這是一篇蠻持平客觀的分析、說明..... 電動車和你想的不一樣:只是炒作?真的會造成缺電嗎?專家一次說清楚(12/30/2020 風傳媒)
"你應該知道的是:豐田汽車社長痛批,電動車若更加盛行,可能造成日本大缺電,此一說法引發外界熱烈討論。如果電動車滿街跑,到底會不會缺電?電動車只是炒作的話題嗎?作者以專業背景解釋,電動車對解決大城市嚴重空氣污染將有顯著成效,但能源轉型困境並未因此紓緩,能源問題人人有責,不能把責任推給政府。"
作者:曲建仲 / 台大電機博士,知識力專家社群創辦人
近年來空氣污染讓大家忍無可忍,溫室效應造成的氣候暖化日益嚴重,讓世界各國政府推出新的碳排放法規,不約而同喊出 2030或2040 年禁售燃油車的口號,許多車廠被迫積極開發電動車,彷彿電動車能夠解決人類的空氣污染與能源問題,豐田社長怒批世界各國政府力推電動車只是炒作,許多人可能認為那是豐田(Toyota)眼見特斯拉(Tesla)股價節節高昇而吃醋,所以電動車真的是未來環保的新希望嗎?事實恐怕和你想的不一樣?
電池的構造與原理
所有的電池都具有陽極(負極)與陰極(正極),基本上都是由陽極(Anode)發生的化學反應產生電子(Electron)與陽離子(Ion),電子流入元件可以推動元件工作,也就是我們所稱的電能,如圖一(a)示;陽離子則經由電解質穿越多孔性的隔離膜到達陰極,如圖一(b)所示;最後陽離子與電子在陰極(Cathode)結合,如圖一(c)所示。
電池的陽極(Anode):是我們所稱的「負極(Negative electrode)」。電池的陰極(Cathode):是我們所稱的「正極(Positive electrode)」。
兩者恰好相反,千萬別弄錯了唷!大家可能會好奇,為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢?因為化學家定義放出電子的叫「陽極」;而陽極放出電子,代表陽極必定帶負電(同性相斥、異性相吸),所以物理學家稱陽極為「負極」。
不同的鋰電池主要是陰極材料不同
不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料(正極材料)不同,目前最常用的陰極材料共有四種:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、鋰鐵氧化物(LiFePO4),其中大家常聽到的「三元鋰電池」其實是陰極材料使用鈷鎳錳酸鋰三元化合物的鋰離子電池,其中三元是指包含鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)三種金屬的化合物,而電解質主要是使用六氟磷酸鋰液體,負極材料一般是使用石墨。
固態鋰電池未來發展值得關注
由於現在的鋰電池所使用的電解質是液體,容易發生漏液汙染、易燃爆炸等問題,而固態鋰電池的電解質是固體,不會因為隔離膜破損就導致陰陽極接觸短路爆炸,而且固態鋰電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集傳導更大的電流提升電池容量,此外固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等特性,不像傳統鋰電池的液態電解質含有易燃有機溶液,需要降溫、防撞擊、防穿刺等安全裝置。
電極材料與液態電解質容易完全接觸,但是和固態電解質接觸不如液體,造成介面阻抗過高,影響整體電池效能,而且固態電解質製程良率低價格高,仍然有許多困難。日本Toyota公司預計2022年推出全固態鋰電池的電動車,美國Fisker公司為固態鋰電池申請專利,能量密度可達傳統鋰電池的2.5倍,法國Bollore公司已經量產固態金屬鋰聚合物電池,德國Bosch公司收購美國Seeo公司研發固態鋰電池技術,QuantumScape公司的鋰固態電池號稱15分鐘可以充飽80%股價大暴漲,由於廠商投入資源研發未來發展可期。
電動車的普及有賴電力基礎建設
電動車要充電,但是如何充電是個大問題,像Gogoro的電動機車一個電池只有9公斤,使用者可以到電池交換站自行更換電池,但是Tesla電動車的電池重達500公斤以上,只能以定點充電的方式進行,即使目前的規格要求在1小時內完成充電,使用者是否能在加電站等1小時卻是個問題。
如果必須把車開回家在停車場充電,最大的問題是目前的電力基礎建設不足,假設大樓停車場有100個停車位,每個都設置插座,當100台電動車同時充電時,大樓的變壓器無法承受如此巨大的電流,因此整個電力基礎建設,包括:變壓器、變電所、高壓電塔都必須重新設計才能達成,聽起來就不是短期內可以做到的事,可能的解決方法是在大樓停車場建置大型儲能電池,當大量電動車充電時可以由大型儲能電池供電,考慮到成本與安全,大型儲能電池使用釩電池或鋁電池是未來可能的發展方向。
電動車不會排放廢氣 更環保而且節省能源?
