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這是一篇蠻持平客觀的分析、說明..... 電動車和你想的不一樣：只是炒作？真的會造成缺電嗎？專家一次說清楚（12/30/2020 風傳媒）

"你應該知道的是：豐田汽車社長痛批，電動車若更加盛行，可能造成日本大缺電，此一說法引發外界熱烈討論。如果電動車滿街跑，到底會不會缺電？電動車只是炒作的話題嗎？作者以專業背景解釋，電動車對解決大城市嚴重空氣污染將有顯著成效，但能源轉型困境並未因此紓緩，能源問題人人有責，不能把責任推給政府。"

作者：曲建仲 / 台大電機博士，知識力專家社群創辦人

近年來空氣污染讓大家忍無可忍，溫室效應造成的氣候暖化日益嚴重，讓世界各國政府推出新的碳排放法規，不約而同喊出 2030或2040 年禁售燃油車的口號，許多車廠被迫積極開發電動車，彷彿電動車能夠解決人類的空氣污染與能源問題，豐田社長怒批世界各國政府力推電動車只是炒作，許多人可能認為那是豐田(Toyota)眼見特斯拉(Tesla)股價節節高昇而吃醋，所以電動車真的是未來環保的新希望嗎？事實恐怕和你想的不一樣？

電池的構造與原理

所有的電池都具有陽極(負極)與陰極(正極)，基本上都是由陽極(Anode)發生的化學反應產生電子(Electron)與陽離子(Ion)，電子流入元件可以推動元件工作，也就是我們所稱的電能，如圖一(a)示；陽離子則經由電解質穿越多孔性的隔離膜到達陰極，如圖一(b)所示；最後陽離子與電子在陰極(Cathode)結合，如圖一(c)所示。

電池的陽極(Anode)：是我們所稱的「負極(Negative electrode)」。電池的陰極(Cathode)：是我們所稱的「正極(Positive electrode)」。

兩者恰好相反，千萬別弄錯了唷！大家可能會好奇，為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢？因為化學家定義放出電子的叫「陽極」；而陽極放出電子，代表陽極必定帶負電(同性相斥、異性相吸)，所以物理學家稱陽極為「負極」。

不同的鋰電池主要是陰極材料不同

不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料(正極材料)不同，目前最常用的陰極材料共有四種：鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、鋰鐵氧化物(LiFePO4)，其中大家常聽到的「三元鋰電池」其實是陰極材料使用鈷鎳錳酸鋰三元化合物的鋰離子電池，其中三元是指包含鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)三種金屬的化合物，而電解質主要是使用六氟磷酸鋰液體，負極材料一般是使用石墨。

固態鋰電池未來發展值得關注

由於現在的鋰電池所使用的電解質是液體，容易發生漏液汙染、易燃爆炸等問題，而固態鋰電池的電解質是固體，不會因為隔離膜破損就導致陰陽極接觸短路爆炸，而且固態鋰電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集傳導更大的電流提升電池容量，此外固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等特性，不像傳統鋰電池的液態電解質含有易燃有機溶液，需要降溫、防撞擊、防穿刺等安全裝置。

電極材料與液態電解質容易完全接觸，但是和固態電解質接觸不如液體，造成介面阻抗過高，影響整體電池效能，而且固態電解質製程良率低價格高，仍然有許多困難。日本Toyota公司預計2022年推出全固態鋰電池的電動車，美國Fisker公司為固態鋰電池申請專利，能量密度可達傳統鋰電池的2.5倍，法國Bollore公司已經量產固態金屬鋰聚合物電池，德國Bosch公司收購美國Seeo公司研發固態鋰電池技術，QuantumScape公司的鋰固態電池號稱15分鐘可以充飽80%股價大暴漲，由於廠商投入資源研發未來發展可期。

電動車的普及有賴電力基礎建設

電動車要充電，但是如何充電是個大問題，像Gogoro的電動機車一個電池只有9公斤，使用者可以到電池交換站自行更換電池，但是Tesla電動車的電池重達500公斤以上，只能以定點充電的方式進行，即使目前的規格要求在1小時內完成充電，使用者是否能在加電站等1小時卻是個問題。

如果必須把車開回家在停車場充電，最大的問題是目前的電力基礎建設不足，假設大樓停車場有100個停車位，每個都設置插座，當100台電動車同時充電時，大樓的變壓器無法承受如此巨大的電流，因此整個電力基礎建設，包括：變壓器、變電所、高壓電塔都必須重新設計才能達成，聽起來就不是短期內可以做到的事，可能的解決方法是在大樓停車場建置大型儲能電池，當大量電動車充電時可以由大型儲能電池供電，考慮到成本與安全，大型儲能電池使用釩電池或鋁電池是未來可能的發展方向。

