【化學大未來】石油危機能不能帶來綠色未來?

圖片出處:arichards63@flickr

撰文 ∣ 柯昭儀

還記得民眾徹夜在加油站前大排長龍,趕著油價上漲前加油的無奈景象嗎?油價居高不下,嗅得出石油供不應求的警訊,但真正讓科學家憂心如焚的是石油持續遞減,然而,能夠取代石油的新能源卻遲遲未能問世。一份來自能源部門的調查報告指出,目前全世界石油的存量,大概只有台灣一座大霸尖山的體積,而隨著科技大幅進步,地球人口屢創新高,石油的需求勢必加劇,不禁讓人擔憂石油用完了怎麼辦?

這一期的【化學大未來】講座,淡江大學王文竹教授針對迫在眉睫的石油危機提出精闢的見解,他先從不同面向探討石油與現代生活密不可分的關係,再從現實環境條件及當前的技術瓶頸,剖析各種新興能源發展的可行性。王教授任教已有37年,教學經驗豐富的他只用淺白文字加上生動比喻,就能將複雜的理論知識講述的生趣盎然,讓現場觀眾毫不費力就能領略化學的獨特奧妙。王文竹教授對科普推動更是不遺餘力,不但長期投入科普寫作,同時以製作多媒體、出書及講座等不同方式讓科學變得新鮮有趣,也大幅拉近人們與科學的距離。

多數的理論學說認為,石油來自史前海洋生物遺骸,歷經漫長的地質年代後,這些有機物與淤泥混合,被埋在厚厚的沉積岩下,地底的高溫和高壓下將其轉化成液態和氣態的碳氫化合物,進而聚集成今日油田。人們從地質探勘發現石油蹤跡,經由鑽探取得油礦,對於黏滯度大的油礦則以挖掘方式取油,儘管人類開採石油的經驗如此豐富,目前已知的油礦仍約有30%並無法開採,若是石油的替代發展不理想,勢必回頭再度利用這些舊油田,像是注入熱水及界面活性劑來提高石油流動性,進一步取出剩餘油源,或是把廢油田改變成甲烷農場;也就是置入特殊細菌來分解剩餘油源,藉此獲得以以甲烷為主的天然氣,事實上,這種「地質生物反應器」的技術不僅適用於油田,也可以運用在油頁岩、煤礦,甚至工業廢棄物中,成功取得甲烷。

開採所得的原油,其成分相當複雜,要經過「分餾」將裡面不同分子量的碳氫化合物分開,才能一一利用;像是車子所加的汽油就是其一。石油是現代生活最主要的能源,絕大多數的運輸工具都使用它當作驅動能源,發電廠也靠它來發電。遺憾的是,能源的利用效率仍不理想,即使已經運用了新科技,內燃機的效率最多也只能達到30%,而未能善加利用的寶貴能源就以廢氣方式排放,不但浪費資源更造成環境污染;像是產生的二氧化碳就是造成溫室效應的禍首。石油另一個重要角色就是擔任各種化學工業產品的原料,舉凡牙膏、藥品、塑膠、肥料、農藥及殺蟲劑及都必須靠它來合成生產,換而言之,日常所需幾乎都是來自石油。

石油挖完怎麼辦?

沒有石油人類的生活會有怎樣的影響呢?失去農藥及機械,現代農業生產力瓦解,糧食供給失衡;缺乏物流運輸,商業活動急速萎縮,全球經濟陷入大衰退,除此之外,醫藥及日常用品也因為缺乏原物料而停產,這些都是可預期的衝擊,因此世界各國莫不積極投入新能源的研究。基於生態環境保護之考量,新能源中又以太陽能、風能或者燃料電池等具有清潔與可再生特性的綠色能源最被人寄予厚望,然而它們能夠取代多少石油以及發展時可能導致的環境破壞仍有爭議。事實上,許多綠色能源受限於它們本身特性,單位面積產生的能量不大,發電方式和電能輸出不穩定,無法成為像石油一樣的高能量密度能源,若要利用必須先轉換為電能或氫能才能用來驅動運輸工具。