由於我們的發電廠是以高壓交流電(AC)傳送到使用者家中,再以「電源供應器(PSU:Power Supply Unit)」轉換為直流電(DC)才能對鋰電池進行充電,如果使用的是交流馬達,則鋰電池供電時要再轉換為交流電(AC)給馬達供電,每一次的電源轉換效率大約80%~90%,因此這樣轉來轉去其實浪費許多能源。根據德國慕尼黑經濟研究院(IFO:Institute for Economic Research)發布的一份研究報告,考慮電動車的碳排放量時,如果將鋰電池的生產製造、能量轉換,以及供電過程中發電廠發電所排放的二氧化碳算進去,電動車的二氧化碳排放量會比傳統燃油汽車高。
根據IFO的資料,最環保的能源形式是使用「甲烷」,也就是我們家裡用的天然瓦斯,它與一般的「瓦斯車」類似,差別在目前瓦斯車使用的「液化石油氣」是丙烷和丁烷的混合物。以甲烷為主要動力的內燃機(引擎)可以使汽車減少碳排放量,而且甲烷裡含有的氮化物、硫化物等雜質更低,是汽車製造商可以採用的環保能源,搞了半天最環保的竟然是瓦斯車,看來豐田社長怒批電動車只是炒作算有幾分道理,不過瓦斯車還是會排放二氧化碳,無法解決溫室效應的問題。
電動車只能改善空氣污染 無法解決能源問題
充電站裡的電是那裡來的呢?還是由發電廠來的,說來說去,又回到了最原始的火力、水力、核能發電來提供,核能目前被社會接受的可能性很低,在台灣想蓋水庫都很困難了更別說水力發電廠,因此又回到最原始的火力發電,不論是使用天然氣或煤碳,最後還是免不了要造成空氣污染的,因此有人說電動車只是把城市裡的空氣污染,轉移到郊區發電廠而已。台灣目前全力推動太陽能與風力發電,這是應該做的,只是核能電廠要除役,太陽能與風力發電只怕用來補上這個電力缺口都不夠,沒辦法多出來給電動車使用。
汽柴油車與火力發電廠最大的差別,在於對污染物的控制,汽柴油車滿街跑到處噴廢氣,只能使用觸媒轉化器進行處理,由於價格與體積的限制,無法對廢氣有效回收處理;而發電廠是將廢氣集中處理,可以使用更昂貴體積更大的工業設備對廢氣有效回收處理,污染的確變低,因此使用電動車一定會減少城市的空氣污染,再加上近年來電池從製造方式到回收技術都快速進步,發展電動車仍然是重要的選項之一。
氫能與燃料電池被視為終極環保能源但是困難重重
傳統電池直接使用化學反應產生能量,優點是能量轉換效率很高(80%以上),但是充電需要比較長的時間;而使用燃料以內燃機(引擎)進行燃燒反應產生能量,優點是可以直接補充燃料,但是使用內燃機的能量轉換效率很低(30%以下),科學家開始思考,有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢?於是燃料電池從此誕生了。
燃料電池和傳統電池的原理相同,都是將活性物質的化學能轉換成電能,但是傳統電池的電極本身是活性物質,會參與化學反應;而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已,並不會參與化學反應(觸媒只用來引發化學反應),必須將活性物質加入電池內,就好像我們的汽車補充燃料一樣,才能產生化學反應形成電能,是一種要補充燃料的電池,故稱為「燃料電池(Fuel cell)」。
儲氫技術價格偏高目前仍然無法擺脫石油
燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水,反應後排放的氮化物或硫化物極少,幾乎沒有任何污染,因此被視為終極環保的再生能源。但是燃料電池必須使用氫氣做為燃料。高壓儲氫技術如何把又大又重又危險的氫氣鋼瓶放在車上是個大問題;因此有國外公司開發出可以承受700大氣壓的航太複合材料儲氫瓶,可以取代氫氣鋼瓶,Toyota公司更在推出氫燃料電池車款Mirai,創下單次加滿氫氣可以行駛500公里的紀錄,已經是成功的商品了,那麼它的問題到底在那裡呢?
