中華民國 104年 6月

Science Development 510NO.

出版者：科技部

發行人：林一平

地 址：106 台北市和平東路 2段 106號電 話： 02-2737-7539傳 真： 02-2737-7248網 址： http://www.most.gov.tw/sd/

編輯委員會

召 集 人：林一平編輯委員兼總編輯：馬哲儒

編輯委員兼執行編輯：張鑑祥

編輯委員：方力行 / 王道還 /李再長 / 李百祺 / 李秀珠 / 李國偉 / 周進洋 / 林崇熙 / 易台生 / 洪茂峰 / 唐震寰 / 徐善慧 / 郭耀煌 / 陳炳宏 / 黃文璋 / 蔡少偉 / 蔡新聲 / 蔡聖鴻 / 顏嗣鈞 / 蘇安仲

助理編輯：洪美慧

編輯助理：黃利鑾 / 何欣穎 / 鍾美容

稿件投寄：稿件 1式 3份，請寄《科學發展》月刊編輯部地 址：701 台南市大學路 1號　成功大學化工系電 話：06-2383072　 傳真：06-2383085E-mail: nscm@email.ncku.edu.tw

美術編輯：種子發多元化廣告有限公司

地 址：11054 台北市信義區基隆路 2 段 189 號 9 樓之 9 電 話：02-23773689

印 刷 者：凌祥彩色印刷股份有限公司地 址：235新北市中和區中山路 2段 340巷 26號 1樓 電 話：02-22458163

定 價：每冊新台幣 120 元 1 年 1200 元（2 年以上另有優惠價）美金 5 元 1 年 50 元

運費另計

訂閱辦法：

1. 五南網路書店：http://www.wunanbooks.com.tw/2. 郵政劃撥：帳號：22255688戶名：五楠圖書用品股份有限公司

電話：04-243780103. 國外訂戶請以美金支票寄交本部（受款人：科技部）

展售門市

國家書店松江門市

地址：台北市松江路 209號 1樓 電話：02-25180207三民書局

地址：台北市重慶南路 1段 61號 電話：02-23617511五南文化廣場

地址：台中市中山路 6號 電話：04-22260330青年書局

地址：高雄市青年一路 141號 3樓 電話：07-3324910

免費線上訂閱電子報：http://www.most.gov.tw/中華郵政台北雜字第 2044號執照登記為雜誌交寄

還記得瓶中精靈的神話嗎？由於偶然的原因，打開了瓶蓋，把威力強大的精靈放了出來，它能為你達

到各種願望，但你最後的指令卻是：「請你還是回到瓶中去吧！」這精靈是否有點像我們的化石能源呢？

地球初形成時的溫度很高，燃燒作用把氧氣都消耗光了，把氫燒成水汽，把碳燒成二氧化碳，也把各

種金屬燒成氧化物形成地殼。地表冷卻下來後的大氣中已沒有氧，卻有非常多的二氧化碳，加上充足的陽

光和水，正是行光合作用的最佳環境。因此，生物與地質的演化是同步進行的。生物，包括動植物和各式

各樣的微小生物，耗用了二氧化碳而生長，死後腐化時又把它還給大氣，循環不息。但在循環的過程中，

總有少量的遺體被滯留在地質構造中成為化石。經過億萬年的累積，使大氣中的二氧化碳只剩下大約萬分

之三，絕大部分的碳都成了鎖在化石中的精靈。

人類之所以能在地球表面上蓬勃發展，是因為目前的自然環境適合我們的生存。因此，如何維持現狀，

使大氣中的二氧化碳含量不再增高，是全球科學家追求的目標。可以採用的有多種方法，但因為燃燒化石

燃料排放的二氧化碳太多了，每種可行途徑的處理量都要夠大，成本也要夠低才行。

把大型排放源，例如火力電廠，排氣中的二氧化碳分離出來，封存在岩石圈的密閉空間或岩石孔隙中，

雖然是一個已經獲得初步成效的方法，但使這威力強大的精靈返回瓶中，在技術上就不像神話中那麼簡單了。

