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教育部未來想像與創意人才培育計畫

未來能源科學動手做 補助單位：教育部 分享者：蔡振明

PPT 及教具製作說明書下載： 科學教育 跨縣市 創意社群→檔案教材

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課程概要 ( 一 )( 一 ) 能源簡介 / 未來能源使用型態( 二 ) 未來能源可燃冰 ─ 甲烷冰或天然氣水合物 淨煤 ─ 煤的氣化、碳的補獲與封存氫能 ─ 燃料電池、能源載體、 P2G 儲電生質能 ─ 彈性燃料汽車、沼氣公車、稻稈變酒精太陽熱能發電 ─ 史特林引擎發電、液體介質發電太陽光電 ─ 追日聚焦式太陽光能發電 海洋能 ─ 溫差發電、鹽差發電、波浪發電、流能發電、潮汐發電地熱 ─ 天然地熱發電、人造地熱發電風力 ─ 離岸風力、壓縮空氣汽車、熱泵釷核能 ─ 第四代核能核融合 ─ 能量最大、技術最難的發電振動能源利用 ─ 壓電陶瓷

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課程概要 ( 二 )( 三 ) 未來節能科技電力儲存 ─ P2G 儲電區域供冷供熱 ─ 節約供冷供熱能源 50 ％智慧電網 ─ 節約 15 ％用電建築節能 ─ 雲端節能、溫度調節、節能建材 / 工法 ( 四 ) 生活節能減碳節能省錢小妙方─居家節能省錢小妙方─交通節能省錢小妙方─ 燈具的選擇節能省錢小妙方─飲食節能省錢小妙方─雨水保存，利很大！

誰是未來能源的盟主？木材 (150萬年)→煤炭 (100年 )→石油 (70年？ ) →再生能源( 核融合？ )石油在 1965年超越煤炭，成為世界能源盟主，煤炭可能在 5 至 30年內東山再起？ 想像一下：再生能源會如何影響未來的能源價格與環境品質？

誰是未來發電方式的盟主？ 電磁感應( 目前 95%以上，危機、危害？) 電化學：燃料電池( 未來最多？ ) 為何？

光電效應( 光伏效應 ) ：太陽能板 壓電效應： PZT ( 壓電陶瓷、壓電晶體 )

http://www.youtube.com/watch?v=l3fU982Tiu0

（日本壓電材料發電橋） 2.5

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家用型發電系統 氫─質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 甲醇─直接燃料電池 (DMFCs) 甲烷─固態氧化物燃料電池 (SOFC)一台家用型 SOFC 發電機 (2kW) ，每天可發

電 48度，目前台灣 300萬天然氣 ( 主要成分：甲烷 ) 用戶皆可裝設。

想像一下：用戶自行發電，對台電的影響？

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( 一 ) 能源簡介 http://info.taipower.com.tw/ （台電舊網）

廣義的能源：可以「作功」的資源，功 = 力 x 距離 ( 教具操作 4 項 )

接觸力：推力、拉力、摩擦力、彈力等 非接觸力：磁力、引力、靜電力等 狹義的能源：一、耗竭性能源：化石能源 ( 煤、石油、天然氣、可燃冰等 ) 、核能二、非耗竭性能源 ：再生能源， 可循環使用的能源。包括： 「風」力、「水」力、「生」質能 「地」熱、「太」陽能、「海」洋能三、潔淨能源：再生能源、氫能、淨煤等想像一下： 還有更好的分類方式？

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能量轉換( 教具操作 2 項：位能 ( 勢能 ) → 動能，動能→熱能 )

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能量混亂 ( 失序 ) 能的總量雖然不會因轉換而消失，但是它卻無法完全轉換成我們需要的形式。

例如：石油 ( 100 J ) → 發電廠 ( 35 J ) → 輸電線路 →家庭 ( 30 J ) → 電器用品 ( 10 J ) ( 教具操作 1 項 )

如何降低能量混亂，增加能源效率，是人類共同努力的方向──請依據「節能標章」及「能源效率標示」選購產品！

想像一下：增加能源效率，您能做哪些事？

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( 二 ) 關於未來能源 未來人類的工作內容與相關知識，有 60％目前

