【焦點話題】能源教育的迷失概念

本文作者/黃明輝

能源教育包含了解能源的來源、發電方式與其後果,這些都是現代國民必備的素養。本文指出其中數項常見但虛實參半的迷失概念。

石油耗竭與全球暖化是21世紀的兩大危機,而兩者又有因果關係,了解這兩項危機的成因、
後果與解決方法是現代國民必備的素養。從國小到大學,從政府到民間,都在推廣能源與環
境的教育。然而部分不完全正確的內容卻常常出現,尤其是許多民間團體、私人營利單位、
與熱心網友的作品,不斷在網路上以訛傳訛,造成民眾的誤解。本文簡短指出幾個常見的錯
誤,希望能補正部分迷失概念。

永動機?

學過物理的人都知道永動機是違反能量守恆原理,不可能出現的東西(稱為第一類永動
機)。但是在網路上出現一些圖案、影片或者動畫模擬,好像真的可以憑空產生能量。觀眾
以為「有圖(影片)有真相」,因而認為這是可能的,許多謠言就不斷地在網路上流傳著。
例如○○綠能環保集團的影片上,「以馬達推動水輪做功,同時帶動發電機產電,回饋到馬
達」。另一個類似案例是媽媽○○○○聯盟的臉書社團上流傳的「電→電解水→氫燃燒產熱提供
引擎做功、氧淨化空氣→引擎帶動發電機產電→電解水→……只需加水就可完成循環」。這
些都是明顯地以小能量產生大能量,或是能量不斷循環的第一類永動機。

另一種是不明實際機制,但能量似乎憑空產生。例如某些影片上出現的「Free Energy自由
能」,影片上看不出有何運動或變化,沒有「磁場變化產生感應電流」的法拉第效應,卻可
以用簡單的線圈就可以產生電。這些影片其實跟「魔術」是一樣的,觀眾也許不清楚魔術師
是用什麼手法做出神奇現象,等到魔術被破解了,就知道旁邊或道具裡另有蹊蹺,其實一點
都不神奇!同理,拍攝這些「Free Energy」影片的人在鏡頭之外或道具裡可能暗藏其他機
關。觀眾雖然不知道秘密,但只要掌握物理原理,就可以認定這只是一種表演而已。

水能源?氫能源?

上述「電解水→氫燃燒產熱」的流言,也被演變成「水能源/氫能源」。流言通常是真假參
半!此流言中部份事實是氫具有很大的燃燒熱:每莫耳的氫氣燃燒成水,可釋放出285.8 kJ。
反過來,其逆反應將水分解為氫與氧時,就需要輸入每莫耳285.8 kJ的能量。部分虛偽的是流
言中在電解水所需的能源似乎是憑空而來!事實上,電解水產氫的效率只約有50~80%,引擎
將燃燒熱能轉換成動能的效率也不到一半,合計只有約25~40%的效率。即使以效率較高的燃
料電池將氫轉換為電,再用電動馬達,整體效率也只有約40~60%。所以這種循環只是不斷地
耗損能量的負能源而已!電解產氫與氫燃燒產電的組合,猶如熱力學中熱機與冷機的組合;
此種流言成為違反熱力學第二定律的第二類永動機。

氫的燃燒熱這麼大,代表水的化學位能很低,化學性質很穩定。水無法額外再提供能量,因
此水當然不是能源。氫的活性大,地球上自然存在的氫幾乎都是氧化後的化合物,氫氣只存
在大氣層頂端,無法收集成為可用之能源,因此氫也不能當成能源(energy sources)。

氫氣可由電解水、熱裂解水或烴烷類、生物質厭氧發酵產生。這些程序都需要先輸入能量,
才能將低位能的化合物還原成為高位能的氫氣。產氫過程使氫氣儲存能量,而後再經氧化反
應釋放能量;因此氫氣只是能源攜帶者(energy carrier),跟可充電電池一樣。這種由氫
氣傳遞的能量可以稱為氫能;氫氣傳遞氫能,但氫氣不是能源!正如郵差送信,但郵差不是
信一樣!

電動車與電熱水器

電動車使用時不排放溫室氣體與其他廢氣,許多大都市都以政策推廣使用電動車,所以電動
車是乾淨的!?答案不是一個簡單的「」與「」!

