再生能源、綠能
風力發電生命週期評估
國立臺灣大學環境工程學研究所甘幸佳
風力發電為世界上發展最快的能源系統，於1996年到2011年間，風力發電每年平均裝置容量成長約28%，為再生能源中第二大發電量系統。但是在開發風力發電的過程中，不論是風力發電機本身，或者是建造及維修過程等，皆需要消耗大量的資源與能源，並帶來一定程度的環境衝擊。生命週期評估是一種系統化的環境衝擊評估工具，因此亦被運用在風力發電技術的評估。
進行風力發電生命週期評估，首先須確定要探討的系統範疇，接著收集風力發電系統生命週期中所消耗的資源、能源及所產生的污染排放等資料，並透過科學方式計算其對不同自然環境或受體之衝擊，亦指從搖籃到墳墓的階段。主要可分為風力發電組件製造、建造運輸、運轉維修及退役回收四大階段，分述如下。
核能電廠怎麼發電
國立臺灣大學土木工程研究所鄒謹謙
發電機的工作原理
發電機是把動能或其他形式的能量轉化成電能的裝置，一般是先將各類一次能源（指自然界中存在的天然能源，如化石燃料、核燃料、太陽能、水力等）蘊藏的能量轉換為機械能，然後通過發電機轉換為電能，經輸電、配電網路送往各種用電場合。
發電機是運用「電磁感應」原理將動力所作的功轉換成電能的裝置，通常由線圈與磁鐵構成，利用各種動力（如水力、風力、蒸汽）使線圈在磁鐵的兩極間轉動；當線圈轉動時，線圈內的磁場改變，因此產生感應電流，示意圖如圖1所示。
圖1：發電原理
（圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Alternator_1.svg）
核能發電的原理
核能電廠發電原理和水力、火力發電廠有共通點，就是設法使汽輪機轉動，汽輪機為一個帶有中心軸的扇葉，當流體（例如空氣、水及蒸汽）通過扇葉時會帶動整個中心軸開始轉動，進而帶動發電機切割磁場，將機械能轉變為電能。
核能發電廠所用的動力來源是靠核分裂所釋放出的能量將水煮開。圖2為一沸水式反應爐(Boiling Water Reactor)發電方式示意圖，反應器壓力槽（又稱爐心）中紅色部分代表反應器中的燃料棒，提供核分裂連鎖反應的原料。水在爐心被加熱為蒸汽，經由導管送至汽輪機，進而帶動發電機發電。蒸汽經過海水或其他降溫方式冷卻為水後，再度被注入爐心。
爐心是進行核分裂連鎖反應的地方，核分裂過程所釋放的能量主要來自燃料棒中的鈾-235元素分裂後損失的質量，分裂後的原子總值量較分裂前輕，這些減少的質量就是核能的來源。根據愛因斯坦提出的質能等價公式「E=mc²」(E焦耳，m質量，c:光速 m/s)可以知道，只要損失些微的質量就能釋出極大的能量。
油頁岩（oil shale）（下）
臺北市立第一女子高級中學二年級王因琪
油頁岩主要用途
在油頁岩煉油過成中有許多副產品：硫酸銨可作肥料；酚類和吡啶可用作生產合成纖維、塑料、染料、藥物的化工原料；排出的氣體，例如煤氣，可作氣體燃料；留下的頁岩灰渣，可用來製造水泥熟料、陶瓷纖維、陶粒等建築用材。
1、頁岩油的製造
要先將油頁岩從地底下開採出來再煉油，由馬龍（Mallon）公司採用的一方法是將帶孔的鋼管插進地底下的油頁岩裡數個星期到數個月，用垂直電極高溫加熱適合的油頁岩量，依靠電磁波產生的熱能，將有機質分解成頁岩油和氣體，使他沿著鑽井從地底下跑到地面上。而柏罕（Burnham）公司採用的方法較類似傳統的石油鑽井技術，可以在較低的加溫速率下進行開採。
在加溫範圍中最高溫大約是攝氏400度，約五天內可完成；中等溫度則是攝氏350度，需要的時間是3到4個月；若是在攝氏3度的情況下加溫，需要的時間長達7.6年。低溫加熱的好處是頁岩油的含原油比例會較高，類似裂煉的效果，較接近直接開採的原油。
大塊的油頁岩經過破碎、篩選，送到一種巨大的爐子裡；在隔絕空氣的條件下加熱，使有機質分解生成油氣；油氣再進入一個冷卻裝置，被冷卻凝結成油狀的液體，這就是頁岩油。頁岩油很類似石油，除了液態的碳、氫物質外，還含有少量氧、氮和硫的化和物。頁岩油經過進一步加工提煉，可以製得汽油、煤油、柴油等液體燃料，具有與石油相同的作用。
