全球能源展望及节能减碳的策略

全球能源展望及节能减碳的策略全球能源蕴藏情形化石能源属耗竭性资源，主要來源为煤炭、石油及天然气英国石油公司统计资料显示，以目前的开采速度估计，石油尚有41.6年的可开采年限，天然气尚有60.3年，煤炭的可开采年限最长为133年。在自然资源有限的情形下，使得具有永续使用特性的再生能源日渐受到重视。各類初级能源可开采年限统计美国自公元1800年到2006年止的能源消耗分布图ThreeMileIsland车诺比尔电厂事件(Chernobylaccident)3E的平衡发展经济(Economy)能源(Energy)环境(Environment)能源的分类1.化学能:能量系储存于某些物质中，而当该物质经历化学反应时即会释放出能量。2.热能:热能乃伴随着介质中分子的自由运动，而其量化的指针即为温度。3.质能:质量可转换成能量，而其最著名的公式即爱因斯坦所推导出的质能互换公式。4.动能:为机械能的一种，当一质量运动时所蕴含的能量。5.位能:亦属于机械能，其大小与物质于力场中的位置有关。6.电能:电能犹如水于重力场中。7.电磁辐射:太阳能量照射道地球及其他星球即为电磁辐射能量的传递。能源的形式能源转换效率(η)%100EE(%)inout能源转换能源运送与运用之总效率温室所接受的能量=储存于内部空间能量+藉由传导、对流或辐射方式向外部传递能量能量守恒各种能源设备之能源转换过程与转换效率名称能源转换过程效率发电机机械能→电能70~99%电动马达电能→机械能50~90%燃气工业炉化学能→热能70~95%风力发电机机械能→电能35~50%化石燃料电厂化学能→热能→机械能→电能30~40%核电厂核能→热能→机械能30~35%汽车引擎化学能→热能→机械能→电能20~30%日光灯管电能→光能20%白炽灯电能→光能5%太阳电池光能→电能5~28%燃料电池化学能→电能40~60%能源的单位1.焦耳:当一牛顿力作用经过一公尺，能量为一焦耳。2.卡:1卡定义为使1克水升高1℃所需之热量，其相当于4.184焦耳。须注意其不同于摄食常用的大卡，事实上一大卡相当于一仟卡。3.英制热单位(Btu):1Btu的定义为使一磅的水升高华氏1度所需之能量，其相当于1,055焦耳，同时也相当于252卡。4.英呎-磅:1英呎-磅定义为1磅力作用1英呎之能量5.电子伏特:1电子伏特(简写为1eV)，定义为使一电子通过一伏特电位差所需的能量。6.度(kWh):为表示电力的产生及使用，「度」为一常用的单位，例如家居电力使用量的多寡。一度即为一千瓦-小时(kWh)，相当于3.6×106焦耳。7.Toe:Toe为评估生质能源数量常用的单位，其中1toe=11.63MWh=11,630kWh，因此，1toe即相当于11,630度。系因远古时代动、植物死亡后演变而来其种类包含了煤、石油、天然气、少量的页岩油及油砂、天然气水合物，直到今日，化石燃料仍占商业上能源资源使用的90%左右，其重要性可见一般。化石燃料根据英国石油公司(BP)于2008年之统计报告中指出，至2007年底年世界初级能源推估，全球石油蕴藏量约可维持41.6年使用量、天然气约60.3年、而煤则可维持133年。因此，除了煤以外，石油及天然气等化石燃料及铀矿在未来数十年内将逐渐面临耗竭的窘境。初级能源蕴藏量蕴藏量产量供应年限石油12,379亿桶8,153万桶/日41.6天然气177.36兆m32.94兆m3/年60.3煤炭8474.88亿公吨31.35亿公吨/年133煤的外观煤形成过程第一阶段转变成泥煤，但泥煤并不包含于煤炭的分类中，其水分可达70%，而热值则仅约3,000Btu/lb。1.褐煤:水分含量约30%，含碳量(固定碳)达30%，而热值介于5,000到7,000Btu/lb之间。挥发物含量高及反应性佳则是其优点。2.