首先,電動車不排放廢氣,對於解決都市的空氣汙染有很大的幫助,所以「電動車對都市是
乾淨的」。但是追溯電的來源,以臺灣80%的發電使用石化燃料來說,電動車只是將排放廢
氣轉移到發電廠而已!除非電動車的充電全部使用綠色能源,不然電動車仍是使用骯髒能
源。現在部分的汽車使用高效能的引擎,石油燃燒直接轉換成動能,只經過一次能量轉換。
若是用石油燃燒發電,電儲存成電池的化學能,使用時再轉換成電能,最後經馬達變成動
能,總共經過四層轉換,損失更多能量,故不值得改用電動車,所以答案是「電動車對全國
而言是骯髒的」。

不過這一點在未來是有可能改變!一個原因是因為發電廠可安裝碳捕抓,有效減少CO2與其他
廢氣排放;而汽車的體積小,安裝碳捕抓的成本較高,不易推廣使用。其次,假如低碳排的
發電(核能與再生能源)的比例若能提高的話,電動車也會越來越乾淨。

每到冬季就常常聽到瓦斯中毒的案例,其實中毒者極少是因為俗名瓦斯(gas)的天然氣或液
化石油氣洩漏所造成,此種漏氣造成的多為起火爆炸等傷害。中毒的傷害多是燃燒不完全所
產生的一氧化碳,使受害者昏迷而後缺氧致死,應該稱為「一氧化碳中毒」。許多廠商特別
強調使用電熱水器時不燃燒氧氣,所以不會有一氧化碳中毒;而且電熱水器效率高達90%。
所以應該大力推廣電熱水器嗎?

這問題跟電動車類似,但答案就是「否」!瓦斯熱水器直接將瓦斯燃燒加熱水,只經一次轉
換。現在的瓦斯熱水器加熱效率都很高,國內規定是70%以上,有節能標章的更在80%以
上。若改成瓦斯→火力發電→電熱水器加熱水,多了一層轉換,多損失一些能量!以一般發
電廠效率35~50%,電能加熱效率90%,整體效率最高 32~45%!遠低於瓦斯熱水器的80%。況
且瓦斯發電的成本最高!相對而言,使用電熱水器浪費了約一半的能量,所以不但不應該推
廣,甚至應該以高稅率抵制使用。

再生能源與綠色能源

再生能源指的是可以重複出現、永續的能源;綠色能源通常是指汙染少、排碳低、對環境友
善的能源。一般人經常混淆兩者使用,以下探討一些兩者不同的思維。

地熱
地熱使用地球內部源源不斷的能量,所以可以當成永續能源嗎?地熱的溫水或蒸氣原本蓄積
在地層中,當這些地下水被引出後,若無適當地面水的挹注,地下水源也會枯竭。這些地熱
點通常出現在地殼斷層或火山附近,這些不穩定的地質結構可能使熱源轉移,並非永久存
在。例如1980年代美國加州曾使用地熱發電,到1990年代後就因地下水源枯竭而逐漸停止運
轉。最近才開始使用高壓灌水至地熱層,重新開啟使用。雖然此法可再生蒸氣,但需耗用大
量的水,並非永續經營的方式。地熱雖是綠色能源,但並非永續再生。

風力
風力發電是僅次於水力,技術成熟、成本低廉的再生能源!近年來民眾開始反對設立風力發
電機,主要問題是低頻噪音與眩光影響附近居民與生物的睡眠與精神,風機也可能造成鳥
擊。這些問題可以藉由強制規定風機設置地點,須遠離民宅與生態敏感地區來解決。另外臺
灣夏秋兩季常有颱風,風機在強風吹襲下,可能造成葉片斷裂飛出,塔柱傾倒,或煞車系統
過熱燒毀等安全問題。風力雖是再生能源,卻也有許多對環境不友善的副作用。

風力發電攔截了風的部分能量,可能造成氣候的微小變化。有一項研究顯示風機造成區域夜
間溫度上升。德州中西部有著世界上最大的四座風力發電廠,檢視附近一萬平方公里的衛星
影像後發現,從2003年到2011年的夏季,超過95%的時間中有風機的區域較沒有的區域夜間
地表溫度平均高出0.65°C。但此現象是否是熱島效應在風速降低時散熱較差所造成?還是有
更深層的意義?另一項研究模擬美國中西部佈滿風機,用全球對流模型模擬全球氣候變化,
發現美國中西部的風機陣列與北大西洋的氣壓分布產生連動性變化,足以造成氣候的變異。
風機對氣候是否有著蝴蝶效應的影響?類似的現象也可能出現在洋流發電上。這些仍是熱烈
探討中的課題,仍無定論!

