能源知識庫

重點摘述

以歐盟統計，當今歐盟國家使用的能源，半數仰賴他國，若仍持續現狀，2030年前歐盟的能源進口依賴性將由50%上升到70%，其中有大部份來自中東等政治不穩定區域；且由於北海油田的蘊藏量日益枯竭，若北海油田不再產油，能源安全問題大受威脅。以2007年所提出的歐盟能源政策，開發能源永續性和供應來源就成為各會員國必須面對之迫切問題。而再生能源是主要關注的重點之一，未來以達到2020年再生能源佔全歐盟總能源使用20%為目標，其中生質能最少占10﹪。由於運輸用燃料為歐盟區域經濟體重要耗能項目，在運輸燃料上對化石燃料之依賴就高達百分之九十，因此，歐盟決定推動相關政策，以促進再生能源和生質能源發展在運輸燃料上，以減少或取代歐盟成員國交通運輸所利用之傳統石化燃料。

據歐洲核能協會（European Nuclear Society，ENS）統計，目前歐洲境內共有195座核能發電廠，而歐盟（EU）27個會員國境內共有143座核能電廠。法國境內的核電廠總數更高達58座。日本核電廠爆炸導致輻射外洩，歐盟高度重視核安問題。在高峰會議上，各國元首一致同意，全面展開核電廠的壓力檢測，凡無法通過壓力測試就不再運轉，並公布未來10年、也就是名為「歐洲2020」的能源策略。這項由歐盟27國領導人共同背書的能源大方略，訂定在2020年，歐盟經濟發展需全面落實知識、低碳、高就業導向的目標，必須實現3個20%。它們分別是：減少溫室氣體排放20%、可再生能源運用需達能源使用總量的20%、能源使用效率提高20%，為此，歐盟已決定要投入1兆歐元發展能源基礎建設。歐盟重視風能的研發，打算在未來20年內投入4000億歐元發展風能，投資金額可觀。歐盟預估，以能源效率提高2成的目標而論，可使歐盟國家每年節省約780億歐元的能源成本，並創造更多的工作機會。

歐盟能源政策目標:

1、提出未來2020年溫室效應氣體排放量減少為20 ％。

(汽車之二氧化碳排放量至目前為止為每公里平均130克，並限制將於2020年降低為95克。)

2、規劃未來2020年再生能源能源使用量達至20 ％。

3、汽車廢熱發電量節省油耗達5 ％以上。

4、使用乾淨且當地性的能源，減少有害物質的產生。

表 1 歐盟再生能源發電之發展表

表1顯示2005、2006、2010年再生能源產生之發電量與2020年預期獲得之發電量，以數據統計至2020年再生能源發電將達到總電量的33~40 %，而風能發電將會是最大宗。

表 2 歐盟再生能源產生熱能之發展表

隨著再生能源成長，再生能源產生之熱能也會跟著增加，如上表2所示，至2020年再生能源產生之熱能將達到總熱能的25 %。如能以生質、地熱、太陽能能源整合熱電發電系統，將造成更多的可用能源。

歐盟最主要的熱電技術研發計畫為Framework Programe(FP)，熱電計畫由FP4發展到現今的FP7，FP7的計畫經費高達1470萬歐元，研究計畫數量為39個，如圖1所示。其中以德國獲得10個研究化為最多，由於足夠的研究經費支持提升歐洲各國的熱電研發能量，其結果反應於熱電研究投稿數量逐年增加，如圖2所示。

圖1  FP7計畫計畫經費以及各國家獲得的計畫數量

圖2 歐洲熱電計畫歷年發表數量統計

    歐盟熱電計畫FP7的四個主要目標為:

1.利用奈米科技提升熱電材料導電性且並且開發低成本可工業化生產的熱電材料製程，以及超晶格熱電材料運用。

2.奈米結構的Mg₂Si合金塊材製程建立，無ZT目標以及高溫廢熱捕捉技術開發。

3.開發n型Mg₂(SiSn)材料ZT>3，以及運用於工業上與行動載具上KW級轉換裝置。

4.奈米尺度材料開發，包含奈米塊材與奈米厚膜(模厚>>50mm)，以及廢熱發電與製冷裝置開發。

圖3 歐盟熱電計畫FP7的四個主要目標

上述歐洲熱電發展歸納可知，目前FP7計畫目標大致可分為3個方向，第一為奈米技術導入提昇材料ZT值，第二為鎂矽熱電材料開發，最後為廢熱回收再利用。

Harald Bottner教授所發表的熱電相關論文達100餘篇且擁有20熱電相關的專利。Harald Bottner教授簡述德國的能源政策方針，預定在2050年之前提昇工業能源使用效率，提升效率的技術如圖4所示，包含:熱電技術、ORC技術、Kalina cycle技術、Heat exchanger技術和工業的熱泵技術。其中研究方向為可用廢熱源分析、新熱電材料開發、工業產品等級的熱電發電機、改善熱交換、新的ORC概念、熱電技術的研究方向為新材料開發、給熱循環使用的新冷凍物質。由此可知德國認為固態熱電發電用於工業廢熱回收再利用是很有潛力的技術，因此也投入大量研究經費培養國內熱電領域人才以及熱電技術相關的基礎研究。我們都知道目前熱電技術的瓶頸在於能源轉換效率不佳，連帶導致系統成本昂貴，而無廠商願意投入此領域。厚實熱電相關基礎研究，才有機會研發高性能熱電材料以突破瓶頸。

圖4 德國在提升工業能源使用效率的技術與研究項目

德國科學研究基金資助熱電研發計畫為『DFG priority program』，計畫明確指出奈米熱電材料為計畫研發主軸，利用奈米效應提升材料熱電性質。『DFG』計畫方向為材料開發，熱電特性研究以及理論研究，以提升熱電材料性能。其中材料種類包含鉍碲奈米結構合金、3-5族合金(如，PbTe...)、Antimonides(Zn₄Sb₃，CoSb₃)、Heusler、矽基材料、矽基奈米材料以及氧化物熱電材料。

圖5 FP7計畫中德國的熱電研發計畫『DFG priority program』

歐洲熱計畫『Framework Program』對於熱電發電應用的市場需求與規劃目標(圖6)。其發電效率以及使用溫域逐年提升，發電效率由先今低於5%提高至大於10%在2025年; 同時，其使用溫域提高至大於700 °C。現金熱電發電系統成本為10歐元/W，目標在2025年下降至0.25歐元/W，使熱電發電系統更具競爭力。

圖6 歐盟對熱電發電應用於市場需求的規劃目標