2007/01/05
經濟部能源局
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■撰文：翁鳳英
正值盛夏。一位潛水夫跳入水中，他背上背了一個氧氣筒，裡頭裝了用200bar壓縮成的12公升的氧氣，相當於在水面上2,400公升的氧氣，足以讓潛水夫在水中停留18分鐘之久。氧氣是人體賴以維生的氣體，紅血球帶著氧氣在肺部表面和白血球進行氣體交換，使人們的細胞能持續生存，因為人只要在數分鐘內缺氧，就會死亡。
其實氧氣不只對人體重要，它也是工業上重要的助燃元素之一，像是發電廠燃燒煤、瓦斯或其他原料都需要用到它。另外，沒有了氧氣，交通工具如汽車、飛機和船舶也無法啟動行進。本文討論純氧在節能上的運用，以純氧在煉鋼與製造U型潛艇的運用為例，希望能為各界提供參採。
純氧煉鋼
一般人可能不知道，從空氣中抽離氮氣和其他痕量氣體（例如二氧化碳、甲烷和臭氧）後，所得的純氧可以加速燃燒速度。布萊梅港口的Reiner Brach鋼鐵廠，專門生產的產品範疇極廣，從推高機、精密的外科手術醫學器材等到簡單日常生活用到的刀叉都有。
從該公司的展示室可以看到純氧如何加速燃燒。在將一錠一錠的鋼條軋製成薄鋼板時，需要從原先的300度至500度之間，持續加溫數個小時到攝氏1,200～1400度。在這個工廠裡，共有12座煉鋼爐，所採用的助燃氣體都不是一般的空氣，而是純氧。一般空氣的助燃點最高可達攝氏1,800度，而純氧可至攝氏2,800度。
德國販售諸如乙炔、氬氣和純氧的公司，較著名的有Firma Linde。若是使用瓦斯為燃料，配以純氧，則理想的燃燒比例為1：2，也就是說若為100立方公尺的瓦斯燃燒，則需要200立方公尺的純氧，方能達到理想的燃燒結果，否則就需要注入1,000立方公尺的空氣。以此技術為原則，Rainer Brach的煉鋼爐，每小時可節省注入800立方公尺的空氣。
使用純氧的優點在於：只使用純氧來進行燃燒，可以省去氮氣。如此一來，節省的能源達50％，而廢氣的排放量也減少7成。工廠不需要花費處理廢氣的成本，只要小型的廢氣設備即能運作，這不僅節省設備成本也省下維修成本。在燃燒的程序裡，可以迅速地加熱至理想的溫度，提高每個煉鋼爐的熔煉量和產量。
純氧發揮節能功效
在北歐的瑞典，此類技術已在1980年代建立完成，主要的技術開發目地在於節省更多的燃燒原料，在北歐國家裡，最常使用的氣體是較貴的丙烷。現在德國煉鋼廠一般用天然瓦斯和一般空氣來加熱，目前看起來，包括廢氣的處理費用還可以負擔得起，但隨著能源價格日漸上揚，德國煉鋼大廠Thyssen-Krupp對於使用純氧來助燃的想法已有了改變。
對於技術設備的更新而言，因為要視煉鋼爐的大小規模而定，而很難加以正確判斷。若煉鋼爐不需要持續運作，則可能每個煉鋼爐需要投資100,000～150,000歐元之間。若是以一個大煉鋼爐而言，每小時可生產300～400噸的鋼條，則所要花費的投資成本為200萬歐元至1,000萬歐元之間。
設備更新需要時間，而對於如Thyssen-Krupp的煉鋼大廠而言，現在正值鋼鐵市場蓬勃發展的時期，若要停止生產數個星期，只為更新設備，實為困難。但在布萊梅的Rainer Brach卻有先見之明，早在1994年即以引入純氧燃燒的煉鋼程序，相對於現在能源費用高昂，當時的作法是對的。
