正修MOOCs-海洋能源

各位同學好 那我們今天的講次是要介紹到有關海洋能源的部分 但其實我們的海洋能源的定義是 人類怎麼樣從海洋 這樣子的環境 來獲取人類所需要的能源 特別是以電力形式所存在的能源的一個狀態 那麼在這之前 我們稍微先想一想 其實 同學跟日常生活中 應該比較有接觸的是要想一想 到底我們住家所用的各種的電 它的電是怎麼來的 同學想一想 發電廠的形式有哪些 水力 火力 核能 風力 太陽能 還有呢 或者我們從另外一個角度來分析講好了 除了核能 主要是除了核能 少數還有所謂地熱 除了核能跟地熱之外 我們要講的 包括所謂的風力 水力跟火力 都直接 間接來自太陽 就如同我們這張幻燈片上所提的 太陽光是地球生命終其能量的來源 因爲之前我們已經提過了 太陽光讓地球上的綠色植物生產者 能夠行光合作用 然後藉由光合作用 把二氧化碳跟水 加入了光能 把能量加進去 變成了碳水化合物 具有了較高的能量 然後提供食物鏈更爲高層的生物來利用 所以這是地球表面食物鏈 食物網 光是最主要的生命來源 但不只如此 我們先來細細地思索一下 剛纔所提的 能源的使用 跟太陽光又有什麼關係 第一個 當然如果說是太陽能板直接照射發電 太陽能發電廠 那當 然是直接光能轉電能 沒有問題 那麼再想一想 如果是水力發電呢 水力發電跟光又有什麼關係 那或許我們要先問的 水力發電 是利用所謂的水壩後面 較高水位的水 水位較高有位能 再經過一個導管 衝擊 衝擊 水由高往低流 位能轉變成動能 衝擊所謂的發電機渦輪 然後發電 然後把位能轉變成動能再轉變成機械能轉換出電能 這水力發電機 那水力發電廠設在哪邊 第一個 絕對不會設置在出海口 因爲它需要有水的高度差 因此 大家所知道的水力發電廠 一定 或者說絕大部分都是設立在所謂的 所謂的河流的中上游 能夠築一個大壩把水 保存在大壩的後方 才能夠形成較高的位能差 那水爲什麼會跑到水壩的後方 其實 這就需要了解到水循環 水壩在水的後方是因爲在集水區下雨 然後雨堆積在水庫的後方 那再反過來 爲什麼雨要下在那邊 那其實又追過來 爲什麼會下雨 當然是因爲空氣中有云 雲層下雨 那再問空氣中爲什麼會有云 那是因爲水蒸氣的 凝結 那空氣中爲什麼會有水蒸氣 答案就跟我們的光連上關係了 因爲地球表面接受太陽光的照射 包括從海洋 河泊 陸地 甚至於植物體 受到太陽光照射的時候 都免不了會有這樣水分的蒸發散射 就把水 帶動到大氣裏頭 開始了初步水循環最基本的動力 所以太陽光是造就地表水循環的終極的 一個動力來源 所以剛纔所提的 水力發電它的來源還是離不開光能 或許我們在討論一下 那風呢 風其實我們等一下稍微會提到的 風是藉由 什麼叫風 風其實是壓力的差別的變動 壓差 氣體會由壓力大的地方往壓力低的地方移動 這就形成所謂的風 那爲什麼地球表面會有高壓低壓這樣的差別 那其實還是造就於 地球表面受到太陽光的照射 由於陸地跟海洋的比熱不同 因此對這上方的大氣層 所產生的加熱的效應就不一樣 熱漲冷縮的結果不一樣 壓力有所區別 於是 就有所謂的壓差 然後風就會產生這樣的擾動 不管是 局部性的地區所產生的風 或大範圍的季風 這都是受到太陽光照射地表 受熱不均所造成的 所以風還是跟太陽離不開關係 那或許同學要問了 那火力發電呢 我不管是燒石油 燒天然氣 燒煤炭 難道跟太陽有關係嗎 其實在這張幻燈片裏頭就已經把故事講得非常清楚 我們來想一想 他如果是燒煤炭的話 我們來想什麼叫煤炭 煤炭其實就是以前古時候的植物 死掉之後埋藏在地層底下 由於高溫高壓形成的炭化 所形成下來的東西 所以煤炭其實就是古代植物所存留下來的 石油跟天然氣呢 基本上 它是古時候在海洋裏頭的這些浮游生物 包括動物植物 死亡的個體沉降到海底之後 接下來遭受到掩埋 然後在地層下面高溫高壓變成石油 或者是天然氣 那麼因此當人類把煤礦 