人間百年筆陣 因應氣候變遷 評估具能源效率之水回收技術

執筆人:蔣本基 台大環工所教授 |2015.06.16
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人間百年筆陣 執筆人:蔣本基 台大環工所教授

執筆人:蔣本基 台大環工所教授

「水資源」與「能源」之間具高度互依存性,能源生產需要用水來產生蒸汽、推動渦輪,或做為冷卻用的冷媒,這些水需要特別處理才能達到使用標準。台灣每年火力發電及核能發電約需要分別消耗二千三百八十四億公升及六百億公升水。汙水與自來水之處理及配送也需要能源,達到適當的水質,以供應各種民生所需。加上全球人口激增,使得能源與水資源問題複雜化。近年各國開始愈來愈注重能源與水資源之間關聯性的研究,並開始投入探討「水與能源關聯(Water—Energy Nexus)」議題,以了解如何整合性及前瞻性評估水與能源需求增長之相倚性。

水資源與能源之間的關係是互相交錯、密不可分的。在水的泵送、處理、運輸、加熱、冷卻及回收等製程上需要用到大量能源;相對的,在製造能源方面也需要大量的水資源,例如:以水蒸汽推動渦輪或以水作為熱力發電廠之冷卻水。根據美國能源部(Department of Energy)等國際單位的研究,能源與水資源關聯研究,主要關鍵議題與需要包括:

最佳化水處理、配送、終端使用之能源效率管理;

最佳化能源生產、發電及終端使用系統的淡水使用效率(水用於製造能源);

提升能源與水資源系統的可靠度與韌性;

提升非傳統水源(例如:中水/回收水、薄膜分離及海水淡化)安全性與生產能力;

宣導能源業者注意其在水質、生態及地質(例如:頁岩氣開採)造成衝擊方面的社會責任;

探討水資源系統與能源系統之間相互提升生產力的協同效益。

許多科技可互相支援構成「省水能源系統」或「節能供水系統」,在「水用於能源(water for energy)」方面,有一系列先進材料可運用在水資源最佳化技術上,例如:研發先進抗結垢材料,以增進廢水回收處理效率;栽種具抗旱蛋白基因的生質能作物,可提升淡水使用效率;先進的熱電材料可促進工業製程的淡水使用效率。另外其他許多先進材料的製備可促進水資源使用效率,例如:熱驅動狀態改變、抗結垢、抗熱與抗壓材質及碳捕捉材料等。反之亦然,在「能源用於/產於水(energy for/from water)」方面,有一系列先進非傳統水資源利用技術可運用在提升能源效率上,並使其具有足夠的生產力,且能兼顧經濟性與安全性。良好的水處理技術(例如:電透析、正滲透、電容去離子技術等)可應用於石化及鋼鐵業廢汙水回收/處理,並可提升廢汙水處理的能源效率。據此,有一系列先進非傳統水資源利用技術可運用在提升能源效率上,並使其具有足夠的生產力,且能兼顧經濟性與安全性。綜上,水與能源系統之間存在著協同效益(synergies),提供更多創新科技整合機會。

廢汙水回收再利用技術具有符合水利用與能源效率之雙重紅利;在水再生與循環利用(water recycle and reuse)技術開發上,易面臨水質是否符合飲用水質標準、能否用來灌溉農作物等其他用途之種種疑慮,是故處理過的汙水水質需分等級,分成不同使用目的,個別配水;而水源分配的選擇會直接影響能源消耗和溫室氣體排放;然而,一些創新之先進碳捕捉、再利用與封存技術雖能有效減少二氧化碳排放,減緩氣候變遷,但卻有高度水資源密集度的缺點,有待進一步研究克服。

據此,本人建議國內未來可加強之研究包括:

研發先進高能源效率之水處理技術(例如:整合式新穎薄膜程序),以提升水資源利用效率與降低碳排放。

整合再生能源(例如:太陽能、風力發電)程序於水處理系統,評估台灣於再生能源之發電潛力,規畫完善綠色設施。

選定國內示範亮點產業(例如:石化業、鋼鐵業),計算應用新穎整合式水處理系統之碳足跡與水足跡效益。

應用反應曲面法與生命周期評估,建立水處理系統之最佳化3E(工程、環境、經濟)模型。

結合決策工具於國內整合式水資源管理,建立完善「水資源—能源—土地之相倚性(Water—Energy—Land Nexus)」方案。

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