尚屬未知。 想像一下：這將使那些能力更形重要？ 為適應知識「一日千里」的變化，人類需對未來

具備想像能力，它是目前教育的關鍵能力之一。 現代生活離不開能源，我國每人平均隨時需要一

千瓦電力，亦即每人每天約需要 24度電以維持正常生活（約燃燒 12公斤的煤）， 因此瞭解未來能源相關知識，有其必要性。

http://info.taipower.com.tw/ （台電舊網）

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可燃冰（教具操作 1 項）

可燃冰又稱為甲烷冰或天然氣水合物 蘊藏於水深超過 300m海洋沉積層，或是深度超過 800m 的極地大陸沉積岩等。

可燃冰使用後排放的二氧化碳約僅石油的一半。 目前它被世界公認為「尚未開發」的重要新能源，也是未來代替石油的能源之一。

想像一下：這會使國際的「海權爭奪戰」白熱化？http://www.youtube.com/watch?v=ZQHa4ZibEaA （我國民視） 2 分 50 秒http://www.youtube.com/watch?v=AyFE4fnzNmQ （大陸央視）http://www.youtube.com/watch?v=NErYp1V2_FQ （大陸央視）

淨煤 洗煤：除去礦物質、灰份、硫等。 煤氣化後燃燒：氣化後主要為甲烷與氫。 純氧助燃：可增進完全燃燒程度。 複循環發電 :(1)燃氣推動氣渦輪機發電。 (2)氣渦輪機的煙道氣 ( 約 1200 ℃) 產生水蒸 氣 (600℃ 、 300大氣壓) 供蒸氣渦輪機使用 二氧化碳捕獲與封存於油田、地層、海底等 淨煤示範發電廠，最高能源轉換效率約為 60％

，而一般燃煤電廠效率約僅 35％。 http://www.youtube.com/watch?v=wtiAIk2RRnQ （我國東森） 2 分

註：發電成本（約）：風力、核能、煤 2 元、燃氣 4 元、燃油6 元、太陽能 8 元

氫能（教具操作 3 項）

氫是世界公認：未來能源最主要的載體 (carrier ) 氫的來源：水、甲醇、甲烷、微生物、光觸媒、有機廢棄

物等。 氫能產品原理：（ 1）燃料電池( 電化學反應：電子轉移產生的化學反應 ) 氫 →質子交換膜→＋氧→電＋水 (PEMFC 式 )

氫的儲存：高壓或低壓儲氫、碳材、合金、氨、苯（ 2）氫燃料 水 →電解 →氫 + 氧 →氫可燃燒( 排水集氣 ) 2H2O → 2H2↑+ O2↑ 想像一下：豐田將於 2015年量產氫汽車( 售價約美 金 7 萬 ) ，您認為後市如何？ http://www.youtube.com/watch?v=cCSjEGN9Y0Y （我國民視） 3 分 40 秒

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生質能（教具操作 1 項）

植物、沼氣、有機廢棄物產生的能源，例如：生質燃料（ E3 、 B2）、沼氣、微藻、纖維 ( 稻殼、稻稈 ) 等。想像一下：生質能與糧食，是否有衝突？為何？ http://www.youtube.com/watch?

v=2wbaHCXPVb0&playnext=1&list=PLD5F985B65C4B02F8&feature=results_main（ 大愛電視 6分鐘，生質能源討論）

http://www.youtube.com/watch?v=U6Cj4VgjWX4 （從廢棄炸雞油自製柴油） http://www.youtube.com/watch?v=f8gxx042ySg （中醫師酵母菌自製柴油） http://www.youtube.com/watch?v=r6wyVIpSa5Q （微藻製柴油） 4 分鐘

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太陽熱能（教具操作 3 項）

凹面鏡 →集熱 →直接啟動溫差引擎 ( 或加熱：水、鹽、合成油等介質，使水氣化 ) →帶動發電機 →發電

太陽能塔 →加熱空氣 →產生上升氣流 →推動發電機 澳、美、義、西班牙等國已發展此類新能源。 http://www.youtube.com/watch?v=CdGM3f6wCls （史特林太陽熱能發電） 3

分 http://www.youtube.com/watch?v=LS5NHWnkfYQ （拋物線＆太陽能塔） http://www.youtube.com/watch?v=YXMcWQuW004 （英國零碳社區6分鐘