減少碳排放的上上之策當然是利用各種再生能源，靠植物的光合作用把環境中的二氧化碳轉化為生質

能源是一個途徑，但葉面利用太陽能的效率太低了，最好的只有約 2 ％。而由微藻所固定的二氧化碳占地

球上全部固定量的 40 ％以上。太陽光一旦射入海面之後，便留在水中，一直到可資利用的波長的能量被

微藻的葉綠素消耗完了為止，利用效率當然比陸上的植物高得多。

利用微藻可以獲得各種具有高經濟價值的產品，但它們對碳固定上的貢獻並不大。站在解決二氧化碳

問題的立場考量，藻種的選擇應以太陽能的利用效率為唯一的條件。我們不必考慮經由微藻所得到的燃料

可以適用於哪一種熱機，而是要設計專用的熱機來適應這種固定二氧化碳能力最強的微藻，因為要減少二

氧化碳的這個問題太大也太重要了。另外，要探討使微藻在海水中生長的控制因子是什麼？是不是某種稀

少的營養鹽？如何補充？

油頁岩氣開發的成功不但是能源供應上的大事，甚至牽動了全球經濟與政治的合縱連橫。站在二氧化

碳減量的立場看，大家正在絞盡腦汁，設法使放出來的精靈回到瓶中的時候，現在又把它的一個弟兄放出

來了。

把這些精靈裝回瓶中既然不易，而它們又願服從人的指令，為什麼不讓它們作出正面的貢獻呢？所有

的化石能源實際上都是珍貴的資源，應該留給後世子孫作為化工原料。所需要的能源，還是在可再生的那

些中想辦法吧。

編│者│的│話

Science Development

科學發展　2015年 6月│ 510期 01

02 科學發展　2015年 6月│ 510期

中華民國 104年 6月 51Science DevelopmentDevelopment

510

1 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 二氧化碳減量排放 談駿嵩

6 二氧化碳地質封存 歐陽湘

地質封存是目前最接近實用與產業化的二氧化碳封存技術。

12 二氧化碳再利用 ─ 微藻養殖 張嘉修、陳俊延、林志生、楊勝仲

微藻行光合作用所固定的二氧化碳占全球固定量的 40 ％ 以上。

18 溫室氣體稽核管理規範 顧洋

我國各主管機關已著手推動相關事業機構的溫室氣體的盤查。

22 區域能源整合 蔣本基、鍾岱均、潘述元

運用生質物再利用技術提高能源利用效率，有助發展低碳經濟。

26 燃煤發電低碳化 馬小康

二氧化碳減量的原則是燃煤電廠高效化、燃料多元化、供電區域化及捕存低碳化。

32 二氧化碳捕獲 談駿嵩、王志盈

目前較有機會商業化的燃燒後捕獲技術是吸收法、吸附法及薄膜分離法。

一般報導

38 鈹的自述 蘇明德

重量輕、強度大、耐高溫的三大優點使鈹成為航太科技不可或缺的元素。

周德珍、郭子禎、顏宏偉、李澤民

03科學發展　2015年 6月│ 510期

1506

46 台灣板塊構造與地震 郭陳澔

相較於世界上其他山脈，台灣板塊如同新生的小寶寶，時常發生地震。

52 防災空間資訊系統 王光華、鄭依凡、劉正千

結合氣象及水利資訊可快速提供第一線救災人員必要的防災資料。

58 巧奪下一代資源的科技 ─ 頁岩氣的開發 黃武良、劉淑蓉

頁岩就是石油美食的廚房；如今，石油餐廳的美食快吃完，乾脆直接到廚房取用。

66 從小實驗發現原住民學童的學習方式 劉遠楨、黃思華

以原住民文化為基礎，結合生活經驗設計課程，才能達到最佳的學習成效。

台灣新發現

72 緊急救災物流中災民的無形需求 江欣怡

74 為再生能源的發電品質把關 吳美枝

科技新知

76 蟑螂？螳螂？／果糖／基改馬鈴薯／自然發生的基改作物／

矮行星塞瑞絲／大麻的解藥／子宮裡的生命之泉

王道還

科學、技術與社會

