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不要老想發展綠色新能源


專題報導 04/01/2009

energy美國是世界能源消耗大國,開發綠色新能源,一直高唱入雲。一些能源專家卻指出,光是改善原本工業與發電廠的能源效率,就比開發綠色能源更能節省能源,減少污染,而且立可見效。

 

 隱身於美國西維吉尼亞州卡諾瓦河河谷,查爾斯頓市上游大約五十公里處的合金廠,是該州用電量第二大的客戶。這座合金廠每天從配電網取用超過一億兩千萬瓦的電力,輸向廠內五座電弧爐,將石英加熱到約攝氏一千五百度,以生產高品質的矽,用來製造電腦晶片、太陽能電池等產品。

 然後合金廠會將電弧爐內溫度達攝氏八百度的廢氣,連同其中包含的許多原生能源,從煙囪噴翻出去。

倡導節約工業能源已有三十年歷史的企業家卡斯頓 (Thomas Casten) 表示,很不幸的是西維吉尼亞合金廠並非特例。世界各地的消費者使用經濟型螢光燈管、隔熱建材與汽電混合車,已經朝向個人能源的節約,但是包括許多發電廠在內,工業界繼續以令人驚愕的速率在浪費能源。由於能源生產成本低廉,一般來說設計工業製程的人既沒有本事,也欠缺經濟動機去節約能源。

現在,西維吉尼亞的合金廠已經成為一小群數量持續增加,試圖改變浪費習性的公司之一。到二○一一年之前,西維吉尼亞的合金廠,會安裝由卡斯頓在二○○六年共同創建,美國伊利諾州魏斯特蒙市「再生能源發展公司」 (RED)的設備,將合金廠廢棄熱能轉為電力,總計可轉化超過四千萬瓦,這足以減少合金廠三分之一的電力消耗。

卡斯頓說像這樣的機會俯拾即是。全世界有大約三百座矽工廠,全都可以比照辦理。鋼鐵廠也是一樣,美國半數的鋼鐵是用電弧爐處理回收廢鐵製成的,每座電弧爐可再生大約一千五百萬瓦的電力。至於製造輪胎的過程中,需要用到大量黑炭,做為強化橡膠的觸媒,而黑炭是由部分燃燒焦油製成的,浪費掉的熱能可以產生大約十億瓦的電力。

麻省理工學院二十一世紀能源研究中心機械工程師葛寧恩 (Ahmed Ghoniem) 表示,就環境保護來說,改良傳統燃料使用方式的能源效率,比起推動廣泛應用再生能源,可說毫不遜色。他說,世界大約百分之八十五的能源,是燃燒化石燃料,所以若能增加百分之二十的能源效率(他強調「這並非遙不可及」),所能減少的溫室氣體污染與排放量,就跟全球「綠色」能源加一倍相當,而那需要好幾年甚至好幾十年才可望達成。卡斯頓則表示,光是美國一地,能源再生就可抵上大約兩千億瓦的電力,這大約相當全美總電力的五分之一。

 而要達成這項目標,就必須穿越由科技議題、成本、國家能源政策,以及執掌發電事務的複雜管制結構所構成的龐大迷宮。卡斯頓說,要把這一切全兜在一起,異乎尋常地複雜。

 日新月異

 對卡斯頓的公司以及其他從事能源再生工作的人來說,好消息是有愈來愈多的潛在客戶開始留意此事。去年夏天油價一波飆漲,無論眼前油價可能會如何探底,大家還是相信能源價格別無去路,只會一路爬升。

 壞消息則是成本高昂。把再生廢棄熱能的設備,整合到並非為此設計的工廠內,價碼會把潛在客戶給嚇傻了。整合到西維吉尼亞合金廠內的設備,花費大約要一億美元,這就是為什麼卡斯頓的公司在這個案例中,不但提供安裝節能系統的專業技能,也一併負擔其費用,交換條件是合金廠同意與其共享利益。卡斯頓說,工廠經理並不具備解決這項挑戰的知識,如果他們想自己來,會高估風險,卻低估了報酬。