）

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太陽光電（教具操作 2 項）

太陽光能 →晶矽→電能（世界最大生產與進口國：中國） 晶矽分類：單晶矽、多晶矽，皆由二氧化矽提煉純化

而成。 ( 我國預定 2030 年完成陽光屋頂百萬座計畫 )

晶矽以外材料：薄膜、光化學、染料敏化等 以色列聚焦光電（ CPV），效率達 70 ％，世界第一。想像一下：我國能如期完成「陽光屋頂百萬座」計畫？ http://www.youtube.com/watch?v=60oDduqMQEM （亞洲最大追日發電） http://www.youtube.com/watch?v=CHEZdZS4oaY （窗戶發電）

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海洋能（教具操作 1 項）

海洋溫差、鹽差、波浪、潮汐、洋流能想像一下：我國再生能源的發展，為何獨缺海洋能？ http://www.youtube.com/watch?v=6q_moDHUu7M （溫差能與波浪能） 3 分 30 秒切斷 http://www.youtube.com/watch?v=uYtQYR8ysqk （黑潮流能） 4 分 10 秒

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地熱 地熱：指含於土壤、岩石的蒸氣或溫泉能源。 人造地熱：地底皆有炙熱的岩層，因此即使目前沒有地熱資源的區域，全球有 60 ％的地區，可利用鑽井技術，創造地熱能源。

地下取熱：地層每下降百公尺，溫度約升高3℃ ，寒冷地區可由地下取得熱源。

http://www.youtube.com/watch?v=OtzD5Dtc--8 （地熱簡介） http://www.youtube.com/watch?v=f7OftcdBxjw （冰島地熱） http://www.youtube.com/watch?v=-ArHkZuPTIM （澳洲人造地熱） 1 分 40 秒

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風力（教具操作 2 項）

丹麥、中國、德國、西班牙、美國已廣設風力發電。其中丹麥的風力發電量，約佔全國總電量的 25 ％；美中日風力發電總量世界前茅。（我國 2030 年完成「千架海陸風力機」計畫）

利用空氣的減碳新產品 1. 磁浮風力發電機 2. 壓縮空氣汽車─空氣可以推動活塞，還產生？ (凝結

核 )

http://www.youtube.com/watch?v=E2ZxbQGbIRk （丹麥風電） 3.5 分鐘http://www.youtube.com/watch?v=r12kCGp7diI （我國風電抗議事件）http://www.youtube.com/watch?v=bURL3nRYwMQ （壓縮空氣汽車） 1 分鐘http://www.youtube.com/watch?v=wFF9l-jpAoE （ 熱泵熱水器 3.10 開始） 1.5

水力指利用河川湖泊之自然水量與落差做為能源。

至於抽蓄式水力（如：明潭與大觀發電廠），是利用剩餘電力，把水抽往高處貯存，它是電力的儲存方式之一，依法不被視為再生能源。

想像一下：抽蓄式水力儲電與 P2G 儲電，各有何優劣？ 何者適合我國？

http://www.youtube.com/watch?v=CX-VB2IHAG0 （台灣水力發電）http://www.youtube.com/watch?v=MHFFzEHiYZM （中國水力發電） 3 分鐘http://www.youtube.com/watch?v=rq2C1bVdf2I （中國對水力發電的討論）

第四代核電──釷核電 優點釷蘊藏量為鈾的 4倍，可供電超過1000年。它是較潔淨、安全

的核燃料，建廠快 (3年 ) ，造價廉 ( 鈾電廠的 1/5)。核廢料是鈾的 1/1000，且產生大量副產品 ─「氫」。

缺點 ( 釷 232→中子射擊→鏷 233 →鈾 233)

反應爐最終仍需要鈾 233來進行核分裂，核廢料仍然有輻射存在，處理技術未成熟。

想像一下：釷核電明顯優於鈾核電，為何目前世界各 國仍然以鈾核電居多？中國在 2030年代， 30%電力來自釷核電，會如何影響我們？第一代：早期的原型堆电站、第二代：大型商用核电站、第三代：輕水堆核电站