80 食安十日談 ─ 科技與社會治理的遊戲規則 郭文華

1 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 二氧化碳減量排放 談駿嵩

6 二氧化碳地質封存 歐陽湘

地質封存是目前最接近實用與產業化的二氧化碳封存技術。

12 二氧化碳再利用 ─ 微藻養殖 張嘉修、陳俊延、林志生、楊勝仲

微藻行光合作用所固定的二氧化碳占全球固定量的 40 ％ 以上。

18 溫室氣體稽核管理規範 顧洋

我國各主管機關已著手推動相關事業機構的溫室氣體的盤查。

22 區域能源整合 蔣本基、鍾岱均、潘述元

運用生質物再利用技術提高能源利用效率，有助發展低碳經濟。

26 燃煤發電低碳化 馬小康

二氧化碳減量的原則是燃煤電廠高效化、燃料多元化、供電區域化及捕存低碳化。

32 二氧化碳捕獲 談駿嵩、王志盈

目前較有機會商業化的燃燒後捕獲技術是吸收法、吸附法及薄膜分離法。

一般報導

38 鈹的自述 蘇明德

重量輕、強度大、耐高溫的三大優點使鈹成為航太科技不可或缺的元素。

謝明昌、楊欣常

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

二氧化碳減量排放談駿嵩│專題報導特邀編輯

清華大學化學工程學系

氣候變遷是地球數千萬年來自然發生的事件。然而自 18世紀中葉工業革命後，因工業進步帶動了經濟繁榮，改善了生活水準，也加速了人口成長。由於人口成長得太快，為

了繼續追求經濟發展，不得不過度開發地球的天然資源，於是大規模砍伐森林以取得耕

地，大量開採煤、石油、天然氣等化石燃料以取得能源。這些人類活動都導致大氣中二氧

化碳的含量增加，使得全球溫度上升造成全球暖化。

預估未來百年內，平均溫度可能上升攝氏 1.5∼ 4.5度，這是地球過去 30萬年來最高的升溫幅度。現今氣候變遷的速率比過去自然變遷加快了大約 15∼ 40倍，平均溫度上升更意味著氣候體系中其他因子的變化，使得全球降雨型態隨著改變，有些地方雨量大增，

其他地方轉為乾旱，動植物的行為及分布也會大為改變。另由於兩極氣溫的增高會導致冰

山融化，海平面可能上升 0.2∼ 1.4公尺，許多城市將被大海淹沒，進而導致社會、經濟及政治的動盪不安。

1997年在日本簽署的「京都議定書」，規範 38個會員國及歐盟控制溫室氣體的排放，並在 2005年 2月正式生效；2012年在卡達召開的第 18屆聯合國氣候變化大會，同意把京都議定書延長至 2020年。我國行政院在 2008年 6月通過「永續能源政策綱領」，訂定台灣二氧化碳排放減量的政策目標是在 2020年減至 2005年的排放量，2025年降至 2000年的排放量。

專題報導

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

降低大氣中的二氧化碳含量，最直接有效的方法是減少二氧化碳的產生並抑制其排

放。節約能源、提升能源使用效率、增加低碳與再生能源利用等都可直接減少二氧化碳

的排放，但即使如此，仍不能達到 2050年時二氧化碳大氣濃度 450 ppm及溫度變化不超過攝氏±2度的要求。

因此在燃燒化石燃料所產生的廢氣尚未排放到大氣之前，先把其中的二氧化碳分離

出來，經過壓縮運送到適當的地點封存或再利用，這樣的技術稱為二氧化碳捕獲封存與

再利用（carbon dioxide capture storage and utilization, CCSU），目前國際能源總署認為其達到前述 2050年目標的貢獻度是 14 ％。由於二氧化碳排放量與能源使用有密不可分的關係，限制排放量當然會對我國產業產生相當大的影響，為未雨綢繆，我們應對二氧

