2019/07/29
｜採訪撰文：鍾嘉雯
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攝影／鍾嘉雯
【績效評鑑獎】能源局自2011年推行計畫績效評鑑作業，一路行來，鞭策計畫成效精進，使策略規劃品質更為提升。2018年從83項計畫中脫穎而出的優等生們，在能源領域研究中有什麼卓越表現？讓這些楷模和特殊貢獻獎代表們一一道來！
一點廢熱都不放過！整合式工業燃燒設備節能技術計畫（簡稱「燃燒節能」）應用熱電技術開發世界前三大kW級廢熱回收系統，回收低溫廢熱轉換為電力，既減廢又生電！
「燃燒設備如鍋爐、熱處理爐、廢棄物焚燒裝置等在工業當中相當普遍，也是人類所製造出來的主要廢熱來源之一。全台灣鍋爐就有上萬台，如果可以將這些廢熱儘量利用來發電，可以取代非常多電廠原本要產出的電力，從源頭減少燃料使用和污染排放。」燃燒節能計畫主持人林育立博士說。
工業部門的電力消費占全國總耗能的一半以上（2017年占比54％），而工業部門的低溫廢熱占廢熱總量50％以上。燃燒節能計畫以鍋爐為起點，提出一套整合式節能程序，先改善燃燒設備的燃燒端效能，再回收排放端廢熱發電，進而減少燃料使用量、降低設備對於電網電力的需求，以提高整體能源效率。起點，就從鍋爐效能改善開始！
從源頭加氫 燒得更乾淨讓廢熱減量
為什麼會有廢熱產生？林育立博士表示：「燃燒設備顧名思義，就是以燃燒燃料或可燃廢棄物等來達成加熱目的的裝置。燃燒時會產生大量的熱，這些熱因為技術的限制，沒有辦法被燃燒設備完全利用，部分甚至沒有利用就直接排放掉；另外有些老舊的燃燒設備沒辦法將燃料燒得很乾淨，因此會產生如一氧化碳及未燃碳等可燃的產物。這些沒有充分利用的熱或可燃物，會隨著燃燒所產生的煙氣排出，這些熱便是所謂的廢熱，而煙氣中沒燒完的可燃產物不僅造成環境污染，也是浪費能源。」
因此，燃燒節能團隊想到了兩個方式，來分別解決「燃燒不完全」和「排出廢熱」的問題。
燃燒設備的廢熱量與「過量空氣」有很密切的關係。林育立博士解釋：「燃料要燒起來得靠空氣中的氧氣助燃。一般的燃燒過程中，要導入比理論值還多的空氣，才能提高完全燃燒的機率，這些就是所謂的『過量空氣』。既然是過量的空氣，就表示會有剩下沒用到的氧氣，以及原本就不會燃燒到的氮氣，這些剩餘的氣體加上燃燒後產生的二氧化碳、水蒸汽等就會帶走一部分熱能，造成能量的浪費。另外，過量空氣也表示會有更多的氮氣送到燃燒設備中，因此也容易產生會造成空氣污染的氮氧化物（NOx）。」
燃燒節能團隊經過文獻探討和實驗驗證，提出在燃燒時混入一定量的氫氣，藉由氫氣容易燃燒的特性，可適當地降低空氣過量的比例，加上氫氣燃燒的溫度高，也有助於使原本的燃料燒得更完全，整體而言就能減少產出的廢熱與污染物量，同時提高燃料能量利用率。
加氫的方式視燃燒設備及燃料種類而定，可以先將氫氣與燃料混合，或是改造燃燒設備，以「氫氣槍」注入氫氣。在改善上游燃燒的品質後，對於從燃燒設備尾端排出的廢熱，團隊則設計用來發電，廢熱轉換出的電力可以提供燃燒設備運作時使用，也可以直接將電力併網供給現場其他設備使用。這種將燃燒設備的上下游都做到最佳品質與最低浪費的模式，是一種有效的能源循環使用架構。
熱電再轉換 以溫差發電的熱電技術讓廢熱重生