太陽光電
太陽光電直接將光能轉換成好用的電能,矽晶圓的太陽光電板壽命長(>10年),似乎是最
佳的綠色能源!不過太陽能的能量密度低,太陽光電板效率仍低(<20%);因此太陽光電
需要占用大量面積,可能與農業生產、照明等產生衝突。

太陽光電產電時不產生CO2,因此被認為是綠色能源,這是跟電動車一樣的假象!因為製程耗
費相當多能量,因此成本高昂,考慮整個生命週期(原料→製造→使用→回收)時,產生每
度電約製造38 g CO2。臺灣的日照量較少,若用效率10%的光電板為例,30年所發的電不一定
能抵銷生命週期所耗用的電。此外矽晶圓的光電板製造時需要用到許多毒性物質!薄膜型雖
然比較安全,但效率更低、壽命更短。

以反核團體常提及的光電雞舍為例:投資一千萬元於太陽光電廠,每年可以售電給台電賺取
約106萬元,該系統試算的效率約16%。以年利率3%計算,要到第15年時才開始賺錢!更何
況台電收購太陽光電是以8.6元/度計算,是市價2.7元/度的3.2倍!這種虧本生意是靠政府補
貼,並非永續經營的方式。若是以相同價格收購電力(例如以太陽光電提供家庭自用),回
本時間最少要增加3.2倍,或者是要運作48年才划算!此案例即可證明這種低效率高耗能的太
陽光電並非綠色能源,因為它是一種負能源:以現在或本地低成本的能源製造太陽光電板,
然後在未來或外國生產更貴的電使用!因此目前仍非大量推廣使用太陽能的最好時機,需要
再等更高效率、製程更低耗能的太陽光電的出現。

生物質或生質能
國際能源總署2009年的統計顯示生質能(biomass energy)佔總能源的10%,但最大量的生物
質(bio-mass)使用仍是直接燃燒!製作生物酒精(bioethanol)、生質柴油(biodiesel)等
生質燃油的比例仍相當低。第一代生質燃油使用玉米、澱粉、蔗糖等食物,引起「拿窮人的
食物去做富人的燃料」的道德批判。第二代生質燃油改用農業廢棄物、纖維等非食物。纖維
素難以分解,醣類多為穩定化合物,有賴微生物或酵素分解,不是效率太低,就是需要消耗
更多能量。有研究指出這些生質能都是負能源!但是未來海空運輸仍無法替換掉燃油,故生
質燃油仍有發展必要。

生物質跟氫氣一樣是能源攜帶者,只是將太陽能儲存在生物質內。生質能與太陽光電兩者都
需要大面積的土地。現代企業化經營的農業,大量仰賴石化工業所提供的肥料與能源來耕
作、運輸等。生產一份能量的食物需要一成的太陽能與九成的石化物質能量。當石油短缺
時,如何填補這九成的缺口?肥料可用生物質回收製作有機肥,再度回到食物鏈,但過程中
總是會有損耗。運輸可用生質燃料,但需要額外的土地種植作物。全部靠太陽時,最少需要
用1/0.1=10倍的土地才能維持相同的產出!土地成為維持糧食生產與人類生存最重要的資
本!那時還有多少農地可以做為太陽光電使用?有遠見者,應該知道現在把農地變成工業區
與豪宅的政策是多麼離譜的作法!。

結論

能源教育是科學素養的一部分。當民眾在作社會重大議題的判斷時,科學素養就是抉擇背後
的原理。本文澄清幾項能源的誤解,希望能有助於社會大眾在面對如核四公投等能源相關議
題時的正確抉擇。

(本文摘錄自作者在2013年中華民國物理教育聯合會議的報告,全文將另行投稿。)

(作者任教於聯合大學能源工程學系、通識教育中心)

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