能源的種類:再生能源與其他能源的差異

作者:Hightech   |   2018 / 12 / 17

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


能源的分類

能源可以大約分為初級能源與次級能源兩種,如<圖一>所示。

➤初級能源(Primary Energy):又稱為「一次能源」,是指天然形成的能源,又可以分為「再生能源」與「非再生能源」兩大類:

  1. 再生能源:可以隨著大自然的運轉而永不枯竭的能源,早期因為再生能源穩定度低、成本又高,因此發展困難,例如:風力能、水力能、太陽能、地熱能、生質能、海洋能等。
  2. 非再生能源:必須消耗掉的能源,所以蘊藏量有限,與再生能源相對穩定度高、成本較低,但是使用時卻會造成環境污染,例如:石油、天然氣、煤炭、核燃料等。

➤次級能源(Secondary Energy):又稱為「二次能源」,是指由初級能源經過處理或轉換以後所形成的能源,例如:電能是由發電機產生;汽油、柴油、燃料油、液化石油氣、煤氣等是由石油提煉而來。

圖一、能源可以大約分為初級能源與次級能源

能源的消耗

目前全球能源消耗情形如<圖二>所示,前三名依序為石油(38%)、煤炭(26%)、天然氣(24%),核能發電與水力發電則並列第四名,由圖中可以看出目前人類 88% 的能源都是依賴燃燒能源,不幸的是,人類目前使用的燃燒能源都是屬於「非再生能源」,所以蘊藏量有限,在可以預見的未來,非再生能源會慢慢枯竭,價格也會慢慢上漲,發展其他替代能源刻不容緩。

圖二、目前全球能源消耗情形(資料來源:經濟部能源局、BP Statistical Review of World Energy June 2004)

移動式的能源

使用在移動的設備上,例如:汽車、火車、飛機、甚至太空梭等,移動式的能源通常必須考慮可攜帶性,所以必須滿足體積小、移動性高、馬力充足等特性才行。

➤由化學能產生機械能(化學能—熱能—機械能)
通常都是使用汽油或柴油進行化學燃燒反應(化學能),利用燃料點火產生爆炸(熱能),最後推動引擎(機械能),機車、汽車、飛機等移動式的交通工具大多使用這種能源,因為燃燒汽油或柴油的引擎體積小,而且補充燃料也很容易(只要到加油站和工讀生說:95加滿!就可以了,怎麼樣,夠容易了吧!),燃燒汽油或柴油也可以提供足夠的馬力,讓人享受風馳電轍的感覺,不過別忘了,這種方式必須使用內燃機(熱機),因此產生的能量受到卡諾定理的限制,能量轉換效率只有20%~30%。

➤由電能產生機械能(電能—機械能)
通常都是使用電池或高壓電力線(電能)直接推動電動馬達(機械能),電動機車、捷運系統、高速鐵路等移動式的交通工具大多使用這種能源,不過使用電池推動車輛常常會有馬力不足的問題,必須提高電壓串聯許多電池,早期由於使用鉛儲電池能量密度較低,因此電動機車馬力不足,近年來由於鋰電池技術成熟,使得電動車產品日漸成熟。

固定式的能源

使用在固定的設備上,例如:家庭、學校、工廠等,固定式的能源通常不必考慮可攜帶性,所以大多是直接以電力系統提供電力,大部分是屬於「二次能源」,基本上只要有電源插座可以使用就好,不需要考慮到移動性與馬力是否充足的問題。

➤經由化學能產生電能(化學能—熱能—機械能—電能)
以瓦特發明的蒸氣機為代表,火力發電廠、核能發電廠等就是使用這種方式提供能源,通常都是使用石化燃料或核燃料進行化學反應(化學能)產生高溫(熱能),再利用熱能推動蒸氣機與發電機(機械能),最後才能產生電能,這種方式仍然必須使用外燃機(熱機),因此產生的能量受到卡諾定理的限制,能量轉換效率只有 20%~30%。

➤經由機械能產生電能(機械能—電能)
水力發電、風力發電、潮汐發電等就是使用這種方式提供能源,通常都是使用大自然的力量直接推動發電機(機械能)產生電能,使用這種方式產生的能量轉換效率不受卡諾定理的限制,但是由於水力、風力、潮汐等都是屬於大自然的現象,並不是任何地方都可以使用。

高效率的能源

傳統電池、燃料電池等都是直接由化學能產生電能,通常都是使用陽極與陰極進行化學反應(化學能),直接產生電子(電能),這種能源可以使用在固定式的設備做為發電機,也可以使用在移動式的設備,例如:小型的移動式電子產品可以使用電池推動積體電路(IC)工作,大型的電動汽車也可以使用電池推動馬達。

此外,使用這種方式產生的能量轉換效率不受卡諾定理的限制,理論上可以達到 90% 以上,不過由於目前科學家還沒辦法讓化學反應完全進行,所以實際上的能量轉換效率只能達到 50%~60% 左右,傳統電池與燃料電池的原理類似,但是產生化學反應的方法不同,由於燃料電池是未來很重要的一種能源,後面將會詳細介紹。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

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