【潔能講堂】「能」的來龍去脈 / 吳明勳 副教授

Transcript

1. 「能」的來龍去脈 Ming-Hsun Wu 吳明勳 Department of Mechanical Engineering National Cheng Kung University 國立成功大學機械工程學系 1 Kaohsiung, Taiwan Oct 21st, 2023
3. Energy 3 能源 能量
4. 主題一 能量的形式 4
5. 5 系統儲存能量 – 靜態的能量形式 系統總能 Total Energy 內能 Internal Energy 動能 Kinetic Energy 位能 Potential Energy
6. 6 能量交換 – 動態的能量形式 功 Work 機械功 電功 磁功 流功 ... 熱 Heat • 溫差為驅動力 • 三種傳遞方式： 傳導、對流、 輻射 If there is no movement, no work is done.
7. 7 能量守恆定律 – 熱力學第一定律 系統能量改變 傳入系統的熱 系統對外所做的功 ∆Ε = ∆U + ∆KE + ∆PE = Q – W 功率 Power 能量 Energy W Q dt dE   − = Time rate form 系統能量 改變率 傳入系統 熱功率 系統對外 作功率
8. 功率與能量 8
9. 熱力學第二定律 Clausius Statement It is impossible for any system to operate in such a way that the sole result would be an energy transfer by heat from a cooler to a hotter body. 9 Kelvin-Planck Statement It is impossible for any system to operate in a thermodynamic cycle and deliver a net amount of energy by work to its surroundings while receiving energy by heat transfer from a single thermal reservoir.
10. 10 理想熱力循環– 卡諾循環 Carnot Cycle H C max 1 T T − = η • 實際熱力循環最高效率不超過卡諾循環效率 • 卡諾循環效率由熱儲溫度與冷儲溫度決定 TH = 127 oC = 400 K TC = 27 oC = 300 K η = 1-300/400 = 0.25
11. 主題二 能源的分類 11
12. 台灣有多少百分比的能源來自進口? 1. 38% 2. 55% 3. 79% 4. 98% 12 110年台灣進口能源總值475.6億美元，平均每人2024美元 (~ 60,000台幣)
13. 氫能的主要來源為何? 13 水電解 天然氣裂解 氫礦 有機物解離
14. 14 初級能源 vs. 次級能源 | 再生能源 vs. 非再生能源 根據聯合國環境規 劃署(UNEP)的定義， 再生能源係指理論 上能取之不盡的天 然資源，過程中不 會產生汙染物，例 如太陽能、地熱能、 水力能、波浪能、 海洋能、生質能、 風能等，都是轉化 自然界的能量成為 能源，並在短時間 內就可以再生。 能源的分類
15. 15 初級能源 化石能源>90%
17. 哪些能源是進口? 哪些是自產? 自產 天然氣 0.06% 原油: 0.08% & 再生能源屬自產能源，對台灣建 立能源安全與自主至為關鍵， but ... 再生能源
18. 18 能源統計常用單位 TOE: Tonne of oil equivalent KLOE: Kiloliter of oil equivalent
19. 19 計算電量的單位 – 度 • 度 = 千瓦∙小時 = 瓩∙小時 = kW∙hr • 那「瓩」這個字怎麼打? • 倉頡：瓩（一弓竹十） • 嘸蝦米：瓩（WGJ） • 新注音：就要靠多功能前導字元鍵 「`」 →位置在電腦鍵盤左上方Esc的下 方 • BIG5內碼：`BA260 →打260要用 鍵盤左邊的數字鍵 • Unicode內碼： `U74E9 • 1度即以1000 W功率工作1小時所消耗 的能量
20. 20 World Fossil Fuel Production and Primary Energy - World Energy Data 國際初級能源供給 現況與演變
21. 21 World Final Energy - World Energy Data
22. 5% 4% 26% 20% 22% 22% 32% 27% 15% 28% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 2018 2050 quadrillion British thermal units 0 50 100 150 200 250 300 2010 2020 2030 2040 2050 history projections renewables petroleum and other liquids natural gas coal nuclear Global primary energy consumption by energy source (2010-2050) quadrillion British thermal units 直至2050全球能源仍將高度仰賴化石燃料 Source: U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2019 Reference case
23. 主題三 能源的轉換 & 電力 23
24. 總供給 ≠ 總消費 Why? 14,397 – 8,936 = 5,461 5,461/14,397*100% = 37.93% + (8%) Overall 35.2% Conversion Efficiency Overall 21% Efficiency 62.7% rejected
25. 主要次級能源
26. 26 內能→動能→電能 位能→動能→電能 動能→電能 輻射熱→電能 內能→電能 (位能) →動能→電能
27. 27 熱力循環 • < 卡諾效率 • 因真實世界各式損耗(不可逆性)， 實際循環效率常遠低於卡諾效率 • 降低損耗、提高熱儲溫度、降低 冷儲溫度為提升循環效率之手段 風力發電 • 理論極限Betz limit: 59.3% • 實際可達理論極限的75-85% 太陽光電 • 多晶矽 14-19% • 多接合型(multi-junction) > 40% 發電系統能量轉換效率
28. 非熱力循環發電方式 28
29. 29 認識太陽光電板 基於熱力循環
30. 30 1 kW 晶矽太陽能板使用面積~ 10 m2 (~ 3坪) 1 kW silicone solar panel requires 10 m2 (~ 3 ping) in Taiwan 3,300,000 kW needs at least 33,000,000 m2 = 33 km2
31. 31 找找看這則新聞哪裡有問題? 這條長3.6公里太陽能高速公路，位於比利時，一年發電量330萬千瓦! The 3.6 km long solar highway in Belgium generates 3,300,000 kW (3.3 GW) electricity per year! • Cool! • Put it on all highways? • No more coal, gas and nuclear powers necessary? BUT!  Wrong unit!  Required area for the stated power is unreasonable!