化碳減量技術有所認識並及早投入研發。

基於以上所述，這期專題報導的 6篇文章以二氧化碳減量排放為焦點，介紹 CCSU技術的原理與發展，並從溫室氣體減量規範探討我國該如何因應國際間溫室氣體管制的

趨勢，最後討論能源整合的議題，使讀者更能了解如何在工業經濟發展與溫室氣體減量

間取得平衡，也期盼各位閱讀後，能對 CCSU在國內的發展有所了解，一同打造節能減碳的永續環境。

專題報導

06 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 歐陽湘

二氧化碳的捕獲封存與再利用技術，是目前國際公認可行且有效的減碳手段。

未來絕大部分捕獲的二氧化碳將以地質封存方式處理，

以期與大氣環境隔離，並在全球溫室氣體減量上扮演重要的角色。

二氧化碳與氣候變遷

自 18世紀中葉工業革命以機器大量取代人力後，人類對能源的需求就不斷增加，

尤其是對燃燒化石燃料以取得動力及電力

的依賴越深，排放出屬於溫室氣體的二氧

化碳到大氣中也越多。聯合國跨政府氣候

變遷委員會 2007年的資料顯示，大氣中二氧化碳的濃度已從工業革命前的 280 ppm（part per million，百萬分之一），急遽上升至 358 ppm，累積的溫室效應導致全球地表平均溫度上升攝氏 0.6度，海水面平均也上升了 14公分，極地冰帽融化以及冰川範圍大幅退縮。這些暖化現象若不予以控制、

減緩，會形成全球氣候變遷的重大危機。

二氧化碳地質封存

降低大氣中的二氧化碳含量，

最直接有效的方法是減少二氧化碳的產生，以及抑制其排放到大氣層中。

溫室效應導致全球地表平均溫度上升，海水面平

均也上升，極地冰帽融化以及冰川範圍大幅退縮。

（圖片來源：種子發）

07科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

聯合國在 1992年 5月就通過氣候變化綱要公約，1997年12月再於日本簽署了「京都議定書」，規範 38 個會員國及歐盟溫室氣體的排放。行政院在 2008年 6月也通過永續能源政策綱領，揭示政府將加強推動節