以水力而言,它是一種乾淨的能源,但是使用限制較大,而且以建造水壩的方式大規模開發水力,可能造成生態與氣候的災難;至於風力及潮汐發電都具有源源不絕的優點,但是能量密度過低。海水溫差發電是利用上下層海水的溫度不同來發電,同樣具有源源不絕的優點,但是以目前技術而言,在海洋中架設深海冷水管路,不但資金龐大、施工風險高,所以發電成本也相對高。核能發電則是利用核反應來獲取能量,這些以熱的形式釋放出來能量,被用來驅動蒸汽機直接提供動力,也可以連接發電機來產生電能,由於放射性核廢料無限期的保存,隱藏著泄漏或爆炸的危險,因此核能的發展始終存著爭議,尤其是發生重大災難時,核燃料與核廢料可能失去冷卻系統,若無法及時冷卻,高溫高壓則會摧毀圍阻體,造成嚴重的核污染意外,福島第一核電廠事故正是一例,因此儘管核電技術已相當成熟,民眾還是普遍無法接受。

綠色未來正萌芽

比較起各種開發中的新興能源,王教授認為最值得發展的新能源要算是燃料電池、太陽能電池及生質能源。燃料電池是一種使用氫氣做為燃料,進行化學反應產生電力的裝置,當然甲醇、乙醇、天然氣,甚至汽油都可以做為燃料電池的燃料。由於氫氣和氧氣直接反應並不能發電,只會迅速產生的熱,像炸彈一樣的氣爆,所以並不容易利用,但是它的能量轉換效率高達80%左右,比起一般發電方法高出了約40%,除此之外,它的二氧化碳排放量遠低於其他發電方法,反應後僅產生水氣,正是飽受全球暖化效應所苦的此刻所需,也被視為最可能取代汽油的能源。燃料電池目前所遭遇的技術瓶頸,主要是氫氣儲存問題,極度不穩定的氫氣若以氣體方式儲存太危險,但若要製成金屬氫化物則有兩個問題化物:第一是氫氣進出金屬的速率太慢,效率不佳;第二則是造成電容量減少的記憶效果,這也是目前燃料電池尚無法普及的原因。

「太陽能電池」顧名思義就是吸收太陽光,即可產生一般電池之功能者;其發電原理為透過轉換入射光能量,而輸出電壓之光伏特效應。與一般電池不同的是,太陽能電池的輸出電壓及最大輸出功率並非固定,而是隨著照光條件與負載之工作點改變。太陽能電池基本上是利用半導體做成,有正型半導體和負型半導體。目前的問題是能量密度仍然不足,需要很大的面積才有辦法實用化。至於生質能源則是將生質作物轉換獲得可利用的電能與熱能。生質作物泛指由生物產生的有機物質;例如木材與林業廢棄物(木屑)、農作物與農業廢棄物(黃豆莢、玉米穗軸、稻殼、蔗渣)、畜牧業廢棄物(動物屍體)、廢水處理所產生之沼氣、垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣,此外還包括工業有機廢棄物(有機污泥、廢塑橡膠及廢紙),因為使用廢棄物作為材料,所以同時具備廢棄物的回收處理與能源生產的雙重效益,生質能源能與傳統能源(市售柴油)併用,目前已有商業化應用。王教授也告訴大家台灣有一種植物叫蓖麻,把他的籽壓榨成油,可以代替柴油來使用;事實上油菜籽榨出來的油,也可以代替柴油使用,甚至不需要更換引擎,只要把汽門和噴油量調整一下就可以運用。另一種生質能源的產生原理是發酵方法,只要把多餘的便宜馬鈴薯、玉米、甘蔗或無法食用的植物根莖,用特別的細菌發酵,就可以產生甲醇、乙醇等化合物,當然前提是不能影響糧食供給。

石油另一個重要角色是化學品原料的功給,而利用石油以外的天然資源來製作高分子材料已是未來趨勢。事實上,科學家正嘗試利用動植物或微生物來製造塑膠,據說這種方式甚至可能產生比一般塑膠強度更大的高分子;這些從細菌生產而得的塑膠稱之「綠色塑膠」。綠色塑膠的潛力在於不同的菌種能生產不同種類、不同結構、不同分子量的塑膠。歸納上述能源之優缺點,王教授認為未來的動力還是得靠燃料電池和氫氣,至於電力則更應積極發展太陽能,他從成本分析的觀點提醒大家,石油這麼寶貴的資源,把它當作燃料燒掉實在太可惜了,若能將它當作化工原料善加利用,還可以用很久,當然最重要的是你我本身要從節約能源做起。

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延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2011年10月22日第四講〈石油用完了怎麼辦?〉全程影音

﹝本文作者畢業於淡江大學化學研究所,現從事消費品檢測領域﹞

責任編輯:Nita  Hsu

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