論起能源的成本效益，採用純氧是可行的。而將來一定會有更多煉鋼廠採用純氧來進行燃燒。雖然純氧可以為人類省下很多的能源，但在使用它時也要特別小心，當它與磷、鎂或鐵粉接觸時，會引起燃燒；若遇到氫氣時，則也會引起爆炸。
純氧結合氫燃料電池在軍事上的運用實例
幸好這種燃燒和爆炸並不時常發生，原因之一是氧氣在空氣中的含量並不多，一般空氣的氧含量只有21％，其他78％主要由氮氣及水汽等氣體組成。這樣的比例，保護了空氣中許多的物質不致於起火燃燒。燃料電池可在室溫下運作，這種在電池裡進行的所謂的冷燃燒主要依靠氫氣和純氧。
這種燃料電池，近年來已在技術上有所創新，能夠驅動U型潛艇（U-Boot）。U型潛艇由德國聯邦海軍駕駛，它常停駐在北部基爾港（Kiel），由德國軍事工廠Howaldtswerke建造。全球國家如希臘、義大利、葡萄牙和南韓都擁有這類潛艇。該潛艇重要的結構之一，即為其氫燃料電池，其建造技術屬於Thyssen Krupp鋼鐵廠。2006年6月時，德國軍事工廠為希臘打造的U型潛艇進行下水測試，它的工程師Hans Pommer表示，該潛艇具改良後的氫燃料電池配備。
這艘U型潛艇是高13公尺、長65公尺的黑色龐然大物，它具有2個柴油馬達和1個氫氣燃料電池。相對於具柴油馬達和鉛電池的傳統潛艇，U型潛艇有許多優點。傳統潛艇因構造的需要，必須常常浮出水面補充氧氣，或至少將煙囪伸出水面，在軍事策略運用上，這是極危險的。
而U型潛艇的氫燃料電池可以直接從水中補充並儲存氫氣，同時也具有可儲存液態氧的設備，足夠潛艇行進時所需的能源。
U型潛艇裡的氫燃料電池因實際的需要，而獲得很大的技術突破。這類電池必須要比其他燃料電池相對輕巧。另方面，因為有純氧在其中，因此必須完全排除氮氣，才能避免渣料的產生。另一項必須要注意的是，該電池中的金屬隔熱板，必須鍍金，才能避免電池內的電阻，而增加反應效率。
較理想的狀況是，能具備較多個燃料電池，以避免單一電池電流過強，同時又能保持高伏特，使燃料電池內的效應盡量保持相同。也就是說，藉安裝較多個的燃料電池，能保持在低電流和高電流之間運作，達到最佳的效能。
U型潛艇在緩慢進行時，燃料電池能達到超過60％效率。若為高速前進，則效率降為約50％。然而，此類的U型潛艇除了燃料電池組外，仍配有1個或2個傳統的柴油馬達。
在外在空氣不那麼重要關鍵時，藉用柴油和一般空氣的電池當然比較使用氫和純氧的燃料電池便宜；對於U型潛艇而言，軍事上的機動需求為優先考量。換句話說，能夠結合兩者優點的氫燃料電池為最佳選擇。
結合了柴油和氫燃料電池的U型潛艇，是軍事上的理想潛艇，一般雷達很難偵測到它的位置，原因是它船身推進器噪音小；所配備的氫燃料電池很安靜，不產生廢氣，也不散熱，敵方也很難藉電池在水中所散發的熱量，而找到U型潛艇的位置。因此，與使用柴油引擎的其他潛水軍艦比較起來，U型潛艇當然就具備了不需要外在空氣並能長時間潛水的優點。
新有「氧」運用
由此可知，人類沒有氧氣無法存活，而對某些設備而言，純氧也是必備的氣體。而現在科學家要做到的是，使純氧的運用能更加廣泛，並改善純氧的品質。除了將純氧運用在軍事U型潛艇外，希望將來也能在煉鋼廠裡，以較合理的成本，加入純氧來煉鋼，以達到節能的目地。（作者為本刊駐德國特約記者╱讀者可上網www.wdr5.de的Leonardo-Wissenschaft und mehr查詢相關資訊）
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