回收廢熱生電於本國工業節能之契機與挑戰
陳玉彬 副教授
國立成功大學機械系
由於台灣缺乏天然資源,我國近年能源供給約98%仰賴進口[1],而工業部門能源消費占比約38.56%(民國100年[2]),故「工業節能」的推廣一直是國家能源政策重要目標之一,其成效更與整體經濟成長、環境永續、能源安全密不可分。回顧近年我國能源政策,與「工業節能」直接相關項目羅列如下:
- 2008年行政院通過「永續能源政策綱領」[3],「提高能源效率」為其三大目標之一,每年需提高能源效率2%以上,使能源密集度於2015年較2005年下降20%以上,2025年則下降50%以上。
- 2010年5月行政院核定「國家節能減碳總計畫」[4],十大標竿方案中便包含「營造低碳產業結構」,其下之標竿型計畫參與部會包括:經濟部、科技部與農委會。
- 2011年11月政府頒布「新能源政策」[5],針對需求面向的節能減碳訂定四項措施,其中之一是「加速產業結構轉型與強化能資源有效運用」。
- 2012年10月政府核定「能源發展綱領」[1],揭示國家未來能源發展方向。其中,「效率」為三核心思維之一,並針對工業等(需求端)訂定方針「分期總量管理」與「提升能源效率」。
工業節能除了在上述政策中有重要地位外,它也是政府科技研究重點支持項目之一,包括「能源國家型科技計畫」與經濟部能源局下轄科研計畫,概述如下:
- 2010年由科技部(原行政院國家科學委員會)規劃提出第一期能源國家型科技計畫[6],「節能減碳」為四分項之一,而「工業節能」包含於其中。
- 2013年由科技部繼續提出第二期能源國家型科技計畫[7],六大主軸計畫之一便是節能主軸,其五年經費(82.6億新台幣)約佔政府投資總額的24.4%。
- 經濟部能源局計畫常年以「推動產業節能減碳」為四項任務之一[1],2013年科研計畫中四項重點領域中,與工業節能相關者佔一半,包括「節約能源技術研發」與「能源效率提升及節能技術服務」兩者。
由上所述,工業節能在我國能源政策與科技上佔有舉足輕重的地位。但由於台灣工業並非均衡發展,而各產業能源消耗量差異甚大,加上廠商規模與地域分布不同,節能作法需深入探究以得全貌,而後才可對症下藥。依照2013年製造業能源查核年報[2]披露資訊,能源大用戶(電力契約容量超過800kW)申報計有3,242家廠商,總耗能為40,255千公秉油當量(含能源部門自用),占國內能源消費量之36.09%;工業部門大用戶總耗能33,415千公秉油當量(不含能源部門自用,共3,187家),占國內能源消費量29.96%。以細部產業區分,耗能前三名及所佔比例為化工業(23.1%)、電機電子業(21.9%)及金屬基本工業(12.8%)。再以三產業之節能成效分析而言,2012年共同主要節能投資項目為「製程設備」,此外,電機電子業亦投注等量經費於「空調系統」及「照明系統」中。不過,若以節能成效而言,對化工業及金屬基本工業仍是以「製程設備」為最佳,僅電機電子業以「空調系統」有較佳成效。所以,節省製程設備中的耗能可說是工業節能的關鍵,其主要技術依2014年能源產業技術白皮書[1]提到有:冰水空調運轉最適化、馬達動力設備最適化運轉、燃燒爐最佳化操作、壓縮空氣乾燥設備、高效率馬達動力機械關鍵技術開發與推廣、固態熱電發電技術及中低溫廢熱回收發電技術等七項。而「廢熱回收生電」佔其二,加上各產業殘餘熱能每年可達900億度(台電年發電量40%),透過廢熱回收再次發電以達到工業節能不僅重要,前途也大有可為。
廢熱回收生電作功具體作法大致可分為三類:固態熱電發電[8]、有機朗肯循環[9]以及熱光電[10],以下簡述各自操作原理與現有技術瓶頸。首先,固態熱電發電技術係利用以半導體為主材料,利用摻雜物的不同及元件串接,產生電荷不均勻分布,再以溫差驅動電荷累積於兩電極,之後可外接迴路作功,如圖一所示。其技術瓶頸在於材料的操作溫度範圍選擇不多泛用性欠佳,另外便是生電效率非常低,不具規模經濟價值。其次,有機朗肯循環是朗肯循環(Rankine cycle)的一種,其工作流體為有機溶劑,沸點可隨液體而不同,故可針對工業界不同熱源溫度作選擇。而典型的朗肯循環如圖二所示,也是大部分電廠利用水蒸氣推動渦輪葉片發電作功所使用的循環。此項技術瓶頸一是在於熱交換效率偏低,葉片也需一定大尺寸作功才產升經濟價值。最後,熱光電效應(thermophotovoltaic effect)與熟知的光電效應或光伏效應(photovoltaic effect)雷同,均是入射光的光子能量被材料吸收,將其轉成電子電洞對分離所需的能量,再利用內建電場將電子電洞分別驅動至兩端電極,外接迴路後作功。而兩效應差別在於,熱光電效應之目標光子能量較小,以紅外光為主,針對的是一般人造熱源所釋放出熱輻射強度之峰值,而非太陽光譜峰值所在可見光波段。熱光電發展瓶頸一是在於熱光電板能階較低,適合材料取得不易,製作成本遠較泛用之矽光電板昂貴,二是放射源放射不具指向性,且頻寬甚寬,使熱光電回收廢熱生電效益偏低。
由於上述三項技術均有不同技術瓶頸,涵蓋熱學、電學、半導體物理與材料科學等,加上不同目標工業特性與操作條件,實現其中一者已是高難度挑戰。唯有仰賴政府、產業、學界乃至法人或其他科研機構之齊心協力,才有望突破瓶頸,成功大量回收廢熱以生電作功,造成我國工業節能甚至整個能源使用上的明顯效益。
參考文獻:
[1]經濟部,2014年能源產業技術白皮書,2014。
[2]能源資訊網http://emis.erl.itri.org.tw,2013年製造業能源查核年報,2013。
[3]經濟部,永續能源政策綱領(核定本),2008。
[4]行政院,國家節能減碳總計畫(核定本),2010。
[5]經濟部能源局,100年經濟部能源局年報,2012。
[6]能源國家型科技計畫辦公室,國立台灣大學能源研究中心,能源國家型科技計畫第一期程總成果手冊,2013。
[7]科技部,第二期能源國家型科技計畫總體規劃報告書(核定本),2013。
[8]Z.M. Zhang, Nano/Microscale Heat Transfer, 2007.
[9]R.E. Sonntag, C. Borgnakke, and G.J.V. Wylen, Fundamentals of Thermodynamics, 2003.
[10]S.O. Kasap, Optoelectronics and Photonics Principles and Practices, 2001.