2、作為燃料用於發電、取暖和運輸
利用油頁岩發電的形式有兩種。一是直接把油頁岩用作鍋爐燃料，產生蒸汽發電；另一種是把油頁岩乾餾，產生氣體燃料，然後輸送到內燃機燃燒發電。目前普遍採用前一種形式。其次，可直接利用油頁岩燃燒供暖，或者利用油頁岩燃燒帶動發動機，用於長途運輸。
油頁岩（oil shale）（上）
臺北市立第一女子高級中學二年級王因琪
前言：全球能源背景
中國經濟數據顯示，世界上最大能源消費國中國的油量需求在去年的經濟放緩之後開始恢復，因此提高了對2013年全球石油需求的預期。國際能源署（the International Energy Agency）對今年全球石油日均需求預測提高至90,800,000桶，比去年多1%。
而國際能源署在10月份發布的報告中指出，到2020年，美國的石油產量將超過石油輸出國組織（Organization of Petroleum Exporting Countries）最大產油國沙烏地阿拉伯。該組織並預測美國石油產量的快速上升將迫使石油輸出國組織成員國適應快速變化的石油貿易，而且在石油出口市場與北美展開競爭。預計今年非石油輸出國組織國家每日供應量將增加940,000桶，達到53,900,000桶，主要來自美國、加拿大、拉丁美洲和俄羅斯。
美國頁岩油產量大增，將推動今年美國石油產量增加520,000桶，使得美國因此成為非石油輸出國組織中產量增加最快的國家。但石油輸出國組織在2月13日發布的警告稱，今年對非石油輸出國組織的國家產量預期的增長面臨較高風險，特別是美國的油產量，有很多不利條件，包括政治、經濟、氣候、環境和地質因素將使得美國的油產量在近期無法達到預期的水平。
油頁岩簡介
受技術水平進步導致大量頁岩氣儲藏釋放推動，近年來美國石油產量強勁增長。並開始改變全球能源市場貿易格局，將導致石油輸出國家在原油市場的主導地位受到威脅。
雖然稱為油頁岩（又稱油母頁岩），但是地質學家並不全然將之歸類為頁岩。油頁岩是一種高灰分的含可燃有機質的沉積岩，它和煤的主要區別是灰分超過40%。主要成分是油母質（Kerogen），可自其提煉出許多種類的液態烴類，和水分、礦物質以及其他岩類主要有石英、高嶺土、粘土、雲母、碳酸鹽岩以及硫鐵礦，成分通常高於有機質。
油母質一般認為是石油的前身，生物遺骸中的有機碳氫化合物、蛋白質、碳水化合物、類酯體等等，會在厭氧細菌的作用下，進行「低溫化學反應」：先是被分解成單分子體，再聚合成油母質。據估計，大約只有千分之一或更少的生物體經快速掩埋與氧隔絕避免腐爛，才有機會轉化成石油的前身「油母質」。
小兵立大功～生物燃料電池的原理及應用
國立臺灣大學環境工程學研究所 楊政憲、林彥妗
前言
相較於許多傳統的環保能源，如風力發電、太陽能發電及地熱發電，生物燃料電池 (biological fuel cell) 是一種日益增長的替代能源技術。其中微生物燃料電池 (microbial fuel cell, MFC) 是一種微生物藉由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate, ATP)將有機或無機化合物氧化產生化學能，使電子 (electron)轉移至最終的電子受體產生電流的系統[1]。
不同於限制氧化電子受體的化學燃料電池與酵素燃料電池，微生物燃料電池有更強大的適應性[2]。到目前為止，不同的菌種如：genus Geobacter、Enterobacter、Shewanella和Bacillus經測試在微生物燃料電池中之產能具有最佳的功率。近期相關研究著重於微生物燃料電池內填充混合的微生物菌種，特別是關於它們對營養源的適應性：菌種彼此的競爭力及總體趨勢，使系統更穩定且效果更佳，且研究發現其相較於培養純菌種的系統可以得到更高密度的電流[3]。