核融合兩個質量小的原子，例如氘（重氫）和氚（超重氫），在一定條件下（如超高溫和高壓），會發生原子核互相聚合作用，生成中子和氦，並伴隨著巨大能量釋放。

但因人類無法確實掌握高溫和高壓等條件，所以目前尚處於研究階段，主要技術有磁約束、雷射等。核融合是投資金額第二的「國際研究計畫」，僅次於太空計畫。

太陽是使用氘的核融合產生能量。想像一下：太陽核融合僅需攝氏 1500萬度，而人類的核融合卻需要 10倍的溫度，為何？ http://www.youtube.com/watch?v=ZRvHsJlgr8Q&playnext=1&list=PLFA4BBC5E0BA7D983&feature=results_video （核融合） 2 分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=KFmNcB5_YHo （核融合原理）

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振動能源利用─壓電材料（教具 1 項）

壓電陶瓷主流材質是鋯鈦酸鉛（ PZT），這種材料很容易把機械能轉換為數萬伏特的高壓電能，因此可鋪設於人潮或車潮多的地方，收集振動能以產生電力。想像一下：振動能源的收集，可能碰到哪些困難？http://www.youtube.com/watch?v=4ZeTOWKlU2Q （ 壓電材料 PZT）http://www.youtube.com/watch?v=l3fU982Tiu0 （日本壓電材料發電橋） 2.5 分

下圖說明：人潮擁擠的東京地鐵，需要「助推員」幫助，才能關門開車。

( 三 ) 關於未來節能科技 智慧電網─電力產銷達到最佳化，並創造「有感用電」：當我們清楚各種電器的耗電狀況，可立即節能 20 ％。

智慧綠建築 ─台達電桃三廠，可節能達55 ％，節能設備費用 2 年可回收。

集體供冷供熱 ─節能 50 ％ 利用雨水或海水沖廁，可節約自來水 35％。

區域供冷供熱全球能源最大的消耗項目─空調。如果能採取區域集體供冷供熱方式，約可節省 50 ％的空調能源。想一想：總統選舉，提出此政見，是否會增加選票？http://www.youtube.com/watch?v=zJj25-XkzmQ （焚化爐區域供冷供熱） 2 分鐘http://www.youtube.com/watch?v=ehgsu9GEIoA （哈爾濱污水供冷供熱）下圖說明：東京新宿的區域供冷供熱設施

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智慧電網智慧電網約可節省 15 ％電力消耗，主要原理如下：1.適時適量發電，電力分配最佳化，避免「要 5 毛給 1塊」的不合理現象。

2.約可減少 35 ％的停電事件。 (2011年德國停電 3 分鐘以上，超過 2 萬次 )

3.創造「有感用電」─ 讓大家知道：哪些電器正在不合理耗電，以便立即進行管理。（研究顯示：有感用電，可立即節能約 20 ％）

4.用電檢查與建議：例如竊電、漏電等警告。（每年竊電：彰化 3 億、屏東 1 億）

5.提醒大家該在什麼時段用電最便宜？註：我國 2.3萬高壓用戶，約佔全國用電量的 60％，已換裝智慧電表。http://www.youtube.com/watch?v=tdXX1AWJATI （資訊工業策進會對智慧電網說明） 6 分鐘

建築節能 建築物消耗全球約 50 ％的能源！ 建築節能重要項目： 溫度調節、通風、採光、雨水利用 高效率馬達 IE2(2015) 、 IE3(2016) ，約節能 15 ％ 節能建材： 可回收建材、再生建材、低幅射玻璃等 能源保全公司 ( 雲端節能系統 ) ─已商業化服務，例

如，喜士多公司。→想一想：這種生意會好嗎？ 歐盟建築法規： 2020年「辦公室」零碳建築 台達電綠建築：空氣預冷、電梯下降發電等 http://www.youtube.com/watch?v=rFGV-r1hkUM （台達電智慧綠建築） 10 分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=bqOKe4uUtmA （綠建築） http://www.youtube.com/watch?v=dqoLSiLseVI （成大魔法、雨水、通風、免空調）

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電力儲存 德國電力儲存：2012.5.4晚間 9.00-9.30， SMART 電視台「知識探奇」節目報導：世界首座「剩餘電力儲存廠」將於 2013年在德國開始運轉，其原理是利用剩餘電力把水電解，產出的氫再與二氧化碳合成甲烷儲存。它並不是甲烷製造廠，而是保留國家重要電力的「儲存廠」 (P2G 廠 ) ！ 台灣電力儲存：http://www.youtube.com/watch?v=bJ70O54uF24 （台灣抽蓄式水力發電） 2 分