電動車不會排放廢氣　更環保而且節省能源？

由於我們的發電廠是以高壓交流電(AC)傳送到使用者家中，再以「電源供應器(PSU：Power Supply Unit)」轉換為直流電(DC)才能對鋰電池進行充電，如果使用的是交流馬達，則鋰電池供電時要再轉換為交流電(AC)給馬達供電，每一次的電源轉換效率大約80%~90%，因此這樣轉來轉去其實浪費許多能源。根據德國慕尼黑經濟研究院(IFO：Institute for Economic Research)發布的一份研究報告，考慮電動車的碳排放量時，如果將鋰電池的生產製造、能量轉換，以及供電過程中發電廠發電所排放的二氧化碳算進去，電動車的二氧化碳排放量會比傳統燃油汽車高。

根據IFO的資料，最環保的能源形式是使用「甲烷」，也就是我們家裡用的天然瓦斯，它與一般的「瓦斯車」類似，差別在目前瓦斯車使用的「液化石油氣」是丙烷和丁烷的混合物。以甲烷為主要動力的內燃機(引擎)可以使汽車減少碳排放量，而且甲烷裡含有的氮化物、硫化物等雜質更低，是汽車製造商可以採用的環保能源，搞了半天最環保的竟然是瓦斯車，看來豐田社長怒批電動車只是炒作算有幾分道理，不過瓦斯車還是會排放二氧化碳，無法解決溫室效應的問題。

電動車只能改善空氣污染　無法解決能源問題

充電站裡的電是那裡來的呢？還是由發電廠來的，說來說去，又回到了最原始的火力、水力、核能發電來提供，核能目前被社會接受的可能性很低，在台灣想蓋水庫都很困難了更別說水力發電廠，因此又回到最原始的火力發電，不論是使用天然氣或煤碳，最後還是免不了要造成空氣污染的，因此有人說電動車只是把城市裡的空氣污染，轉移到郊區發電廠而已。台灣目前全力推動太陽能與風力發電，這是應該做的，只是核能電廠要除役，太陽能與風力發電只怕用來補上這個電力缺口都不夠，沒辦法多出來給電動車使用。

汽柴油車與火力發電廠最大的差別，在於對污染物的控制，汽柴油車滿街跑到處噴廢氣，只能使用觸媒轉化器進行處理，由於價格與體積的限制，無法對廢氣有效回收處理；而發電廠是將廢氣集中處理，可以使用更昂貴體積更大的工業設備對廢氣有效回收處理，污染的確變低，因此使用電動車一定會減少城市的空氣污染，再加上近年來電池從製造方式到回收技術都快速進步，發展電動車仍然是重要的選項之一。

氫能與燃料電池被視為終極環保能源但是困難重重

傳統電池直接使用化學反應產生能量，優點是能量轉換效率很高(80%以上)，但是充電需要比較長的時間；而使用燃料以內燃機(引擎)進行燃燒反應產生能量，優點是可以直接補充燃料，但是使用內燃機的能量轉換效率很低(30%以下)，科學家開始思考，有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢？於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同，都是將活性物質的化學能轉換成電能，但是傳統電池的電極本身是活性物質，會參與化學反應；而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已，並不會參與化學反應(觸媒只用來引發化學反應)，必須將活性物質加入電池內，就好像我們的汽車補充燃料一樣，才能產生化學反應形成電能，是一種要補充燃料的電池，故稱為「燃料電池(Fuel cell)」。

儲氫技術價格偏高目前仍然無法擺脫石油

燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水，反應後排放的氮化物或硫化物極少，幾乎沒有任何污染，因此被視為終極環保的再生能源。但是燃料電池必須使用氫氣做為燃料。高壓儲氫技術如何把又大又重又危險的氫氣鋼瓶放在車上是個大問題；因此有國外公司開發出可以承受700大氣壓的航太複合材料儲氫瓶，可以取代氫氣鋼瓶，Toyota公司更在推出氫燃料電池車款Mirai，創下單次加滿氫氣可以行駛500公里的紀錄，已經是成功的商品了，那麼它的問題到底在那裡呢？