亚烟煤:亚烟煤的水分为15~30%，含碳量约40%，而热值则为8,000到10,000Btu/lb之间。亚烟煤易自燃、挥发性高、具结块性、且硫份及灰份少。3.烟煤:是最丰富的煤种，碳含量则约50~70%。烟煤的热质介于11,000到15,000But/lb之间。4.无烟煤:碳含量约90%左右，最高可达95%，而水分则仅约3%左右，且硫份及灰份也低。无烟煤为最硬之煤，热质约14,000Btu/lb。煤的分类全球煤炭蕴藏量之估计值(2008)ClassC(%)H(%)USESAnthracite无烟煤93-953.80-2.80工业燃料Semianthracite半无烟煤91-934.25-3.80Subbituminous亚烟煤80-915.60-4.25电力工业钢铁业Bituminous烟煤75-805.60-5.10Lignite褐煤60-755.70-5.00电力煤炭等级与用途石油是由有机物质在古地质年代沉积而成。据推测，约在数亿年前，大量的浮游生物及动植物(如蓝、绿海藻类等单细胞植物及有孔虫类等单细胞动物)死亡后，其残骸堆积在海底下逐渐形成沈积物。由于沈积物的重量，使得该地区持续下陷，进而形成沈积盆地。这些埋藏在沈积盆地内的动植物残骸，在缺氧环境下经细菌作用将碳水化合物中的氧逐渐消耗掉，再随着埋藏深度的增加，温度与压力也相对提高，经过数百万年后，有机物逐渐受热裂解出油气。石油的生成沈积盆地形成后，长期受无数次的地壳运动，会产生各种不同的地质构造。一个良好的储存油气的封闭构造，除应具有良好的孔隙率及渗透率的储油层外，此储油层的上方必须有致密不透油、气、水的岩层，如页岩、泥岩等，即所谓的盖层，其作用为封盖住进来的油气，不让油气向上逃逸。全球石油蕴藏量之估计值(2008)石油开采石油开采依开采的程度分成:一级或初级开采(primaryrecovery)、二级开采(secondaryrecovery)及三级开采(tertiaryrecovery)。化石燃料煤炭石油天然气CO2208,000164,000117,000NOx45744892SO22,5911,1220.6粒状污染物2,744847燃烧煤炭、石油及天然气所产生温室气体及主要污染物比较(lb/106Btu)相较于化石燃料，核能储存空间甚小，不会排放空气污染物至大气中。如果从二氧化碳排放的观点来看，核能发电无疑地更具吸引力。另外，燃料铀的蕴藏量尚丰且价格合理，也是目前核能发电的优点。但是，核能发电所排放的大量废热可能引起热污染，造成海洋生态浩劫。特别是放射性核废料的储存及去处，目前已是极为棘手之问题。由于环保意识的抬头，曾被认为有效解决能源问题的核能，如今已成为极不受欢迎的事物。核能概述至2007年底为例，全球共有439座核反应堆运转，并提供了372,100MWe的电力。在未来，将有5座核反应堆被关闭除役(加拿大4座，日本1座)，但另一方面，目前全球共有38座核反应堆兴建中(俄罗斯8座，中国6座，南韩4座)，未来将加入运转。至于台湾，目前共有3座核电厂(6座核反应堆)运转中(第4座核电厂正兴建中)，2007年核能所提供的能源占所进口能源的7.97%。核能概述核融合产生能源的过程乃利用原子的结合以释放能量。自然界中，当一系统由较少的束缚(binding)或键结移向较多束缚的状态时，能量将会释放，例如化石燃料，当燃烧时会将氧原子及碳原子结合形成二氧化碳分子，此时能量状态会较原始燃料及空气的能量状态为低，因此释放热能并丧失部份的质量。当氘(deuterium,2H)或重氢与氘反应，或氘与氚(tritium,3H)反应而形成氦(helium)时，由于其内核子紧密的束缚并丧失部份质量而释放能量。核融合连锁反应核子反应器压水式反应炉沸水式反应炉燃料循环太阳能优点:1.太阳可以作为永久性的能源。2.太阳能到处都有，不需要运输，处于南北纬50~60度以内的地区，都有丰富的太阳能可以利用。。