約能源、提升能源效率、增加使用再生能

源、強化低碳能源用於發電的占比等措施。

該綱領也把二氧化碳捕獲與封存（carbon capture and storage, CCS）技術列為減少碳排放的重要手段，並訂定了二氧化碳排放減量

的目標：2016∼ 2020年間以及 2025年分別回到 2005年與 2000年的排放量。

大氣中的溫室氣體包括水蒸氣、臭氧、

二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、

全氟碳化物、六氟化硫等，但由於前二者

的時空分布變化頗大且不易掌控，因此京

都議定書只把後六種溫室氣體列入管制。

其中燃燒化石燃料所排放的二氧化碳占了

80 ％ 以上，因此全球溫室氣體減量的首要目標便以二氧化碳為主。

降低大氣中的二氧化碳含量，最直接

有效的方法是減少二氧化碳的產生，以及

抑制其排放到大氣層中。節約能源、提升

能源效率、增加低碳與再生能源利用等，

都可直接減少二氧化碳的排放，但是前二

者的功效很有限，而後者也有增加能源成

本及要看天吃飯的顧慮，非一蹴可幾。因

此，就現行燃燒化石燃料如發電或工業生

產產生的煙道氣而言，在尚未排放到大氣

中之前，先把其中的二氧化碳捕獲分離，

然後經過壓縮運送到適合的地點封存或再

利用，這樣的技術是目前國際公認可行且

有效的減碳手段。

二氧化碳封存方式

捕獲的二氧化碳可直接供溫室栽培或

養藻用，也可加工為化學品或能源產品，

但加總起來的量依然有限。未來絕大部分

捕獲的二氧化碳還是需要以礦化封存、海

洋封存、地質封存等 3種方式封存起來，以期能長期與大氣環境隔離開來。

礦化封存指二氧化碳和矽酸鹽類礦物

反應，形成碳酸鹽類礦物如碳酸鈣、碳酸

鎂等，是最穩定的封存方式，但自然反應

速率緩慢，很難彰顯減碳效益。

海洋封存有藉由海洋微生物吸收及直

接灌注於深海貯存的兩種方法。但考量微

生物大量滋長可能影響海洋生物聚落及生

態環境，加上深海灌注也可能因不可預期

的洋流擾動而導致垂向洩露，至今仍未能

被國際公約所接受。

地質封存則是利用岩石圈的密閉空間

或岩層的孔隙儲存二氧化碳，是目前最接

近實用與產業化的封存技術，也是各國推

行綠色新政的重要技術指標。

地質封存的種類

地質封存可分成枯竭油氣層封存、地

下難開採煤層封存、地下深部鹽水層封存

降低大氣中的二氧化碳含量，

最直接有效的方法是減少二氧化碳的產生，以及抑制其排放到大氣層中。

地質封存是利用岩石圈的密閉空間或岩層的孔隙儲存二氧化碳，

是目前最接近實用與產業化的封存技術。

專題報導

08 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

3類，基本上都是利用岩石圈的地下密閉空間或岩層中的孔隙儲存二氧化碳。注入的

深度通常要 800公尺以上，這種深度的地層壓力接近常溫下二氧化碳的臨界壓力，

注入的二氧化碳處於兼具氣態與液態特質

的超臨界狀態，密度因而增加，封存量也

得以大幅提升。

石油產業從 1970年代起便採用油氣強化增產技術，原本是使用水或海水注入，

後改用二氧化碳注入耗竭且壓力下降的油

氣田中，以降低流體的黏滯性及其流動的

摩擦力，使油氣田的壽命與產量增加。過

程中會有部分二氧化碳滯留在岩層的孔隙

中，而最後枯竭的油氣田構造也可用來封

存二氧化碳。

地下難開採煤層封存類似油氣強化增

產技術，因煤層對二氧化碳有良好的吸附

能力，因此把二氧化碳注入地底難開採煤

層封存，可把其縫隙中的甲烷置換出來，

但其應用仍需視地質條件與成本效益而定。

根據聯合國跨政府氣候變遷委員會

2005年的全球地質封存潛能評估資料，舊

油氣田的潛在封存容量約為 6,750∼ 9,000