廢熱的問題該如何解決呢？將熱轉換為電力，就是燃燒節能團隊想到的妙招，靠的就是熱電技術！
熱電技術是利用導電但低導熱的熱電材料（分為P型與N型）將熱能轉換成電力，而熱電材料通常會先被組成熱電模組再使用。典型的熱電模組以兩片陶瓷平片作為基板，兩者中間貼覆數十至數百顆熱電材料，構成一個三明治結構。兩片陶瓷片中的一片作為熱面來接收熱能，另一片則作為冷面來散熱；換言之，熱電模組是透過溫差讓熱能通過熱電材料而轉換出電力。林育立博士現場拿出熱電模組進行實驗，將模組放在桌上，手指壓在模組上，手指與桌面的溫差就讓模組產生了電力（見下圖）。
攝影／鍾嘉雯
林育立博士說明：「我們將熱電材料組合成熱電模組，再將熱電模組和供熱與散熱的熱交換器結合起來，即成為一個熱電發電系統。當熱源進入供熱的熱交換器，同時又有相對較低溫的水或空氣等流體進入散熱的熱交換器時，熱能將會因為溫差而通過熱電模組，進而轉換出電力，不需要額外的驅動力就能發電！」
kW級熱電系統第一代 精衛也能填海
雖然技術的發想概念十分進步，不過林育立博士也坦承，以目前已經大量生產的熱電材料性能水準而言，用在最常見的200℃以下低溫廢熱時，效率通常在5％以內，還有很大的進步空間。即便如此，在投資層面上，以目前團隊所研發出的10kW級熱電發電系統來說，若能夠生產到百部以上，平均每kW售價有機會落在6～10萬元之間，已經有市場應用價值。林博士比喻：「目前熱電的核心元件已經是一個成熟的技術，就像是iphone第一代，現在用iphone 10的人回頭去看會覺得第一代有很大的進步空間，但它已經是可行的產品。」
目前全世界最大的熱電發電系統是美國的17kW系統，日本則有8kW系統，燃燒節能團隊研發的10kW級系統，實測最高值達到13.6kW，規模在全世界也是名列前茅，並在工業現場持續進行效能驗證，優秀的成績也讓燃燒節能計畫得到經濟部能源局的「績效評鑑獎」。
林育立博士也舉例，他在2018年底評估北部一間傳產公司，因廢熱條件相當良好，經評估設置規模可達到120kW。若能導入燃燒節能團隊所開發的熱電系統，以模組化生產降低成本之下，大概3～4年即可回收。也就是說，以目前的熱電技術水準，在一定規模量之下，回收期已經是在一般廠商可以接受的範圍內，更何況熱電材料的效率仍在進步當中，未來有非常大的市場潛力。
圖片提供／工業技術研究院綠能與環境研究所
節能螞蟻雄兵 潛力無限！
目前燃燒節能團隊正在研發體積更小、發電量與效率更高的第二代熱電系統。林育立博士強調：「我們目標是設計出尺寸適中、發電量高的熱電發電系統，例如有一種機體規格是發電量在1kW以上、長寬高都在70公分以內，一個人就可以搬運！這樣的模組化小單元可以依照客戶需求，任意擴充至各種發電規模，真的有狀況則可以更換單台機組，從搬運、組裝到更換，都可以很方便地完成。」
相較於同樣用在廢熱發電的ORC（Organic Rankine Cycle；有機朗肯循環）技術，1kW、5kW起跳的熱電發電系統規模小了許多，不過台灣分散式的燃燒設備極多，且當中有許多設備所在的空間極狹小，正是適合熱電系統發揮的地方。如何積少成多、眾志成城，讓螞蟻雄兵發出大象之力，就要靠「整合式工業燃燒設備節能技術計畫」！
圖片提供／工業技術研究院綠能與環境研究所
關鍵字：績效評鑑,工業節能,廢熱回收