首先車上放了一個壓力這麼大的儲氫瓶是否安全是個問題，氫氣的來源則是更大的問題，大家都知道電解水可以產生氫氣與氧氣，問題是電解水產生氫氣的成本很高，而且這些電還是來自發電廠。為了降低成本，目前工業上主要是將碳氫化合物 (石油)以「 蒸氣重組」（Steam reforming）的方式分解生產氫氣，搞了半天還是要以石油做為原料，看起來人類要擺脫石油還真困難。

為什麼世界各國都訂定2030或2040年禁售汽柴油車？

很有趣的現象，世界各國都訂定2030或2040年全面禁售汽柴油車，為什麼是這個時間呢？主要還是覺得前面介紹的這些問題，包括充電站建置、電力基礎建設、新建大型發電廠，或是太陽能、風力發電等新能源開發，大約需要20年時間，因此選擇了這個時間點，問題是如果時間訂定了，卻沒有看到政府加蓋發電廠，那時間到了要怎麼辦呢？

不過各國政府爭先恐後這樣「宣誓」，還有一門不可言傳的心思，那就是老百姓對空氣污染已經忍無可忍，但是眼見要解決這個問題困難重重，宣誓「2040 年」禁售汽柴油車，等於是給老百姓一個交代，反正2040年是 20 年以後的事了，到時候站在台上的一定不是現在宣誓的這個人，這種只靠嘴巴說說就可以成功的「政績」，何樂而不為呢？

能源問題人人有責　不能把責任推給政府

經過前面的介紹，大家一定發現人類的能源問題沒有這麼簡單，政府該做的不只是靠嘴巴宣誓禁售汽柴油車，而是必須認真開始發展綠色能源。目前最大的問題在於：電價太便宜，造成使用者沒有節約用電的習慣，各種價格較高的「家庭能源管理系統」（HEMS：Home Energy Management System）乏人問津，電價如果真的大漲又會造成物價波動，受限於選舉與政治因素，要讓電價上漲也是困難重重，只能靠我們自己養成時時節約能源的習慣，才是最有效的方法。

責任編輯/周岐原

完整圖文內容請見：
https://www.storm.mg/article/3340151?mode=whole

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用矽與鈣鈦礦製成的低成本「光電極」，光電解水製氫效率達 17.6%（06/22/2020 TechNews科技新報）

作者 Daisy Chuang

製氫效率固然是重點，但材料成本與是否容易取得也是需要考量到的商業化要點，最近澳洲科學家就用矽與鈣鈦礦製造出「串疊型光電極」，研發出高效率光電解水製氫設備，效率已達 17.6%，喜聞樂見的是，材料還很便宜。

目前日本、南韓等不少國家看中氫能經濟，認為氫能利用形式多樣，既可應用在發電廠、小型發電機組，或是幫氫燃料電池車「加油」，我們也可以用再生能源電力從水分離出氫氣，加以壓縮後儲存分裝、輸送，是種發展潛力相當高的燃料，甚至可以變成一種綠色出口產業。

只是為了追求綠能與環保，科學家想要捨棄過去常見的高效率、卻也高污染的天然氣製氫法，得再找出具成本效益也很綠色的製氫方式。。

因此綠色製氫是不少研究員與工業念茲在茲的目標，其中光電解水製氫備受看好，透過光催化劑或光電極讓太陽分解水並製造氫、氧，過程不需要任何外部電力，能直接產生氫氣，目前其效率進展良好，轉換效率已達 19%，其實已經快要達到美國能源部訂下的 25% 目標，但現階段仍苦於光電極材料多採用昂貴半導體材料，不是人人玩得起。

對此，澳洲國立大學（ANU）科學家的突破或許能帶來轉機，他們將鈣鈦礦與矽晶串聯在一起，發現所製成的光電極效果比任何一種半導體還要好，團隊表示，矽晶太陽能雖然是市場上最常見的太陽光電技術，但不大適合用在水分解製氫，能量只有所需的三分之一而已，如果改用能隙為矽兩倍的半導體，或許就有機會解決這個問題，但同時也要考量到能矽愈高、補光效率就越低。

因此團隊改用兩個能隙較小的半導體，它們不僅能有效地捕獲日光，而且還能高效製氫。研究團隊指出，在這個發想之前，都沒有一種既可負擔、效率又超過 10% 的光電解水製氫設備，團隊採用鈣鈦礦、矽、鈦、白金光電極實現這個目標，效率也提高到 17.6%，未來有機會透過微調組件設計，提高效率，也希望能使用更豐富的材料來替代貴金屬。