億公噸，難開採煤層約為 150∼ 2,000億公

噸，深部鹽水層則約為 10,000∼ 100,000

億公噸，顯示深部鹽水層有龐大的封存潛

能，且較不受地質構造限制，未來做為二

氧化碳注儲空間的可能性較大。

目前，國際上有好幾個商業運轉的

地質封存實例，如挪威外海的 Sleipner與

Snohvit天然氣田、阿爾及利亞的 In Salah

氣田，以及加拿大Weyburn的二氧化碳石

油增產計畫。前三處都是把生產天然氣時

所伴生的二氧化碳捕獲分離後，重新注入

深部鹽水層中儲存。

二氧化碳地質封存基本上都是利用岩石圈的地下密閉空間或岩層的孔隙儲存二氧化碳，注入的深度通常要

800公尺以上。左下方小圖是儲集的砂岩質鹽水層，左上方小圖則是緻密不透水的蓋岩層。（圖片來源：www.co2geonet.com/brochure）

CO 2封存於鹽水層

CO 2封存於油田中，同時提高油田的採收率

CO 2 封存於煤層中，同時提高煤層中的甲烷採收率

生產石油

生產甲烷

鹽水層（碳酸鹽，砂岩）

近期覆蓋的岩層

CO 2貯存

煤層

油藏

耗盡的油藏不透水層（黏土，鹽層）

CO 2封存於枯竭的氣田

注入CO 2

注入CO 2

注入CO 2

注入CO 2

地下水位

較近期覆蓋的岩層

鹽水層

結晶基底

50 cm

50 cm

09科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

地質封存機制

當二氧化碳注入地下岩層後，結構與地

層封存、殘餘封存、溶解封存、礦化封存等

機制便開始作用。前一項是防止二氧化碳逃

逸至地表的最重要機制，後三項則隨著時間

增加強化地質封存的效率及安全性。

超臨界二氧化碳注入地下儲集岩層的

孔隙中時，原本孔隙中的鹽水受到壓縮而

向外移動，擠壓出來的空間便可容納二氧

化碳，這就是結構與地層封存機制。由於

超臨界二氧化碳的密度小於水，因此當遠

離注入點後壓力逐漸下降，二氧化碳便會

往上移動，直到遇到上方緻密不透水的蓋

結構與地層封存、殘餘封存、溶解封存、礦化封存

4種機制的貢獻百分比與時間的關係，橙色箭頭標示封存的安全性，愈往右愈高。（圖片來源：IPCC SRCCS, 2005）

注入岩層中的二氧化碳比水輕，因此會逐漸向上移

棲，直到碰到蓋岩層的攔阻而滯留在其下方。（圖

片來源：www.co2geonet.com/brochure）

殘餘封存示意圖（圖片來源：John Caldi, CO2CRC, August, 2011）

溶解封存示意圖（圖片來源：John Caldi, CO2CRC, August, 2011）

岩層才停止。蓋岩層扮演制止二氧化碳向

上移棲的功能，使其能夠滯留在蓋岩層的

下方。通常緻密不透水的岩層如頁岩、泥

岩或黏土層都可做為蓋岩層，而具有高孔

隙、透水性佳的如砂岩層，則適合做為二

氧化碳的儲集層。

當二氧化碳以超臨界或以氣泡形式在

封存地層的孔隙中移動時，遇到窄小的通

道，即使二氧化碳較周遭的鹽水輕，也會

因與岩層顆粒間的摩擦力以及表面張力的

影響，使部分二氧化碳滯留在窄小的孔隙

中，稱為殘餘封存機制。根據封存層的組

成與結構特性，這機制可鎖住不同比率二

氧化碳的移動。

蓋岩層

200 μ

殘餘封存 CO 2

岩層顆粒

水

CO 2流動CO 2流動

結構與地層封存

殘餘封存

溶解封存

礦化封存

100

01 10 100 1,000 10,000

注入停止後時間（年）

捕獲貢獻度

％

提升儲存安全性

專題報導

10 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

注入的超臨界二氧化碳在岩層孔隙中