或者是石油跟天然氣 從地層裏頭把它挖掘出來時 它其實就有一點像在燃燒化石 所以 我們會把石油 天然氣 還有煤炭 叫做化石燃料 因爲他們其實基本上就是古時候的動植物 基本上行光合作用 所support 支持的一整個系統 這些生物體裏頭的有機物質 埋藏在地底下所形成的 所以燃燒化石燃料 從另外一個角度來講 也就是利用儲存在底層裏頭的 古老的太陽能 其實它的形式還是一致的 所以要講到能源 還是最終不了 O sole mio 我們要感謝太陽 如果沒有太陽 地球上沒有生命 那再回過來探討海洋的能源 我們這邊的定位是希望 怎麼樣永續利用減少對環境中的衝擊 所以我們現在就避開 不談怎麼樣從海洋裏頭取得所謂石油跟天然氣的部分 我們直接來講怎樣來獲取乾淨的電力的部分 這本書裏頭介紹到海洋能源 它基本上談的就是利用所謂的潮汐 以及波浪的部分 而這邊其實總歸來講 也就是利用海面上的各種 海洋 水體的各種物理的特性 藉由怎麼樣的位能波動的部分把機械能轉換成電能的情形 接下來我們看到陸陸續續的例子 就是講到有關怎麼樣能量的傳遞 那再回過來我們先來講什麼叫做波 水面有波 而波其實只是能量的傳遞 水體並沒有跟着跑過來 而水面的波浪最主要還是由於 風 包括季節性的風吹水面或者 暴風等等的 所以俗話講無風不起浪 等到風吹水面 造成了摩擦力 而它作用了一段距離之後 就會使得它的能量產生傳遞的效應 就形成所謂的浪 所以因此我們在氣象局的網站上可以看到 特別是沿海的氣象就會說 今天預告的風向 風力是幾級 大概對應出來就可以從這個 匍匐風表裏頭可以看的到今天的浪大概是會有多高 這個是很明確的事實 那麼因此 當風這樣地表性的變化 再配合所謂的 洋流以及潮汐的時候 就可以利用水位的差別來發電 在圖片中可以看的到的是 少數的一些地方 由於 海岸邊緣所謂的內灣 瀉湖的一個形式 可以利用漲退潮有較高水位差的地方 漲潮的時候 漲潮的時候 外面的水高流進來帶動發電 等到平潮的時候把閘門關下來 等到外面的水退了 這時裏頭的 海灣裏頭水位比較高 這時候再把閘門打開 水流過去 雙向都可以發電 但是這種潮汐發電的適合的場所比較少 所以這個 又需要把海灣原來一個流通洋流的形式 把它阻隔起來 所以其實真正預期的效應不是那麼大 第二個洋流其實是臺灣 以及周邊國家可以發展的一個重點 以臺灣 黑潮經過 黑潮持續穩定的流動 秒速大概是1公尺左右 大概1公尺這樣的速度 非常穩定 終年不斷 因此如果能夠配合所謂的電力傳輸以及 它的材料 耐腐蝕這樣子的材料工程上的突破的話 在臺灣周邊利用洋流發電其實是非常好的一個場所 因爲第一個這樣子的洋流穩定 離岸又不遠 包括建制發電的設施以及後續的電力傳送 都是值得我們開發的一個地方 那當然後續還有剛纔所提的波浪 在圖中所看的到的 是在英國 後面那個迷迷濛濛的那個是英國的倫敦 是他們所發展出來的一個 水面利用波浪的形式 水波高高低低 他們把這樣一個發電形式叫sea snake 那藉由裏頭的機械能的轉換推動液壓系統來發電 所以這個是目前已經實驗成功 可以商業化 但其實重要的是 你要設定在什麼樣的地方纔不會對環境造成干擾 因爲 需要大範圍的面積 數量夠大 發電效益纔好 但是 會不會干擾到人類的海上運輸 或者是人類各種的漁撈作業等等的活動 都是值得考量設置的地方的一個前提 那麼另外還有所謂波浪 比方說不需要離岸 就在岸邊 在一個碼頭的下方利用浮筒式上上下下 然後利用單向筏控制上下的過程中 推動 密閉系統裏頭液壓的系統 然後來推動發電 這是一個部分 甚至於 也不見得需要靠推動液壓 它直接靠水面 水面的上升使得空氣進進出出一個密閉的地方 利用空氣的進出來發電 這也都是目前已經在規劃實行的部分 只是相對的 發電規模比較小 那怎麼樣 避免掉原來 突破以前單一大型發電廠的迷思 希望能夠藉由小型的發電設備 