該團隊也對鈣鈦礦-矽晶太陽能頗有研究，今年初 ANU 團隊也研發出 27.7% 的串疊型太陽能。為來團隊目標是將光電解水製氫的價格降至每公斤 2 美元左右，如此一來才能跟天然氣製氫相競爭。ANU 工程與電腦科學學院首席研究員 Siva Karuturi 表示，透過太陽能製氫，我們可以捨棄外部電力跟電網基礎設施，成本效益顯然更高。

完整內容請見：
https://technews.tw/2020/06/22/australian-researchers-claim-new-record-for-direct-solar-to-hydrogen-solar-cells/

更多外電相關報導請見：
Australian researchers claim new record for direct ‘solar-to-hydrogen’ solar cells（06/17/2020 RENEWECONOMY）
https://reneweconomy.com.au/australian-researchers-claim-new-record-for-direct-solar-to-hydrogen-solar-cells-63927

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大推！這才是摸著良心實話實說.....

核能是便宜的乾淨能源？ 莊秉潔：納入核廢料貯存回饋金　每度核電至少要20元！（11/26/2019 天下雜誌）

我們需每40年準備核廢料貯存回饋金21兆元，及2/3台北市面積的土地作為最終處置場，才能世世代代維持過去核能滿載時（如2014年）佔比達18%的發電量。依此重新計算每一度核電的營運成本，至少要20元，是所有發電方式中最貴的。

先說結論：以解決空氣污染的問題而言，燃氣、風電及光電的組合，就可以解決這問題，長期而言，電費也可以比韓國更便宜。

總統蔡英文11月22日正式宣布，針對蘭嶼核廢料補償問題，將給蘭嶼人25.5億元的回溯補償，每3年也會持續支付2.2億的土地補償金，直到核廢料遷出。我們知道，低階核廢料需貯存300年，其輻射強度才會降至環境背景值，其實根據「核能發電後端營運基金放射性廢棄物貯存及核電廠除役完成前回饋要點」，未來無論放在哪裡，無論有無遷出蘭嶼，這300年共要支付核廢料土地補償金或核廢回饋金共計220億。

依據目前核廢回饋金的要點，對高階核廢料的貯存地點所在及鄰近的鄉鎮，我們亦需支付回饋金。高階核廢料至少要十萬年，其輻射才可以降至背景值。

跟你在一起十萬年的核廢料
而理想的最終處置場，如芬蘭是位於遠超過十萬年母岩不動的地盤。而台灣位於太平洋及歐亞板塊交會處，地震、地殼錯動頻繁，不存在這樣的條件。在台灣，核廢料最可能的貯存方式是一直乾貯，當貯槽損壞或地質改變，再換一貯槽或地點，持續乾貯直到十萬年。所需費用及空間試算如下：

1. 回饋金：核一核廢回饋金一年有7000多萬（表1）。如需支付10萬年，合計為7兆元（7000多萬*10萬年）。以2009至2014核一廠所有機組幾乎都是全年滿載運轉時期為例，核一廠平均每年所有核能機組的總發電量為100億度電，以運轉40年計，為4000億度。以10萬年總回鐀金費用計7兆元，平均每度需支付17.5元。

2. 人事費：我們來簡單算一下，看管高階核廢料的最終處理場所需的人事費。我們編列管理人員每天三班，每班二人，24小時來監管這最終處理場，至少6人之人事費來算。根據行政院主計處統計，2017年電力及燃氣供應業的薪資中位數年薪高達119.6萬元。十萬年所需的人事費為7176億元（119.6萬元/人*6人*10萬年）。平均每度核一之高階核廢需支付1.79元。

3. 上面二者合計，每度就需要19.29元。再加上目前台電核能的營運成本為每度1.12元（2019/9），扣除之前攤提的每度約新台幣0.17元作為核能發電後端營運基金，為每度20.24元。而之所以台電估計核廢基金只需每度新台幣0.17元，是因為只有編列核能發電後端營運12年、監管50年的費用。

這監管50年距輻射強度降至背景值所需的十萬年差太遠。即使最後可以找到理想之最終處置場，也需要支付回饋金及人事費。可以預期，台灣及國外没有一個地方會接受只支付50年的費用，卻要放十萬年的核廢料。這成本一定會轉嫁到我們世世代代的子孫身上。上述費用還不包括發生核災的成本及貯存核廢料之設備費、維護費及業務費。加上之後，成本還會高上許多。