移棲，也會逐漸溶解在孔隙水中，溶有二

氧化碳的孔隙水密度變得比原來大，在重

力牽引下會往封存層的底部沉降。前面提

到，二氧化碳注入地層後一開始會因密度

小且壓力下降而上浮，但已溶有二氧化碳

的孔隙水則會往下沉，這樣的反應使二氧

化碳的溶解作用持續進行。

最後，溶有二氧化碳的孔隙水會與封

存層的礦物交互作用，形成碳酸鹽類礦物，

達到礦化封存的目的。特別是與鹽水混合

的二氧化碳產生的交互作用更大，如碳酸

根離子易與陽離子結合成碳酸鈣或碳酸鎂

的礦物。

地質封存的 4種機制占比會依據不同的場址特性而改變，例如在具有覆碗狀結

構的蓋層 ─ 封存層中，即使經過很長時間的存放，注入的二氧化碳大部分仍會以原

有的高密度形態存在。而在如挪威 Sleipner計畫近水平結構封存層中，電腦模擬計算

顯示，大多數注入的二氧化碳可望溶解，

並與圍岩產生化學反應形成碳酸鹽類礦物。

場址選擇與洩漏監測

人類藉由鑽井把地下的石油與天然氣

開採出來當作燃料，燃燒產生的二氧化碳

則經捕獲壓縮再送回地下貯存，但實務上

這並不是絕對安全無虞的。選擇具有良好

封存條件的場址，加上正確的工程技術與

監測系統，發生二氧化碳洩漏的風險就非

常低。

適合做為二氧化碳地質封存的岩層結構

必須具備很多條件，包括封存層有足夠適當

的孔隙率、透水性及厚度；上方應覆蓋結構

完整緻密的不透水岩層做為蓋岩層或稱蓋層；

良好的封存構造延伸或足夠的移棲縱深以增

加封存量；封存層的深度距離地表至少超過

800公尺，讓注入的二氧化碳壓力易達到超

臨界狀態，增加灌注效率。

注入岩層中的氣體可能洩漏的管道，

包括人為途徑與自然途徑兩種。人為途徑

可以是透過注入井體的結構瑕疵或井體外

圍封填材質的劣化而產生，還有封存場區

內仍在使用的其他井體或已廢棄但未適當

封填的舊井，都可能成為二氧化碳洩漏的

途徑。自然洩漏途徑則包括蓋岩層的封阻

漏洞或功能性瑕疵，致使二氧化碳能穿過

蓋岩層而往地表逃逸，或沿著已存在的斷

層、破碎帶往上竄升。

如果二氧化碳真的洩漏到地表，通常

在開放空間或平坦地區會很快就消散在空氣

中。但由於二氧化碳比空氣重，若遇到密閉

空間或低窪地區則容易聚集，設置良好的通

風或警戒系統可以有效防範或降低危害。

圖中淡藍色粒狀物代表高密度的二氧化碳往上方移

棲，有些則附著在岩石顆粒表面並與圍岩反應，

形成白色所示的碳酸鹽類礦物沉澱。（圖片來源：

www.co2geonet.com/brochure）

11科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

我國的二氧化碳封存潛能

國內自 2009年開始進行區域性的二氧化碳地質封存潛能評估，初步顯示西部濱

海一帶有良好的蓋層 ─ 儲集層的沉積岩層組合，厚度達 5,000公尺以上，估計西北部至中部沿海一帶有超過百億公噸的封存潛

能。另有研究把評估範圍更往西往南延伸，

估算封存潛能可達到 459億公噸。此外，陸域的 14處油氣構造若改為二氧化碳地質封存之用，估計約有 28億公噸的儲存量，若把其上方的鹽水層也納入估算，則封存

潛能更大。

為了穩定大氣中溫室氣體的濃度，實

現聯合國跨政府氣候變遷委員會的建議，

2050年之前使全球暖化控制在攝氏 2度以內，二氧化碳捕獲封存與再利用技術可望

在全球溫室氣體減量上扮演重要的角色。

選擇具有良好封存條件的場址，加上正確的工程技術與監測系統，

發生二氧化碳洩漏的風險就非常低。

歐陽湘工業技術研究院綠能與環境研究所

專題報導

12 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 張嘉修、陳俊延、林志生、楊勝仲、周德珍、郭子禎、顏宏偉、李澤民

