第八章能源科技

第八章能源科技第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四當轉(zhuǎn)子或電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，線圈內(nèi)將產(chǎn)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(zhuǎn)換成電能。8-1

發(fā)電原理發(fā)電原理第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四現(xiàn)代汽渦輪機8-1

發(fā)電原理第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四目前的發(fā)電效率僅能將燃料中約1/3的化學能轉(zhuǎn)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(fā)電效率是目前能源利用中極重要工作項目之一?；瘜W能轉(zhuǎn)換成電能的效率演進情形8-1

發(fā)電原理第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四汽電共生系統(tǒng)係指在使用燃料或處理廢棄物的同一流程中能同時產(chǎn)生熱能(或蒸汽)及電能的能源利用方式。

汽電共生8-2

汽電共生第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四汽電共生的優(yōu)點1.

節(jié)約能源 傳統(tǒng)系統(tǒng)所產(chǎn)生工業(yè)製程用熱能的效率約為75%，而傳統(tǒng)發(fā)電的平均效率則只有35%。因為汽電共生系統(tǒng)的效率一般約可達65~85%，因此使用汽電共生系統(tǒng)生產(chǎn)電力及熱能約可節(jié)省燃料10~30%。2.

減少環(huán)境污染 因為產(chǎn)生同樣數(shù)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(chǎn)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(huán)境所造成的污染及衝擊亦可減少。3.

較高經(jīng)濟效益 對於等量的電力及熱能輸出而言，汽電共生系統(tǒng)的投資及運轉(zhuǎn)成本較傳統(tǒng)分離式系統(tǒng)之合計成本低約10~30%。8-2

汽電共生第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四汽電共生的種頹1.

頂循環(huán)

(Toppingcycle)

又稱為先發(fā)電循環(huán)，其乃將燃料燃燒所產(chǎn)生之熱能先用以發(fā)電，再利用剩餘之熱能供製程使用，該循環(huán)中使用燃料的鍋爐稱為「動力鍋爐」8-2

汽電共生第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四2.

底循環(huán)

(Bottomingcycle)

又稱為後發(fā)電循環(huán)，即燃料燃燒所產(chǎn)生之熱能先供製程使用，再回收廢熱產(chǎn)生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發(fā)電，其所用的鍋爐稱為「廢熱回收鍋爐」。8-2

汽電共生第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四3. 複循環(huán)

(Combinedcycle)

所謂複循環(huán)即前兩個循環(huán)的組合。使用場合必須配合燃氣渦輪發(fā)電機先發(fā)電(即先發(fā)電循環(huán))，而後利用燃氣渦輪排出的廢熱將廢熱回收鍋爐加熱並產(chǎn)生蒸汽，再將產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽渦輪發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)汽(即後發(fā)電循環(huán))。將兩個循環(huán)合併一起連續(xù)使用就是所謂複循環(huán)。8-2

汽電共生第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四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(tǒng)之熱效率予以規(guī)範。在「汽電共生系統(tǒng)實施辦法」第5條中規(guī)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(tǒng)，得請當?shù)鼐C合電業(yè)收購其生產(chǎn)電能之餘電，與提供系統(tǒng)維修或故障所需備用電力。其中值得注意的是，由於專業(yè)處理廢棄物之汽電共生系統(tǒng)並不受前二項有關(guān)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(yōu)惠電價回售臺電。汽電共生設置條件

8-2

汽電共生第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四汽電共生設置條件

8-2

汽電共生有效熱能比率總熱效率第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氣化原理乃在高溫及不充分氧化劑環(huán)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(chǎn)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(fā)電效率高、用水量低、污染物排放量低及可生產(chǎn)其它化工副產(chǎn)品等優(yōu)點。例如氣化技術(shù)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(zhì)能等。此外，氣化系統(tǒng)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。氣化8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氣化技術(shù)的發(fā)展與演進

8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四固定床或移動床: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(chǎn)生紊流。床內(nèi)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(huán)境下於數(shù)秒時間內(nèi)完成。氣化爐形式8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氣化爐形式8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氣化複循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)發(fā)電係將煤炭或重質(zhì)油置於氣化爐中，還原轉(zhuǎn)化為合成燃氣CO、H2及CH4，經(jīng)除塵、除硫和除氮後，再送至複循環(huán)機組當燃料發(fā)電，目前效率約達45%左右，較傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的35%高出甚多。IGCC主要設備包括煤炭供給系統(tǒng)、氧氣製造廠、氣化爐、煤氣淨化系統(tǒng)、熱回收、煤渣處理及複循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)等部分。氣化複循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氣化複循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四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(xiàn)被GE所併購)所研發(fā)的煤漿進料及耐火磚爐壁專利技術(shù)，即將煤粉和水拌成煤漿後送入氣化爐內(nèi)，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(fā)的煤粉進料及水牆爐壁專利技術(shù)，即將煤粉和氧氣送入氣化爐內(nèi)，爐壁以水牆作為隔熱材料。氣化複循環(huán)系統(tǒng)(IGCC)8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四工研院能環(huán)建立之多元燃料壓力式挾帶床氣化爐

