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- 1. 地球能源危机 篇名 地球能源危机 作者 林建誠。市立中正高工。電子科一年忠班 張博鈞。市立中正高工。電子科一年忠班 1 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 2. 地球能源危机 壹●前言 能源的發現與應用技術的發展，是人類文明演進的原動力。追求 永續發展是人類最崇高的理想。然而，沒有永續的能源，人類的 永續發展只是一場幻夢。今日全球的能源有接近 8 成仰賴化石資 源 ； 依 照 現 在 的 模 式 繼 續 地 消 費 能 源 ， 石 油 會 在 40 年 用 完 ， 天 然 氣可能在隨後數年內耗盡，即使煤炭可以完全替代石油，也將在 其後數十年內耗竭。 若沒有適當的替代能源，人類文明將可能就此劃上休止符。 首先我們要了解目前可用來生產的能源有幾種？它們的應用又是如何？又有什麼 方法生產？接下來我們也要了解這些能源的消耗。 貳●正文 一、再生能源 1.太陽能 太陽能是地球接收太陽之輻射能，其直接或間接地提供地球上絕大部份之能量來 源，是一種非常清潔的能源，不會引起污染，更不會耗盡自然資源或導致全球溫 室效應。太陽能的科技，應用甚廣。例如：例如太陽能的計算機、手錶或熱水器 和太陽屋，在外國亦可見到不少。而太陽能的交通工具，在一些科技較先進的國 家亦有研究發展。但是太陽能在先天上也有它的缺點，首先，它是「稀薄的」能 源，需要廣闊面積才能收集到足夠人類使用的能量。其次，太陽能是 間歇性的 」 「 能源，無法連續不斷地供應，例如陽光僅出現在白天，而且時常受到雲層掩蔽 ， 因此太陽能必須加以儲存，以供夜晚或多雲日子使用，故有時需要他種輔助之能 源設備配合使用。 2.風力 風能已成為現有能源中最便宜的可更新的能源。由於風能是由風帶動風車葉片旋 轉，透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電，其經濟效益取決於風場 的風力狀況，所以安裝越多風機的風場具有越高的經濟效益。風力資源不但豐富 而且是可再生的資源。很多國家計劃把大量消耗的電量由風力發電來提供，而德 國與丹麥就是其中之一。由於風能的無污染性、風力發電機安裝的快速和無特別 燃油的要求，使它不僅與國際能源環保的號召一致，更使得擁有很大產值的風機 工業有一個光明的前景。 2 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 3. 地球能源危机 3.水力 水力發電是被人類大量開發利用之再生能源。水力發電是以人工方法，引導水流 以高速度衝擊水輪機，帶動水輪機和發電機的旋轉，從而產生電力，技術簡單而 且完備，許多國家水力發電之基礎工業，如水輪機、閥、水閘、發電機和相關電 力設備等之製造，均已非常完善。水力開發對環境之衝擊較小，除了提供廉價電 力外，還有下列優點：管制洪水氾濫、提供灌溉用水、利於河流航運、提供尖峰 時段電力調度。因此，一般在水電站的上游，建造攔河壩和蓄水庫，積蓄水量， 提高落差（水頭）。 4.生態能（生質能） 所謂的生質能是指所有有機物，如水生植物、農作物的殘渣、動物牲畜的排泄物、 製糖作物、能源作物、薪柴、城市垃圾及工業廢水等，主要是農業廢棄物及農林 產品加工業廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮生活垃圾等四個方面。經由各式自然 或人為化學處理合成為液體、氣體或固體燃料，這種能量即為生質能。目前生物 能的開發應用主要在三方面： A.在農村建立以沼氣為中心的能量物質循環系統。 B. 建立以植物為能源的發電廠。 C. 