32. 32 認識風機
33. 33 波浪發電 認識海洋能
34. 34 燃料電池
35. 熱力循環發電 35
36. 36 朗肯循環(Rankine Cycle) – 火力發電 煤、石油、天然氣 生質物、廢棄物
37. 37 朗肯循環(Rankine Cycle) – 核能發電
38. 38 朗肯循環(Rankine Cycle) – 太陽熱能發電
39. 39 朗肯循環(Rankine Cycle) – 地熱發電
40. 40 布雷頓循環(Brayton Cycle) – 燃氣渦輪發電 • 工作流體在循環中皆保持氣態， 未經過兩相區，為燃氣循環 • 朗肯循環中工作流體經過液氣兩 相區，因此為一種蒸氣循環
41. 41 複循環發電
42. 42 燃煤發電
43. 43 複循環發電
45. 發電特性的影響 再生能源 vs. 非再生能源 45 電力不易大規模儲存，需即發即用
46. 46 漫談電業發電機組容量因 數(Capacity Factor) 基載電源：應付系統 負載基載24小時連續 用電部份，以變動成 本(燃料)便宜為優先。 中載電源：供給系統 負載中載部份，機組 特性必須可隨生活、 上下班、工商作業作 息用電而變動。 尖載機組：僅供給短 時間電力，必須可短 時間解併聯的特性 核能、燃煤、風力、 川流水力 燃油、燃氣、複循 環、調整池水力 抽蓄水力、氣渦輪 機、(太陽能)
47. 47 漫談電業發電機組容量 因數(Capacity Factor) 發電設備容量因數(%)= 特定時間內發電廠(或機 組)之平均負載(包括廠 內用電)與其平均裝置容 量之百分比。 = (平均負載/平均裝置容 量)×100
48. 48 漫談電業發電機組容量 因數(Capacity Factor) • 發電系統的成本結 構與經濟規模差異 • 可工作的時間不同 • 併聯所需時間不同 • 核能:數日 • 燃煤:6小時+ • 燃氣:2小時+ • 水力:數分鐘 • 在不同時間發出的 每度電價值是否相 同?
49. 燃料排 放係數 49 經濟部能源局 燃料燃燒之 二氧化碳排放 統計與分析2022 年版
50. 各部門CO2 排放量
51. 51 能源轉換效率 – 以電動車為例 • 電動車比較節能嗎? • 電動車比較環保減碳嗎? • 全部改用電動車，電夠嗎？台灣會缺電嗎?
52. 110 年 (2021年)
56. 56 電動車比較節能環保嗎？ https://www.greenbiz.com/article/designing-tesla-building Well to Wheel (WtW) Efficiency
57. 57 https://www.semanticscholar.org/paper/Comparison-of-the-Overall-Energy-Efficiency- for-and-Albatayneh-Assaf/0ac445cc62dc956c8fb5a1a3bfcbfa69eb68c6ce
58. 你理想中的發電配比? 58
59. 59 電力不易儲存，需即發即用(電力調度) 地域需求及輸配電系統限制 大量間歇性能源的導入 各類發電系統之操作特性 發電成本 環保限制 • 電力夠用嗎？ • 未來總用電量需求持續成長情況下，如何滿足用電需求？ 需量管理、汽電共生、儲能 碳排
60. 60 2022/7/20 Summer ~ 40 GW 2023/1/15 Winter ~ 23 GW
61. 61 https://www.taipower.com.tw/tc/Chart.aspx?mid=194
62. 62 台灣電力來源演變
63. 63 1. 請建構一個至少可符合下圖全年度 電力負載需求的發電能源配比 挑戰 2. 告訴大家選擇此配 比的考量跟原因 3. 通過考驗關卡檢驗 (Hint: 排碳量、失 效….) 優勝!