來供應地區性的需求 的確是後續要發展的重要地方 那但是 在我們講過有關從海洋 或許乾淨的能量來源 剛纔所提的就有潮汐 洋流 波浪這樣子的方式來轉換 把物體運動的動能轉變成機械能再轉變成電能 提供人類生存所需要之外 其實目前在海洋 還有一個芳心未艾 非常夯非常熱門的一個議題 有一點像是早期 怎麼樣從海洋來探索 來獲取海洋的油田以及天然氣這樣子一個資源的狀態 而這個標的物種目前堤道就是所謂的甲烷水合物 它的名稱又叫可燃冰 那有人把它視做明日的能源之心 因爲再可以預期的未來 目前人類對於環境 在各種的探測當中 其實地殼中所殘存的石油以及天然氣的量 已經可以預估 大概沒有辦法再用到下一個世紀 一個百年的週期 那怎麼樣來解決這樣子的問題呢 於是人類就急着來找到各種替代能源的需求 那替代能源需求要解決對石油 對煤炭 煤炭還可以比較久一點 但是它的污染相對更大 而天然氣跟石油的用量的部分 還是有很多的疑慮 所以怎麼解決 現在目標轉向Methane hydrate 可燃冰 從這個圖中可以看到 它是一個比較特殊的化合物 手中拿着一塊冰塊的東西 點火上面居然燃燒 這個人還不怕被它灼傷 那最重要的是 反而下面還在滴水 爲什麼會出現這種情況呢 因爲其實 最主要的所謂甲烷水合物 它是在所謂的 生物存在 就如同剛纔所提的地層裏頭這些有機物質 經過微生物的分解 把甲烷這種物質分解出來 然後特別在所謂的低溫 還有高壓的環境 那由環境中的水分子形成一個像牢籠一樣的狀態 把一個 甲烷的分子包裹在裏頭 然後再藉由整體的分子堆疊起來 形成像冰的結晶的狀態 那在自然界裏頭 它的存在 就如同這個圖各位可以看的到的 它只能夠存在所謂的剛纔講的低溫高壓的地方 那綜觀全世界的環境裏頭 符合低溫高壓 其實最主要的還是來自於大陸棚 淺海地區的大陸棚 像臺灣周邊 南海 還有東海的附近 都有這樣子的礦產的存在 那至於在陸地上來講 就大概是靠近高緯度的極圈附近 西伯利亞的凍原附近 因爲陸地 泥土的密度當然比水高 所以它所存在的地層的深度又比較淺一點 又由於整個地理上的關係 它溫度本身就比較低 所以一樣滿足了所謂高壓低溫的狀態 高壓低溫的狀態 人類就試圖着 能夠是不是像煤炭一樣把它開採起來 但是不同於看起來像固體的東西 它又不像煤炭挖起來整車運輸就可以用 因爲一旦你把它從海底 或從陸地把它挖掘出來之後 第一個溫度上升 壓力減少 它很快就像冰一樣溶解 而這些甲烷就直接汽化 直接跑到環境當中去了 因此 要怎麼樣開發陸地上 甚至於海牀上的這些甲烷水合物 目前還有很多的技術還在尋求突破當中 目前比較公認的有效方法是一種叫減壓法的方式 它是在海層裏頭把它打下去 然後利用減壓的方式 甚至利用 氣泡這樣打下去 因爲 如果說就藉由所謂抽氣的方式來講 壓力遠遠沒辦法把水抽起來 類似抽水機的方式是抽不上來 反而是利用氣體的往下 然後 順便使它溫度上升 溶解變成氣體的同時減壓 然後瞬間利用管線來把它收集起來 比照天然氣的方式把它收集起來 但是在開採過程當中 其實在目前來講 它的外泄率一直相當的高 而一直詬病 爲什麼 因爲他一旦跑到環境中來講 甲烷就是沼氣 天然氣 CH4它本身 它對溫室效應的作用來講 它比二氧化碳強21倍 所以一旦跑去空氣中來講 它是一個強效的溫室效應的氣體 就更不用講 就算你能夠有效的把它從環境中 抽取起來 但是一樣進到內燃機 或者進行燃燒釋放能源的過程當中 不可避免地還是會放出二氧化碳 二氧化碳還是會導致溫室效應的加劇 所以怎麼樣解決 將來的人類對能源的需求 從海洋當中來獲取更多幹淨的能源 避免掉這種以碳機 以碳 終究還是會產生二氧化碳 對環境中造成衝擊的一種現象 纔是後續我們對海洋能源的需求 所努力 應該所要朝的方向 諸如剛纔所提的 波浪 潮汐 洋流 後續將來如果同學 對這方面有興趣的話 這就是你將來工程方面發展的利機所在