種植柑蔗、木薯、海草、玉米、甜菜、甜高粱等，既有利於食品工業的發展，植 物渣又可以製造酒精以代替石油。 生質有多項優點，如可提供低硫燃料，降低空氣污染；使用廢物、家畜糞便生產 能量，減輕廢物處理，減少環境公害；利用裝設於農村附近的殘渣來製造燃料， 不但能減少能源原料的運輸費用，並且殘渣又可充當農田肥料；將工業廢料與城 市垃圾轉換成熱能或電力，可維護環境品質，同時可減少堆置掩埋所需之土地； 與其他新能源相較，技術難題較少。 其缺點則為植物僅能將極少量之太陽能轉化 成生質能來利用；因生質能原料之含水量偏高，故轉換效率偏低；單位土地面積 之生質能密度偏低；缺乏適合栽種植物之土地。 5.地熱能 地熱能主要來自地球內部放射性元素衰變所釋出之能量，儲存於地核熔岩之大量 熱能，地殼內之地熱能，主要儲存於岩石本身，而少部分則儲存在岩石孔隙或裂 隙之水中會把熱量從地下深處帶至近表層。在有些地方，熱能會隨著湧出的熱蒸 汽。地熱能乃一低能量密度之能源，必須經由大量岩石汲取，目前，水是地熱能 之主要輸送媒介，其依賴岩石之導熱性或藉助熔岩與水之向上移動而傳導至地球 3 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 4. 地球能源危机 表面。這種熱能的儲量相當大，但是開發不易，且受地質條件的限制。 6.海洋能 海洋是巨大的能源貯存庫，它能以潮汐變化、溫差不同、海浪拍打和洋流流動所 貯藏的能量來發電，所以在未來的世界中，海洋能源仍有很大的發展潛力，倘能 多加開發利用，必能提供更多有用能源。 A.五種現行海洋能發電的方法 a.海洋溫差的發電 海面的溫海水加熱，使鍋爐中化成高壓蒸氣，再以高壓蒸氣推動渦輪機帶動發電 機發電，再來蒸氣送到冷深海的冷水冷卻，低沸點液體凝結後再回鍋爐加熱重新 使用，如此循環作用則持續發電。 b.潮汐發電 潮汐變化時，海水的位能亦隨之變化，潮汐發電即是利用漲潮及退潮時的水位差， 將此項位能轉換成電能。 c.波浪發電 依據波浪上下振動的特性而設計，利用波浪的往返運動來壓縮空氣、水、油等介 質，提高介質壓力然後再用來發電。 d.洋流發電 利用洋流的流向及壓力轉換成可利用之電能。 e.鹽梯度能 是利用鹽度高低不同的海水，因混合而產生的滲透壓做為動力，再加以轉換而產 生的能量。 二、非再生能源 1.石油 石油源植物殘骸，殘骸轉化為石油須歷經一百萬年以上，並得深埋於地底一公里 以上，方獲得足夠之壓力和溫度，但很少超過四公里深，因在那樣深度，高溫將 4 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 5. 地球能源危机 迫使石油分解成甲烷和石油。剛開採出來的油氣，因為含有多種成份，不能馬上 使用，需經過處理產生多種不同用途的產品，如分餾成天然氣、液化氣、汽油、 柴油。但因為不能再生又大量的使用造成庫存量慢慢降低。 2.煤 遠古時代，大量植物枯死後被沖流埋在地下，層層相疊，經過悠久的歲月與地殼 的變動，在不同溫度和壓力下，逐漸炭化而形成各種煤層。缺點是經過燃燒會產 生一堆溫室效應氣體。 3.天然氣 天然氣是一種伴隨石油、煤產生的氣體，過去因無法越洋運送，所以只能供當地 使用，如果有剩餘只好燃燒報廢，十分可惜。天然氣是一種易燃性物質，若遭受 外力撞擊破壞容易產生爆炸現象。若以人工建築設施存放天然氣，在遭到外力破 壞如地震、火災等，極易產生危險，常利用舊有油氣田注入外來天然氣儲存，此 種方式相當安全且優良。其優點：地下結構存在數千萬年，結構堅固，耐震，無 氧環境，可完全避免失火、爆炸等危險產生。 4.核能 核能發電，是利用核分裂產生巨大的能量，製造高溫高壓的蒸氣或氣體，驅動發 電機組發電。核能所用的燃料，乃是可分裂或融合的放射性物質，例如鈾 235、鈽 239、鈾 233 等。目前核能發電量僅佔全球能源和電力供應百分之七和十七。 