陳玉彬 副教授

      國立成功大學機械系

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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：

1. 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。
2. 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。
3. 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」。
4. 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：

1. 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。
2. 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%。
3. 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.