( 四 ) 關於生活節能減碳

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世界總產值與二氧化碳增加趨勢 要課程概要課程概

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節能省錢小妙方─居家 碳足跡：生活產生的二氧化碳活產生的二氧化碳 ( 溫室氣體 ) 國人每天產生 30 公斤二氧化碳二氧化碳 ( 約世界平均數 3 倍 ) 電 (1 度 ) ：產生 0.7 公斤二氧化碳二氧化碳 汽油 (1 公升 ) ：產生 2 公斤二氧化碳二氧化碳 垃圾 (1 公斤 ) ：產生 2 公斤二氧化碳二氧化碳 (( 教具操作教具操作 )) 冷氣機、電熱水器、冰箱、電腦、開飲機，是家庭最耗電的五種

電器，請善用定時設備及降低「待機電力」 。 建議長輩：以電毯（ 150W）代替暖氣機（ 800W） 洗澡熱水器的耗能狀況 (1)熱泵熱水器…… (35 ％ ) →想想：省能源，我國為何不普及？ (2)太陽能熱水器… (45 ％ ) (( 我國裝設密度我國裝設密度：：全世界第全世界第 5)5) (3)瓦斯熱水器…… (60 ％ ) (4)電熱水器……… (100 ％ ) http://www.youtube.com/watch?v=wFF9l-jpAoE （熱泵熱水器 3.10 開始）

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節能省錢小妙方─交通 多步行，少用汽車、機車。 駕駛汽機車，勿猛加油門，以免燃燒不完全。 冷車即可緩慢行駛，不需暖車。 合成機油可使用 1 萬公里以上，不需 5 千公里更換一次。

想想：為什麼保養廠希望您 5千公里就換一次？ 「搭公車」的排碳量是「自己開車」的三分之一。「坐火車或搭捷運」更低，只有六分之一。所以要儘量使用公共交通工具。

提早出門，不趕時間，自然就會想去搭公共交通工具。

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節能省錢小妙方─ 燈具的選擇各種燈具發光效率排行榜 ( 概數 ) ： ( 發光效率 =lm/W) (1) 發光效率 90 ─LED 燈 ( 發光效率高達 200 的產品，預訂 2015 年上市 ) (2) 發光效率 80 ─T5 燈管 (1英吋 =8 分， T5= 燈管直徑 5

分 )(3) 發光效率 70 ─三波長 T8 燈管(4) 發光效率 65 ─普通 T8 燈管(5) 發光效率 60 ─螺旋省電燈泡(6) 發光效率 50 ─3U 省電燈泡(7) 發光效率 40 ─毛玻璃省電燈泡 ( 本頁資料參考自：能源局 )(8) 發光效率 10 ─傳統鎢絲燈泡──我國、歐盟、中國等禁用。●光纖照明 https://www.youtube.com/watch?v=HFG4CQl-kU0

結論：直的比彎的好；細的比粗的好；沒包的比有包的好； 三波長比普通燈管好。 ( 操作教具 2 項 )註：以上數據未將燈具的演色性、輝度、色溫列入考慮

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節能省錢小妙方─飲食出門帶水壺，減碳百萬噸，省錢萬三三，少肥十公斤！如果每人每天喝 1瓶礦泉水，全國每年將增碳 100 萬公噸！以每瓶 15元計算，一個人 60 年累積下來，金額亦將高達 33 萬元！ ( 教具說明 1 項─瓶胚 ) 三餐吃全穀，減碳十五萬；粗食有餘香，精製傷身體！ (全穀：糙米、全麥等 )國人每年消費白米、白麵粉約 250 萬公噸，精製過程耗電 2.3億度，增碳 15 萬公噸。（輕食主義）想一想：明知糙米有益健康，為何國人仍然偏好白米？盡量購買季節盛產的「生鮮食物」，少購買加工「食品」。加上適當運動，可長保健康。法國哲人盧梭：「自然事物，經過人手，必定變壞！」

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節能省錢小妙方─雨水保存，利很大！

雨水保存於地下，勿讓它流入大海，可大幅增加水資源。想像一下：沖廁佔家庭用水 35%，可能用雨

水或海水？

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謝謝您的參與！