8-3氣化複循環(huán)系統(tǒng)第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四燃料電池有下列數(shù)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(nèi)燃機直接燃燒氫氣之20%效率，燃料電池的能源效率高出數(shù)倍。燃料電池對環(huán)境的污染甚低，若以氫氣及氧氣為燃料，則產(chǎn)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(fā)酵、氣化及廢棄物掩埋場等。8-4燃料電池燃料電池第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四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(nèi)部的化學能，藉由此裝置轉(zhuǎn)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(xù)發(fā)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。8-4燃料電池燃料電池第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四燃料電池的基本原理8-4燃料電池燃料電池系統(tǒng)主要包含了陽極與陰極兩個電極，此陰陽二極由電解質(zhì)分隔，將燃料(例如氫氣)導入電池中陽極的側(cè)邊，燃料於陽極發(fā)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(cè)邊，氧化劑在陰極則接受電子而發(fā)生還原反應，如此兩個半反應同時發(fā)生而產(chǎn)生電動勢。第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四鹼性燃料電池(AFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)磷酸燃料電池(PAFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)固態(tài)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(zhì)子陶瓷燃料電池等(PCFC)8-4燃料電池燃料電池的種類第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四8-4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(zhì)子交換膜燃料電池固態(tài)氧化燃料電池英文簡稱AFCMCFCPAFCPEMFCSOFC陽極Pt/CCr,Al/NiPt/CPt,Ru/CNi/ZrO2陰極Mental/CNiOPt/CPt/CSr/LaMnO4電解質(zhì)KOH(35~85%)LiCO3/NaCO3H3PO4Nafion

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+)氫離子(H+)氧離子(O2-)操作壓力小於60psia小於120psia小於120psia小於30psia常壓操作溫度<120~250℃650℃160~220℃<100℃800~1000℃反應物高純度H2H2、CO2/CH4H2H2H2、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、輕油天然氣、甲醇、石油、煤炭氧化物O2、空氣O2、空氣O2、空氣O2、空氣O2、空氣發(fā)電效率70%50~60%40~45%<40%50~60%第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氫原子是所有元素中最簡單之元素，一個氫原子僅含一質(zhì)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(zhì)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(jié)合而存在，例如和氧原子結(jié)合而形成水。此外氫原子也常和碳原子結(jié)合而成碳氫化合物，例如汽油、天然氣、甲醇及生質(zhì)物等有機體等8-5氫能運用氫的特性

第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四氫氣除是化工業(yè)的重要原料外，近年來眾所矚目的燃料電池，其運轉(zhuǎn)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(fā)電效率高，且發(fā)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(fā)展的重視。事實上，早在1970年代美國太空總署就已利用液態(tài)氫作燃料以推進太空梭及其他火箭進入軌道。8-5氫能運用氫氣第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四8-5氫能運用氫內(nèi)燃引擎車輛BMW所推出的Hydrogen7第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四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(zhàn)，因而在未來數(shù)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(huán)境或氣象等因素而無法持續(xù)供應，而氫能則可加以儲存以供不時之需，同時可運輸?shù)饺魏涡枰?，若以此特性論之，氫氣可視為能源載體

(energycarrier)。8-5氫能運用氫能經(jīng)濟第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四整體而言，氫能經(jīng)濟的開發(fā)涉及多個層面，主要包含氫氣的生產(chǎn)(production)、運輸(delivery)、儲存(storage)、轉(zhuǎn)換(conversion)及末端使用(end-use)

等。不論是生產(chǎn)、輸送、儲存、轉(zhuǎn)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(guān)配套措施如氫能基礎研究、安全、法規(guī)、標準、教育及系統(tǒng)分析亦十分重要。8-5氫能運用氫能經(jīng)濟第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四8-5氫能運用氫能經(jīng)濟發(fā)展要素第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四1.生產(chǎn)：生產(chǎn)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(tài)高壓儲氫、液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及物理吸附儲氫等。4. 轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換裝置主要有渦輪機、內(nèi)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(fā)電、氫內(nèi)燃機、做為燃料添加計作推進劑等。8-5氫能運用氫能經(jīng)濟發(fā)展要素第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期四蒸汽重組：在觸媒作用下(通常以鎳