3.太阳能使用时不会带来污染，是一种清洁的能源。4.太阳能的利用不会增加地球的热负荷。缺点：1.能量密度低。2.太阳能是间歇性的能源。3.相较于化石燃料，现阶段设置费用与成本仍较高。太阳电池又称为光伏电池，其乃利用太阳光照射在半导体光电材料上，由太阳辐射提供的能量造成电子流动而直接转化成电能。太阳电池将光能变换为电能之转换率高低决定于太阳电池之性能，目前最高的转换效率可达30%，但一般介于10%到15%之间。太阳电池动力塔(PowerTower)风力发电机在转换风力过程中不会排放二氧化碳及任何污染物质，更没有放射性物质的困扰，是非常干净的能源，因此广受注重环境保护的欧美国家的欢迎，成为应用最多的再生能源技术之一。风能欧盟各国风能总发电之情形(2007年底)一部典型的现代水平轴式风力发电机包含叶片、轮(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、电缆线等。风力发电机水平轴式风力发电机内部结构与组件离岸式风力发电由于陆地上可用面积有限，加之海上风向较均匀且无障碍，风力资源优于陆地，可于海底深5~20m的浅海地区设置离岸式风力发电厂。1.风力能源永不耗竭2.风力发电无污染3.风力发电是自产能源4.增加就业机会并具观光效益设置风力发电机时，应考虑因素有：1.风性与地理条件2.风力发电机性能与配置3.土地利用的规划4.慎选周围环境风力发电机的优点水力发电是再生能源利用中重要一环，例如美国的水力发电约占总发电量的9%、挪威有99%的电力来自水力、尼泊尔95%、巴西90%、新西兰78%、加拿大58%及瑞典50%。整体而言，全球约19%的电力需求由水力供应。水力发电的基本原理是利用水位落差，并配合水轮发电机以产生电力。换言之，水力发电是利用水在地球表面及大气间自然传输所产生的能源。水力发电1.没有污染性物质产生并排放到空气中或水中，也没有废热或热污染的问题。2.水力发电厂的运输只依赖再生能源资源(如水)，电厂运转的生命期可达数十年，且维护要求较少。3.可依据实际电力需求随时进行调整，即使是尖峰负载也能符合电力调度要求。4.建立的水库具有多重功能，例如蓄水以供灌溉、防洪及提供都市饮水等。水力发电的优点1.水坝的建立将对环境造成某种程度的冲击、历史人文景观的改变及生态的破坏。2.泥沙会堆积在水库中而形成淤泥，因而水库的寿命约50到200年之间，淤泥所引发的问题目前为止尚无解决的对策。一旦淤泥堆积至无法储水，水库的维护将是一大负荷。此外，若水坝溃堤，大量淤泥对下流所造成的危害将无法估计。3.水库下游人口将暴露在水坝溃堤所造成危害的风险中。若发生天然灾害(如地震)或人为破坏(如战争)，其可能造成大量人口的伤亡及都市破坏。以美国为例，从1918年到1958年间，共发生了33次的水坝危害，并导致1,680人的死亡。水力发电的缺点当地表水受太阳光照射而蒸发成云时，云将在某些地方发生冷凝及沈积，并受到重力作用而产生沉降。当水位于高海拔地区，其将具有较高的位能或水头，此位能一旦释放将可转换成动能以推动水轮机发电。水文循环水力发电厂之结构图若依水位的高低分类，水力发电厂可分成1.低水头:水位低于30公尺2.中水头:水位介于30到300公尺之间3.高水头:水位高于300公尺若依装置容量分类，水力发电厂可分成1.小型发电厂:装置容量小于25,000kW2.中型发电厂:装置容量介于25,000到250,000kW3.大型发电厂:装置容量大于250,000kW水力发电厂分类HooverDam://://=29表6-1.A各国水力能量输出(2002)国家电力产生(109kWh)装置容量(kMW)加拿大31567巴西28263中国大陆30983美国25599俄罗斯18045挪威12527日本8122印度6826瑞典6616