原理
生物燃料電池之原理主要藉由微生物做為催化劑，將化學能轉化為電能。其系統組成包含陽極 (anode)、陰極 (cathode)及半滲透膜 (semi-permeable membrane)。如下圖所示，生物燃料電池之陽極灌入含有有機物之燃料供微生物反應，即提供微生物之基質 (fuel)；陰極則灌入氧氣作為氧化劑；半滲透膜只容許帶正電的離子通過，即陽極中產生之質子 (proton, H+)，該薄膜介於陽極槽與陰極槽間將其分隔。為避免反應機制於陽極發生，故此系統為封閉式系統，使陽極成無氧狀態，陽極不會發生反應，且陰極灌入氧氣後產生反應使質子濃度減少，誘發陽極經半滲透膜產生滲透作用。
在陽極中，基質藉由微生物行氧化反應 (oxidation)，生成二氧化碳 (carbon dioxide, CO2)、電子及質子。以葡萄糖 (glucose, C6H12O6) 為例，當微生物於陽極反應時，會將葡萄糖分解產生二氧化碳、質子並釋出電子產生能量，其反應機制如下(式一)：
陽極：
(式一)
陰極中的氧氣則接受電子，與氫離子結合還原成水分子，如式二所示。其電子通過外部電路轉移至陰極；同時質子通過薄膜轉移至陰極。質子與電子於陰極再與氧氣行還原反應 (reduction-oxidation)產生水，反應機制如下：
陰極：
(式二)
生物燃料電池產電機制
(1) 如下圖所示，於陽極加入基質供微生物反應 (Fuel in)，基質於微生物氧化作用下，生成質子、電子、及代謝產物 (CO2)，並將基質反應後之廢液排出 (Outlet)。
(2) 產生的電子於陽極表面經外部電路傳輸至陰極，且產生的質子經半透膜由陽極傳遞至陰極。
(3) 於陰極中，導入電子受體 (O2 in)，使氧氣和遷移來之質子與陰極表面之電子發生還原反應，並將反應後所產生之產物 (H2O)排出 (Outlet)。
多元化水資源開發
經濟部水利署盧瑞興正工程司
水資源建設的重要性
水是人類及動植物生存發展的必需品之一，水資源建設更是提升國民生活品質及促進社會經濟持續發展的關鍵基礎建設；其不僅是產業發展與環境保護中不可或缺的有限資源，同時也直接影響產業經濟結構、社會人文與環境變遷。長期來政府極為重視水利建設，以提供穩定且量足質優的生活與產業用水，作為臺灣經濟蓬勃發展的基礎。
臺灣水資源條件特殊、缺水風險高
臺灣地區雖降雨豐沛，惟在時間及空間上分佈極不均勻，11~4月枯水期與5~10月豐水期的雨量比，北部區域為4：6，中部區域為2：8，南部區域為1：9 (如圖1)。豐、枯水期雨量差異懸殊，導致枯水期水量無法供應用水需求，須透過水庫蓄豐濟枯維持供水穩定。台灣水庫總有效容量約僅19億立方公尺，但每年卻必須供應約43億立方公尺水量，平均每座水庫年運用次數超過2次才能滿足用水需求（石門水庫甚至超過4次）。又近年全球降雨異常加劇，已造成旱澇災害交替頻繁，水文極端現象明顯且強度增高，受災範圍與程度均較過去嚴重，導致缺水風險已逐漸影響經濟發展，並對國家永續發展造成威脅。
再生能源發展的限制（下）(renewable energy – 2)
台中市雙十國中自然領域王淑卿老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯
2010年，美國能源部能源訊息局「2010年世界能源展望-高瞻」報告書–全球再生能源生產量（如圖一），指出風力與水力發電除外，以生質能源最具潛力、太陽能與地熱能其次。2009年再生能源成長較2008年增加8％，佔全球能源總量的25％，再生能源科技於 2009年大幅成長，尤其風力發電佔再生能源之冠。太陽能發電從2004 ~2009年之間，由於光伏系統 (photovoltaic system or PV system)的研發也呈現快速成長。光伏系統是由多個組件，包括光伏組件、機械、調節電力輸出的裝置等連接成一個系統，使用一個或多個太陽能電池板將太 陽光能轉換成電能。