首先車上放了一個壓力這麼大的儲氫瓶是否安全是個問題,氫氣的來源則是更大的問題,大家都知道電解水可以產生氫氣與氧氣,問題是電解水產生氫氣的成本很高,而且這些電還是來自發電廠。為了降低成本,目前工業上主要是將碳氫化合物 (石油)以「 蒸氣重組」(Steam reforming)的方式分解生產氫氣,搞了半天還是要以石油做為原料,看起來人類要擺脫石油還真困難。
為什麼世界各國都訂定2030或2040年禁售汽柴油車?
很有趣的現象,世界各國都訂定2030或2040年全面禁售汽柴油車,為什麼是這個時間呢?主要還是覺得前面介紹的這些問題,包括充電站建置、電力基礎建設、新建大型發電廠,或是太陽能、風力發電等新能源開發,大約需要20年時間,因此選擇了這個時間點,問題是如果時間訂定了,卻沒有看到政府加蓋發電廠,那時間到了要怎麼辦呢?
不過各國政府爭先恐後這樣「宣誓」,還有一門不可言傳的心思,那就是老百姓對空氣污染已經忍無可忍,但是眼見要解決這個問題困難重重,宣誓「2040 年」禁售汽柴油車,等於是給老百姓一個交代,反正2040年是 20 年以後的事了,到時候站在台上的一定不是現在宣誓的這個人,這種只靠嘴巴說說就可以成功的「政績」,何樂而不為呢?
能源問題人人有責 不能把責任推給政府
經過前面的介紹,大家一定發現人類的能源問題沒有這麼簡單,政府該做的不只是靠嘴巴宣誓禁售汽柴油車,而是必須認真開始發展綠色能源。目前最大的問題在於:電價太便宜,造成使用者沒有節約用電的習慣,各種價格較高的「家庭能源管理系統」(HEMS:Home Energy Management System)乏人問津,電價如果真的大漲又會造成物價波動,受限於選舉與政治因素,要讓電價上漲也是困難重重,只能靠我們自己養成時時節約能源的習慣,才是最有效的方法。
責任編輯/周岐原
完整圖文內容請見:
https://www.storm.mg/article/3340151?mode=whole
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清華大學核工系的失敗教育(核能安全)
諾貝爾化學奬得主,前台灣中央研究院院長李遠哲是我非常敬佩的學者(台大化學系,清華大學原子能研究所校友)。
他介紹台灣大塊文化董事長郝明義在紐約找我談台電公司核電廠的安全問題。
郝先生請我吃飯,談了2個多小時。郝先生問我一個問題,為什麼台灣擁核的人一直以似是而非的謊言來欺騙台灣人民?
當時我給郝先生一個不是很明確的答覆,是為顧及清華核工系的面子。
但是最近看了核能美華那群無恥騙子在報紙的謊言,我就把事實講出來,給郝先生及台灣人民一個更明確的答覆"清華核工系的失敗教育"。
我在1972年以高於台大電機系錄取分數13分的大學聯考成績,第一志願進入清華核工系。
在台南一中我是班上第一名,第二名考上臺大電機系,第五名考上交大電子工程系,我們三人是非常好的朋友。我在清華核工系考試成績不錯,但是唸到晩上兩點是常常的事。
我的臺大電機系的南一中同學唸得輕鬆多了。
我找我南一中的兩位臺大交大同學比較,發現大家在電路分析,發電機馬達,電子學,近代物理,三系用同樣的原文書,但是臺大交大教二學期,清華核工系教一學期,臺大交大教三學期,清華核工系教兩學期。
其他課程,工程力學,材料力學,熱力學,熱流學,都有前面提到的問題。
清華核工系學生程度不會比臺大電機系交大電子工程系好,(後面數屆的程度一直往下降,有過大學錄取分數是排名80幾名,還低於文化大學的電機系)。以如此程度,唸得課程又多又雜,時間又比他校短,章節跳著教,學生怎麼能夠真正學到東西?