三、次級能源 1.電能 自古以來，空中強烈的閃光和巨大的雷聲，帶給人們很大的恐懼和許多的疑問。 天空雲層間或雲與地面間所儲蓄的電，達某程度就發生空中火花，產生強烈的閃 光和巨大的聲音，即是「雷」。閃電產生電的原因，一般都認為是一股電流從地 面傳導至游離層的一種物理作用，而雷雲即可說是天空中的一座發電廠。 A.電的產生原理 a.摩擦生電 在日常生活中，我們常能體驗到有關「摩擦生電」的現象，例如在比較乾燥的冬 天更換毛衣或襯衫的過程中，經過頭髮時，頭髮會與毛衣因為摩擦而產生靜電， 而且會聽到微弱的「啪啪」聲。這些現象都是摩擦生電所引起的奇妙景象。我們 5 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 6. 地球能源危机 稱這種摩擦後能吸引輕物的物體叫做「帶電體」，而稱兩物體相互摩擦成為帶電 體的現象為「摩擦生電」。 b.化學生電 義大利物理學家亞歷山大-伏特，使用兩種不同的金屬做實驗，結果發現金屬相碰 撞時會產生電，發生電流的原因即在於兩種金屬平板和電解液發生化學反應而生 電。時至今日，日常所用的乾電池就是應用此化學反應，雖然不同的電池採用不 同的材料，但所有的電池都有兩個電極，這兩個電極均浸在糊狀的電解液中，而 電極和電解液之間所產生的化學反應便會產生電。 c.熱生電 如果把兩根不同的金屬線（例如銅線和鐵線）絞合在一起，形成一個接合點，並 在此點加熱，電子就會從銅的一端移向鐵的一端，使銅端帶正電，而鐵端帶負電。 接合點的溫度越高，所產生的正負電荷就越多，這種接口的裝置稱為「熱電偶」， 由於「熱電偶」所產生的電荷量與溫度有一定的關係，所以這種裝置就成為一種 可測量高溫的儀器。 d.光生電 熱能可以使某些金屬放出電子，光線也可以使一些物質，例如鉀、鈉、鈣等釋出 電子，這種現象稱為「光電效應」。每個光電池所產生的電能很小，但是如果電 池較大，接收的光就較多，電池也就可以產生較大的電力。太空船及人造衛星的 太陽能電池就是這種類型。 e.壓力生電 壓電效應的產生是由於外加壓力迫使電子離開電子軌道，並集中分部於晶體某表 面層上，而另一表面層因失去電子，便呈現帶正電。壓電晶體有多種用途，如電 唱機的擴音器，晶體微音器和石英點火器等，都是應用壓力生電的原理來工作。 f.磁生電 磁生電的方法有兩種，一為把線圈放在兩塊磁鐵之間，當線圈圈住磁鐵間轉動時， 線圈上便有電流產生。另一為把一塊可以轉動的磁鐵放在線圈裡面，當磁鐵轉動 時，線圈裡便有電流產生。利用磁來產生電的現象稱為「磁生電」，當線圈和磁 鐵相對運動時，線圈內的電子被迫向線圈的一端移動而產生電流，這種生電的方 法十分重要和實用，發電廠的發電機就是利用這種方法來生電的。 6 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 7. 地球能源危机 2.汽油 汽油就是從原油煉製來的，由於從地底下開採出來的原油，都是帶有雜質與惡臭 的，除了燃燒之外不具有實用價值。因此需要經過一連串的加工過程，也就是石 油煉製，或簡稱煉油。原油經過煉製的過程，會產生不同的成品，例如：燃料氣、 汽油、煤油、柴油、重油等油料。從用途來區分汽油，又可分為車用汽油、航空 汽油兩種。 A.原油煉製的目的 a.將混合在原油中的多種石油產品，一一析分出來。 b.雜質 將原本存在原油中的雜質去除，有利於原油的利用。 c.改善性能 將石油產品改進，使其能被更廣泛運用。 B.原油煉製的方法 a.蒸餾法 將原油加熱後，原油中沸點較低的成分就會較先蒸發，其蒸氣也較快被冷凝為液 體。由於原油的成分很複雜，因此無法用一公噸的原油煉出一公噸的汽油，其中 大約只有 20%~50%的汽油，和 7%~17%的煤油與柴油，剩餘的大部分都是 蒸餘油。 b.