圖一、全球再生能源生產量—風力與水力發電除外。（單位：十億千瓦/小時）（資料來源：2010年，美國能源部能源訊息局「2010年世界能源展望-高瞻」報告書，Source: US Energy Information Administration, International Energy Outlook 2010 – Highlights, http://www.eia.doe.gov , November 2010）
再生能源發展的限制（上）(renewable energy – 1)
台中市雙十國中自然領域王淑卿老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯
美國能源部（the United States Department of Energy）於2006年進行全球能源消耗形式分析結果如圖一所示。傳統化石燃料仍是位居全球能源消耗量前3名，包括石油、煤炭、天然氣等，分別佔35.43％、28.15％、23.46％，總共佔了全球87.04％的能源消耗量。其次為水力發電佔6.27％、核能發電佔5.79％、與其他再生能源發電佔0.91％。所有的再生能源發電僅佔了7.18％。可見再生能源發電在發展過程面臨許多限制與挑戰。
圖一、2006年美國能源部（the United States Department of Energy）進行全球能源消耗形式分析圖。（http://upload.wikimedia.org/wiki ... on_by_type_2006.png）
全球綠色新政與全球綠色經濟之發展（下）(Global Green New Deal, GGND)
臺中市雙十國中自然領域王淑卿老師/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯
2009年12月於丹麥哥本哈根舉辦聯合國全球變遷高峰會（United Nations Global Summit on global change）引起人們對氣候變遷與環境問題的關注，各國領袖包括首度參加的美國總統歐巴馬簽訂了哥本哈根協定（Copenhagen Accord），協議將全球溫度的上升控制在2 ℃以內作為重要的目標，並由富裕國家於2010~2012年間投資300億美元，於聯合國氣候變遷綱要公約（UNFCCC）的原則下，協助貧窮國家對抗氣 候變遷的問題。
2010年上海世博會以低碳、綠色作為主題。碳循環、碳足跡、低碳生活的環保方式儼然成為未來全球的主流。【註：碳足跡–Carbon Footprint：指人類活動所需求的產品、服務或某事件的生命週期中，於全球所釋放或累積的所有溫室氣體排放總量。碳足跡計算是由生命週期評估技術 （Life Cycle Assessment, LCA）來計算評估，產品在其整個生命週期中包括製程前端的開採、處理、運輸，和後端的產品使用、再生利用、維護、回收，及最終丟棄等歷程對環境所造成的 影響及衝擊。】
全球綠色新政與全球綠色經濟之發展（上）(Global Green New Deal, GGND)
臺中市雙十國中自然領域王淑卿老師/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯
圖片來源：Tallent Show@flickr
2003年英國在國家政策能源白皮書 (Energy White Paper 2003)─我們能源的未來─創建一個低碳經濟體 (Our energy future—creating a low carbon economy)最早提出低碳概念與低碳經濟的發展，受到全球各國政府與人類的高度重視。