源(熱能)單位的量，成能比較其差異和多寡。38焦點1.2中國的能源(EnergyinChina)中國人口佔全世界人口的20%能量消耗不及全世界總能源消耗的10%平均每人能量消耗1/10美國人的量，1/3全世界的平均值煤是中國商用能源中最重要的資源約佔該國71%，是世界最大的媒生產和消費的國家80%的人口居住在鄉村地區，總能源消耗佔全國40%，其中90%來自動植物分解所得的生物質能。使用約500萬台厭氧分解器，可將動物的糞便分解成天然氣，用以做炊煮及照明等用途。39圖1.10中國的能源資源利用(1997年)40中國的水力發電-中國第二大能源資源水力發電產量：佔全國電力的30%能源產量≠發電產量有105座水力發電廠長江三峽的武漢地區正在興建全世界最大的水庫，預計2009年完工，水壩橫寬約2km，水庫長約600km。可發出18,600MW的電力已被視為世界第八大奇景。25萬人因建壩而被迫遷離家園41中國的石油發電-中國第三大能源資源中國為世界第五大石油生產國但產量仍不足所需故仰賴25%的石油進口量，以應需求。4243E.指數成長及資源耗盡能源消耗的成長率(growthrate)：估計能源資源之使用年限的重要因素，成長率的計算型式有很多種指數成長(exponentialgrowth)：常用之成長率算法某一物理量如每年以相同百分比率成長時稱之某一物理量如以指數成長，其大小在經過一已知期間後以相同比例因子增加，亦即不論初始量的大小，增加為原物理量2倍的時間會一樣。例如：存款增倍的時間與成長比率百分比兩者間的近似有用關係式為成長率年%70增倍時間44表1.2銀行存款－年指數成長率10%的範例年底存款(美元)年底存款(美元)01000123138111001334532121014379831331154178414641645965161017505661771185562719481961188214320673092357217403102594228143112854