原油脫鹽法 原油通常都含有無機鹽類，若不去除則會沉澱在煉油的器具上。因此一般的脫鹽 法就是將原油預先加熱，再加入一定量的水攪拌，等到原油與水乳化後，將其導 入高壓電場，形成油水分離，如此便能去除原油中的雜質。 c.溶劑萃取法 若想去除原油中無用的成分或是提取特別成分，便可使用溶劑萃取。使用溶劑萃 取出來的油稱為萃取油，剩餘的稱為萃餘油。 7 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 8. 地球能源危机 d.裂煉法 為了使汽油的產量增加，也可將柴油或蒸餘油等重質的油再裂煉為汽油，其原理 就是將分子量較高的分子分解為較小的分子。 e.重組 利用加熱、加壓、加氫或觸媒的作用，改變汽油分餾的分子結構，目的是為了提 供辛烷值，以符合今日交通車輛的需求。 f.異構化 利用觸媒將油料中的化學分子重新排列組合，形成不同結構並具有高辛烷值的汽 油。 g.烷化 以低分子量的烯烴與異烷烴作用，形成高分子量的異烷烴反應，這種烷化的過程 可以形成辛烷值相當高的烷化油，主要用來摻在航空汽油與高辛烷值的車用汽油 中。 h.加氫脫硫：以觸媒使氫與油料反應，可以減低油料中的含硫量，也可去除油料 中的氮與金屬。 3.氣化燃料 一般而言，瓦斯是對氣體燃料的統稱，分為液化石油與天然氣兩種，兩者都是極 為方便與乾淨的能源，完全燃燒時產生二氧化碳，不完全燃燒時則會產生有毒的 一氧化碳，造成人體中毒的現象。 A.液化石油氣（液化瓦斯或桶裝瓦斯） 液化石油氣是原油提煉過程中，或天然氣處理的過程中，所析出的丙烷與丁烷的 混合物。 a.特性 液化石油氣無色、無味、無毒、易燃、易爆，因此基於安全考量，製造者都會在 其中加入臭劑，一有漏氣就可被立刻察覺。若是此時空氣中的液化石油氣含量超 過 1.8%，遇到火源就極有可能造成爆炸或燃燒。 8 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 9. 地球能源危机 B.天然氣（天然瓦斯、導管瓦斯或自來瓦斯） 天然氣是自古生物遺骸長期沉積於地下，慢慢經過轉化與變質而形成的氣態碳氫 化合物，主要成份有甲烷，與少量的乙烷、丙烷、丁烷。 a.特性 與液化石油氣一樣，天然氣也是無色、無味、無毒、易燃、易爆，瓦斯公司也依 照政府的規定，在其中加入定量的臭劑，保護消費者的安全。由於天然氣比空氣 輕，因此漏氣時容易往上飄，若空氣中的天然氣含量超過 5%，那麼遇到火源就極 有可能造成爆炸或燃燒。 四、能源應用．轉換．污染 一、當今世界對能源的使用時，須要考慮四個有重大實質意義的問題 初級能源(Primary energy source) – 即可用的天然能源的儲藏量和開採技術。 轉 換(Energy conversion) – 利用能量轉換器(Energy converter)把初級能源或其它能量 轉化作合適作功或它用途的能量形式。 能 量消耗 – 與社會、經濟、民生及政治有關的問題。 污 染 – 由礦物燃料或核燃料生產能量時所副生對環境有害的污染物。 1.初級能源 A.不可再生能源(Non-renewable energy sources) a.主要為植物化石殘留物所儲的化學能(源自太陽能)，稱為礦物燃料(Fossil fuel)， 如煤、石油、天然氣。 b.核燃料如鈾-235。 c.地球上儲存量有限，且產生嚴重的環境污染問題。 B.可再生能源(Renewable energy sources) a.來自太陽的有：水力、太陽能、風、波浪及生物能量。 b.非源於太陽的有：潮汐和地熱能。 2.能源轉換 A. 常用的能量轉換器包括發動機(engine)、機器、家居電器及運輸工具。 9 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 10. 