4. 而核電所使用的土地面積也是極高的。如果核能維持2014年全載（核一+核二+核三）時佔比約18%之發電量，直到永遠。因為高階核廢料需貯存十萬年，核廢才能無害，而低階核廢則需貯存三百年才能無害。這意義是，我們的核廢料貯存場，隨著運轉時間愈久就要新闢貯存場，來容納新的核廢料，而高階核廢料一直要等到十萬年後，目前三座核電廠之核廢貯存場才能清空，容納新的核廢料。目前我們三座核電廠運轉40年所產生的高階核廢料需要6.89公頃來貯存。

我們有2/3個台北的土地來貯存核廢料嗎？
也就是每40年就要增加6.89公頃面積來貯存新的核廢，一直到十萬年為止。我們計算十萬年總需求的面積高達17,225公頃（6.89公頃*100000年/40年），也就是172平方公里。而目前低階核廢料需要19.15公頃來貯存，其大部分來自三座核電廠，以每40年就要增加19.15公頃面積來貯存新的低階核廢，一直到300年止，這總需求的面積為1.44平方公里。高階及低階合計為173平方公里，這面積比澎湖的141平方公里還大，約是2/3的台北市的面積。台北市（包括淡水及部份陽明山）的面積為272平方公里。也就是我們需要有約2/3台北市面積的土地，作為最終處置場，才能世世代代維持2014年約18%佔比的核電規模。

上述計算出核一之回饋金費用是7兆元，同樣核二及核三所需的回鐀金費用亦約7兆元，三座核電廠總計21.6兆元（表1）。加上目前貯存在蘭嶼的低階核廢回饋金，總共需21兆6220億元的回饋金。目前（2018）核能後端營運基金為3345億，相較未來需支付21.6兆的回饋金，相距甚遠，即使現在就調升核廢基金，我們至少需債留子孫20兆元。

根據上述，對台灣未來之核能政策，筆者建議，應依核能之除役時程，表定在2025如期非核，全台就可以不用擔心核災，及更多債留子孫的錯誤。

改善空汙的能源政策 不僅環保還很省錢

而空污改善之能源政策，比較台電2019/9最新的各種空氣污染小的發電方式的成本，核電是所有發電方式中最貴的且最危險的。上已計算出核電之每發一度營運成本，包括核廢回饋金之後，超過20.24元，而其它如燃氣2.7元、風電2.0元，而光電是1.8元，核電是天然氣發電的7.4倍。

即使目前離岸風電之躉購費率達5.5元，其是包含國產化的項目。2025年的競價風場價格為2.2-2.5元，已低於目前台電對用戶的平均售電價格2.6元。而蔡總統在11月12日所宣誓在2025-2035預計增加的10 GW的離岸風電，這風電成本包括要求儲能及電力品質設施等，預期可以低於每度3元。而這10 GW的離岸風電的裝置容量，如果用12-15 MW的風機，容量因素可以達50%，其實際發電量亦可以達5 GW與台灣2014年核電全載時之發電量一樣。

天然氣發電所產生的PM2.5，是超超臨界燃煤機組的1/72（圖1），這顯示天然氣發電相對於燃煤造成的PM2.5，是可以幾乎視作無污染的。而風電及光電不產生PM2.5及排放溫室氣體。核電是否不排放大量溫室氣體及PM2.5，當考量其燃料棒生產及未來十萬年之封存，每百年就要從重新換貯槽，所需使用的水泥量及生產這水泥所排放的二氧化碳及生成的PM2.5，其實是有爭議的。

甚至在2035我們會有16 GW的離岸風電，在某些時段再生能源過多時，我們還可以電解海水製氫，以氫取代部分天然氣來發電。甚至可以用氫氣來煉鋼，以取代目前高雄第一大污染源中鋼及台中第二大污染源中龍鋼鐵中最污染焦碳煉鋼的製程。

面對未來的能源政策，筆者建議：

一、再增加在2030年將剩餘的6組台中燃煤機组改燃氣。

二、修正《汽電共生法》第10條，國家必須無條件高價採購燃煤汽電共生的電。如此一來，再過10年，2030中雲嘉南就可以成為非核無煤（或全部轉備用）的宜居家園了。其中將既有老舊煤電機組轉備用，我們就可以不用擔心台中電廠全改燃氣，可能因氣源不足斷氣而缺電的疑慮，因為只要啟動備用的燃煤機組就可以避免缺電了。

透過燃氣、風電及光電的組合，就可以解決空氣污染的問題，電費也可以控制在每度3元間，比韓國的3.1元更便宜。

本文作者莊秉潔為中興大學環境工程系教授

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