 儘管如此,技術本身倒是直截了當,廢熱能轉化成電力的方式,跟大多數發電廠製造電力的方式完全一樣。標準電廠會先從某種主要來源取得熱能,包括煤、天然氣、生質燃料、濃縮鈾、甚至是聚合太陽光,然後用熱能把水蒸發成高壓蒸氣;接著把蒸汽導入渦輪機,這基本上就是一組經過排列的高科技風扇葉片,由於蒸汽前推的力量而轉動。渦輪機的轉軸帶動發電機,從而製造出電力;從遠端噴出的蒸汽則會通過冷卻器,再度凝結回液態水。

 這套以十九世紀設計這套做法蘇格蘭工程師蘭金 (William Rankine) 命名的「蘭金循環」,是一種將溫度差轉化為有用電力,既實用又有效的方法。但是法國工程師卡諾 (Sadi Carnot) 於一八二四年指出,蘭金循環的效率有其基本限制,溫差愈大,最大效率也就愈高,所以工程師經常提到「高品質熱能」,指的就是熱能來源的溫度比周遭環境高出許多的情況。

 然而無論科技多麼精良,總會有一些熱能遺留下來,以蘭金循環來說,主要就是蒸汽凝結回液態水的過程中,浪費掉的能量。理論上只要還有一些溫度差,就能夠從殘留的熱能中再榨出一些機械能,但是葛寧恩說,由於殘留的熱能品質較低,通常你必須再多用點力才能榨出能量。

 這就是為什麼能源再生公司優先要追求高品質熱能。比方說在西維吉尼亞合金廠,電弧爐排放出來溫度攝氏八百度的廢氣熱能,就會用來蒸發水,然後透過標準蘭金循環系統製造電力。卡斯頓說還有很多其他的範例,他很清楚地記得有一回他訪問位於美國內華達州的一間石灰工廠,廠房內有巨大的柱狀窯爐,石灰石、碎狀煤跟氧氣不斷地送進去加工,熱度在三十呎外都能感覺到。熔礦業和冶煉業等大型工業,通常都會排放出這樣的熱能,除了加熱周遭的空氣,毫無他用。

高品質熱能固然很誘人,不過化工業、造紙業等許多數不清的產業,廢棄不用的低品質熱能,也有很多可以回收使用的機會。再生能源發展公司看準了烘乾石膏板清水牆所用的多孔爐,烘乾所用的能源佔製作石膏板成本的八成。多孔爐排出廢氣的溫度不到攝氏兩百度,用在以水為本的蘭金循環裡,幾乎毫無效率可言。不過現在可以用氟氯烷、丙烷或丁烷等揮發性液體來代替水,購買這種時下熱賣的蘭金循環系統,就能夠從差距不大的溫差中獲得機械能。

高科技領域也同時在研發,以固態熱電材料為主,直接以溫度差發電的廢熱能回收系統。加州理工學院材料科學家史尼德 (Jeff Snyder) 表示,商業上使用的熱電裝置,對於設定的溫差可達到到百分之十五到二十的卡諾效率,比起蘭金裝置既無效率又較昂貴。不過熱電發電機體積小巧,也沒有活動的組件,汽車產業就很愛用。比方說寶馬跟福斯汽車,就雙雙發表了利用引擎廢氣熱能發電的原型系統。

研究員還在開發較奇特的化學合成材質。史尼德說熱能若流通整塊材質,就流失掉了,而這些材質具備奈米結構,以減低熱傳導度,降低熱能流動的速度,能夠更容易捕捉到這些熱能。像這樣的系統也許無法在工廠裡跟蘭金循環系統一較高下,但是只花費數百美元,把熱電發電機裝在汽車上,還是很值得考慮的。

【知識通訊評論月刊七十八期】2009.04.01

http://k-review.com.tw/2009/04/01/774/#more-774

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