地球能源危机 例： 汽油 汽車發動機 廢氣及熱 汽車動能 -------------> + (化學能) (內能) (機械能) 轉換器 【轉入能量】 【損失能】 【有效能】 我們定義能量轉化過程的效率(efficiency)為： 輸出的有效 能 效率 = 輸入的總能 量 效率的數值約由 25%(汽車發動機)至 90%(大型電動機)。 3.能源消耗 A.消耗的模式 全世界的各種初級能源的消耗如下 能源 石油 煤 可燃氣 水能 核能 百分點 45 26 20 5 4 B. 同地區的平均每年消耗能源的數值(1996 年,單位：GJ) 中國 香港 美國 英國 日本 非洲 33 106 386 188 187 16 10 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 11. 地球能源危机 C. 4.國 際 能 源 供 需 現 況 在世界能源方面，EIA 指出全世界能源之產量，包括：石油、天然氣、煤炭和電 力（指其他由水力、核能、地熱、太陽能、風力、廢棄物能產生之電能），由 1992 年的 351×1015 Btu，增加至 2001 年之 403×1015 Btu，平均每年增加 1.6％。其中， 原油佔能源總供給的 38.5％；煤炭次之，佔 23.8％；天然氣為第三位，佔 23.2％； 排名第四的是水力，6.62％；第五名為核能，6.56％；由地熱、太陽能、風力、廢 棄物能產生之電能則為第六，僅佔 0.8％。 5.污染 A.火力發電站 a.出大量煙塵(Dust)及廢氣如氧化硫(SO2)和二氧化碳(CO2)。 b.氧化硫 + 雨水→ 酸雨(Acid rain) c.二氧化碳增加輻射的吸收(溫室效應)，令地球氣溫上升。 d.另有廢棄的內能形成熱污染(Thermal pollution)。 e.煙塵危害人類的呼吸系統，但可用靜電沉澱器加以消除(可達 99%)。 B.核電站 11 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
- 12. 地球能源危机 a.排出的氣態及液態廢料的輻射量都必須被限制在安全水平以下。 b.有強放射性的核廢料須以非常牢固的固體加以密封，並埋在地下或海洋的深處。 参●結論 不同的能源有不同的形式轉換，現今人類與能源或轉換的電能有密不可分得關 係，但是人們在過去幾年卻都狂放的使用，卻不知道有些能量的產生，會造成對 地球的慢性破壞和可用非再生能源的越來越少的危機。現在人們已經意識到了， 開始節省能源，尋求新不污染不浪費的能源。但是每一種能源卻不是每一個國家 每一個地方都可以使用的就像海洋能要有較大落差的海潮高度還可以發會較大的 效率，有很多會造成污染的發電方式卻是每一個地方都可以使用，但多使用會多 造成污染。 肆●引註資料 註一、台灣師範大學 http://energy.ie.ntnu.edu.tw/about_1.as 註二、能源的種類與使用 http://www.ied.edu.hk/has/phys/work/energy.htm 註三、能源種類 http://dns.xhes.tc.edu.tw/~xhes304/conclusion2.html 註四、通俗科學網 http://sci.nctu.edu.tw/index.php?now=comment&page=show.php&article_id=66 註五、經濟部能源局--能源報導 thttp://www.tier.org.tw/energymonthly/outdatecontent.asp?ReportIssue=9305&Page=28 12 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com