林伯勳、林啟振 / 中央大學環境工程研究所；何佳樺、劉柏逸 / 工研院材化所
台灣正面臨能源轉型階段，尋求可替代化石燃料的能源是目前相當重要的能源發展指標之一。藍色能源，又稱藍電，是僅需要兩種鹽度的水體即可進行發電的技術。當前我國海水淡化廠有25座，每日共計可產出近5萬噸的海淡鹵水，若將其資源化，可降低海淡廠操作成本。本文將針對反向電透析(RED)及電容反向電透析(CRED)等藍電技術應用於海淡廠之可行性及技術進行分析，未來希望能利用海淡鹵水透過藍電技術產生能源，再造永續新能源。
【內文精選】
藍電技術
第一個被開發的藍電技術為緩壓滲透(PRO)，其原理是利用半透膜隔開鹽水和淡水，淡水因滲透壓而向鹽水滲透，通過的水體則用以推動渦輪發電機進行發電。在PRO之後，反向電透析(RED)與電容反向電透析(CRED)成為新興的藍色能源技術。其發電方式是利用離子交換膜將不同鹽度的兩種水體隔開，藉由離子的擴散作用，在離子交換膜上形成膜電位並使電極兩側的電中性破壞，為恢復電極的電中性，因而驅使電子從外部線路移動，藉此形成電流。這兩種技術提供了SGE應用的新方向，具有潛力成為更高效的可再生能源技術。
1. 反向電透析(RED)
(1) RED運作機制探討
RED的結構和電透析(Electrodialysis;ED)相似，但兩者運作原理及應用目的完全不同。RED透過在兩片電極板之間交替排列陰陽離子交換膜形成多層膜室結構，其結構與ED類似。但ED是在膜室通入相同鹽度的水體，利用電極板的電場將水體中部分的離子濃縮至另一部分的水體，以獲取乾淨的水源，此為耗能的技術；而RED則以產能為目標，在膜室通入兩不同鹽度的水體，RED在SGE的作用下產生電力。RED的運作機制如圖一所示，高濃度水體中的離子會受滲透壓驅動而通過離子交換膜進入低濃度水體，但離子的移動受交換膜選擇性阻隔作用影響：陽離子僅通過陽離子交換膜(Cation Exchange Membrane; CEM)，而陰離子僅通過陰離子交換膜(Anion Exchange Membrane; AEM)。以圖一來看，陽離子整體向左邊移動，陰離子整體向右邊移動。此過程在離子交換膜上產生膜電位，又稱唐納電位(Donnan Potential)，成為RED產電的主要因素。此外，膜對數越多，累積的膜電位越高，整體輸出電壓也隨之提高。
圖一、RED模組運作示意圖
2. 電容反向電透析(CRED)
(1) CRED運作機制探討
CRED是以RED作為基礎而改良的藍電技術。因傳統RED技術需要鐵氰化鉀作為氧化還原電解質以利電流傳輸，但鐵氰化鉀是易光解性的物質，其水溶液接觸陽光會被分解為氰化物或氫氰酸，此兩者皆對人體和環境具有嚴重的危害性；同時，RED在高膜對數下依然能使水電解反應發生而降低功率密度。為解決上述兩種問題，CRED進一步對電極系統進行改良，將傳統的金屬電極板替換為具有高比電容的電容電極，使電荷直接吸附於電容電極之上，直接將離子流轉化為電流。在此改良基礎上，將不再需要使用對環境危害高的鐵氰化鉀作為電解液，僅採用簡單且環境友善的氯化鈉溶液促成系統鹽度差即可。此外，電極液可能會從系統中洩漏，若RED電極液因不當操作或模組損壞而洩漏，將產生對人體有害之物質，規模放大會造成更嚴重的環境危害。CRED的改進顯著降低了傳統RED系統中電極液對環境的潛在威脅，使CRED成為比RED更具發展潛力的技術。
與RED不同，CRED是持續讓電荷吸附於電極上而傳輸電荷進行發電的技術，當電極吸附達到飽和時，需要將電極中的電荷釋放，藉此達到電容電極再生，此過程類似於電容去離子技術(Capacitive Deionization; CDI)中的電極脫鹽過程，透過該方式CRED能夠持續穩定地運行。圖二是CRED的運作示意圖，其釋放電荷的方式是通過交換濃淡水進流方向，使原本填充濃水的膜室變為填充淡水、填充淡水的膜室變為濃水，進而產生與原來流向相反的電流，並完成電極再生。
圖二、CRED模組運作示意圖
發電效率評估
根據2023年電力排放係數0.494 kg CO2 eq/kWh，可減少約1,600噸的二氧化碳排放。目前我國有共計25座海淡廠，若都能採用RED或CRED發電模式，5年間預計可減碳約4萬噸。儘管相較於全國總碳排放量，此減碳效果有限，但隨著技術進步，RED和CRED的基礎功率密度有望進一步提高，從而提升減碳效益及能源利用效率 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》457期，更多資料請見下方附檔。