我是個比較㑹考試的學生,很多課程(不是全部),我考80,90多分,但是我班上同學幾乎大部分不及格。
在這種情形下,很多課程我都沒有唸通(因為時間不夠),何況其他大部分的同學。
這種不合理的情況下,大部分學生(不敢說是全部,但像我這樣會考試的學生),都唸得痛苦。
某些清華核工系畢業生,自以為他們什麼都唸,什麼都懂(其實一知半解,無法和他校他系的畢業生相比).
我自己能以核工系,核工研究所畢業的好成績拿到美國大學電機系的全額研究助理獎學金,這是很特別,但是我決定先唸電機碩士(全A成績),再唸電機博士,到世界有名的AT&T貝爾實驗室工作。
我有自知之明,承認我不懂長途高壓電輸配系統(請讀我的台電公司三相長途輸配電系統用兩個變壓器的文章),或是我知道台灣地震斷層對台电核一,核二,核三,核四廠的危險(請讀台大地質系教授的報告),但是不會像台灣原能會副主委黃慶東在曰本核電廠受大地震大海嘯的大災難之後,還敢説出核四如觀世音菩薩穩坐蓮花台,安啦,及台電公司董事清華核工系教授(騙子李敏)用核能發電安全便宜的沒有常識的謊言來欺騙台灣人民。
最後,我很痛心說出某些(不是全部)清華核工系學生,因為課程太重,以考試作弊來應付。
我唸清華核工研究所時候,也兼任電路分析,電工原理的助教。
在監考學生期中期末考試時,發現不少學生(不是全部)考試作弊,我同情這些清華核工系學弟課程太多太重,我沒收他們小抄,沒有跟教授或是系主任報告。
我誠心希望,考試作弊,不是養成某些清華核工系畢業生至今還以核能發電安全便宜的謊言來欺騙台灣人民,沒有良心繼續説謊的原因之一,否則我當年不把作弊學生報告給教授和系主仼,變成今天的罪過。
謝謝大家,請看我以後中文文章。
蘇志銓, Jim Su, NE1976B, NE1980G, PhD in ECE, CISSP
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1017 歷史上的今天
1831年:英國科學家法拉弟首次發現電磁感應現象。
電磁感應原理用於很多設備和系統,包括:感應馬達 ,發電機 ,變壓器 ,充電電池的無接觸充電 ,電磁爐
1933年:愛因斯坦逃離納粹德國,前往美國。 20世紀猶太裔理論物理學家、思想家及哲學家,也是相對論的創立者。阿爾伯特·愛因斯坦被譽為是現代物理學之父及二十世紀最重要的科學家之一。為紀念他的貢獻,於去世後第四個月將第99號元素命名為「鑀」
1970年:穆罕默德·安瓦爾·薩達特成為埃及總統。 埃及共和國成立後,曾兩次任職副總統。沙達特繼任總統和敘利亞一起發動了第四次中東戰爭(又稱十月戰爭),摧毀了以色列的防線。在美國的參與下,與以色列總理貝京在華盛頓特區簽署了大衛營協議,因此而獲得諾貝爾和平獎。1981年10月6日,在開羅舉行慶祝贖罪日戰爭勝利八周年的閱兵儀式上遇刺身亡,終年63歲
2003年:台灣台北101大樓塔頂完工,超越馬來西亞吉隆坡的雙峰塔成為世界建築物頂端最高的摩天大樓。 曾於2004年12月31日至2010年1月4日間擁有「世界第一高樓」的紀錄。以美國權威建築機構世界高樓協會所訂定的高度標準計算,台北101是目前世界第二高樓、全球最高綠建築....台北101繼於2009年11月宣布,將在既有基礎上投資新台幣6千萬及1年半時間,以增加綠化面積,並清查所有的用電系統與衛生用水設備(如馬桶、水龍頭、節能燈管、燈泡等),合乎且響應地球環境保護的需要
2007年:台灣苗栗出身的17歲旅日職業女圍棋士謝依旻,在女流本因坊戰挑戰成功,成為日本史上最年輕的女本因坊。現為五段,並同時擁有女流本因坊戰、女流名人戰、女流棋聖三項頭銜。成為日本女子圍棋界,第一位同時擁有此三項女子頭銜的棋士。
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假如完整回答.要把整個交流單相跟三相變壓器原理融會貫通.才能回答你...差不多等於半本電機機械.回完全部問題 ... ... <看更多>