水合燃料

近期油價下跌的波動,除了經濟不景氣的供需效應外,最主要在於岩頁油的開採,也就是說,岩頁油可以穩定石油價格的作用,岩頁油是由油頁岩中提煉出的油質。油頁岩為暗色細粒的老沉積岩,富有固態的有機物或碳氫化合物稱為油母質,經過處理之後可產生類似石油類的原油,蘊藏量比原油還豐富,將來原油短缺時,可做為能源的替代品。

雖然石化燃料一直在消耗,但由於新技術的開發,新的石化燃料陸續被發現,其中天然氣水合物由於蘊藏豐富可被視為未來的替代能源,一般天然氣主要的成分為甲烷以氣體的形態存在,天然氣水合物也稱為甲烷水合物是屬於固體的形態,外表如結晶的冰狀物,一點火即可燃燒,被稱為可燃冰。甲烷水合物所形成的原因是在低溫高壓的環境下,甲烷分子被水的結晶籠鎖在內部而形成的結晶狀的物質,大部分由水分子形成五角形十二面體或上下再加兩面六角形組成的結晶籠結構,當壓力下降或溫度上升時很容易釋放高純度的甲烷氣體,是一項非常純淨的能源,不會產生其他的硫化物或氮化物,對於環境的污染也可降到最低。

儘管石化燃料陸續被發現,但終有一天會耗盡的時候,形成嚴重的能源浩劫,因此儲能的概念逐漸受到重視,期待石化能源枯竭時,可持續維持能源的使用,大概可分為熱能儲存、電能儲存、機械能儲存及化學能儲存等四大技術分類。其中化學能儲存的儲能技術具有相當高的儲存能量密度,也是處理二氧化碳過度排放的手段之一,其方法是將能量用於製造高熱值的氣體如氫氣及甲烷、甲醇等低碳族氣體做為儲存能量的目的。最近推出商品化的燃料電池汽車,是將燃料氣體的化學能直接轉變電力的方式,顯示出此項儲能技術的重要性。

其中一項最傳統、最簡單且可大量製成可燃性氣體為水合燃料的技術,內部組成的可燃性氣體為氫氣與一氧化碳,俗稱水媒氣,是利用水蒸氣通過熾熱的焦炭而產生,傳統的方式需要龐大的設備,因此製程規模受到限制。然而利用熱裂解的方法,使水分子直接裂解成氫與氧原子,必須在高溫的環境下才可實現,通常採用水中電弧加熱或者將碳棒做為加熱元件置於水中的方式產生。由於缺氧的水環境中,碳與氧的化合會傾向一氧化碳,而不會生成二氧化碳,水在高熱的碳環境中產生的熱裂解現象而生成大量的氫與一氧化碳。由於碳在水中會產生化合,逐漸消耗碳棒,因此科學家嘗試將高熱的碳直接在有機液體中反應,發現碳棒不會被消耗,而且會產生大量的氫氣及甲烷、乙烷、乙炔等低碳族氣體,未來可將此技術應用於處理廢棄油及有機溶液的工業上,使廢棄油或有機液體的能源可再加利用。

作者介紹

范榮權
大葉大學電機工程系副教授,專長為太陽光電、燃料電池、LED、節能技術、半導體材料