微藻因光合作用效率高、成長快速，

藉由微藻培養的二氧化碳減量效率是一般植物的數十倍以上。

運用生物科技與工程技術養殖微藻進行二氧化碳減量，

特別是直接引用含二氧化碳的工業廢氣來養藻減碳，更是值得發展。

19世紀以來的工業化，造就了人類社會的繁榮與便利，但帶給環境的危害也日益嚴

重，特別是工業活動產生的溫室氣體急遽增加，導致全球氣候變化，不僅影響生態平衡，

甚至危害生存環境。因此，各先進國家無不把溫室氣體減量當成永續發展的重要政策。

在工業排放的溫室氣體中，以二氧化碳為最大宗。微藻因光合作用效率高、成長快速，

藉由微藻培養的二氧化碳減量效率是一般植物的數十倍以上。運用生物科技與工程技術養

殖微藻進行二氧化碳減量，特別是直接引用含二氧化碳的工業廢氣來養藻減碳，更是值得

發展。

微藻的用途

藻類具有光合作用色素可以行光合作用，依大小分為巨藻與微藻。微藻是指 1∼

10 μm的單細胞藻類，生物量非常大且分布廣，在海水、淡水或潮溼的土壤中都能發現。

目前，地球上的微藻超過 20萬種，由微藻進行光合作用所固定的二氧化碳，占地球全部

二氧化碳固定量的 40 ％ 以上，因此養殖微藻固碳有助於二氧化碳的減排。

常見的減碳技術有物理法、化學法及生物法。生物法是利用植物或藻類行光合作用來

捕獲與固定二氧化碳，同時轉換成各種生物質。因微藻生長快且利用二氧化碳的效率高，

所以當前傾向以微藻養殖為工廠煙道氣的減碳方法。此外，其所需的土地面積小、不需利

用農耕地，且能以海水或廢水養殖，而可大幅降低陸地與淡水資源的需求。對於地狹人稠、

四面環海、日照充足且四季溫度變化小的台灣而言，特別適合微藻減碳、微藻高產值產品、

微藻生質能等技術的發展。

二氧化碳再利用 ― 微藻養殖

13科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

微藻生物質可用於各項生物燃料如生

質柴油、生質酒精、氫氣、焦炭等的生產，

微藻經光合作用可把二氧化碳轉化為醣類、

蛋白質、脂質等細胞組成。因此，在固碳

時也能同時生產有用的物質如生理活性物

質、色素如葉黃素與類胡蘿蔔素、omega -3

脂肪酸如 EPA與 DHA等的藻種最具經濟

效益。此外，微藻也能做為動物或水產養

殖飼料，以及用來處理廢水與廢氣。

微藻養殖

微藻因種類或生長環境的不同，人工

養殖有自營、異營或混營等方式。自營培

養指微藻利用光源為能量，並以無機碳源

如二氧化碳行光合作用得到生長所需的化

學能，是最常見的人工培養方式。最大的

問題在於自營培養時藻類大多僅利用溶在

水中的二氧化碳，但二氧化碳的溶解速率

非常低，因此藻類的生長速率緩慢。

異營培養指微藻在無光照下，可像細

菌一樣利用培養基中的有機碳源如醋酸鈉、

醣類等做為能量來源而生長。最大的優勢

是不需光照，易於高密度養殖，生長速率

可以是自營培養的數十倍以上，且易於放

大規模培養。主要缺點是碳源與其他營養

源成本過高、產物化學結構因異營培養而

有些微差異，且在培養過程中常遭受微生

物汙染。

混營培養則是指微藻可同時進行自營

生長和異營生長，使用有機碳源為能量，

而其利用呼吸作用所釋放的二氧化碳也可

被微藻捕獲進行光合作用，因此生長速率

大於自營培養，較符合經濟效益。

利用植物或藻類的光合作用可捕獲與固定二氧化碳，同時轉換成各種生物質。

微藻養殖具有生產生物質、減碳、控制水汙染等多重效果，而微藻生物質除了可用於各項生物燃料或特化原

料的生產外，藻體中所含的特定醣類、蛋白質、脂質等也有開發成高價值產品的潛能。

動物與水產飼料

蛋白質、高度不飽和脂肪酸

二氧化碳固碳減量與空氣、水汙染控制

二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、水體氮、

碳的去除

化妝品與顏料食品應用

（冰淇淋、果凍、糖果、果汁）

與化妝品應用

（口紅、乳霜、化妝水）

健康與功能性食品

色素、omega-3不飽和脂肪酸、

縮氨酸

生質能源與燃料

生質柴油、生質航空燃油、生質酒精、焦炭、生質炭等

醫療與藥物

抗生素、抗菌劑、（培養）基質、抗氧化劑等

高價化學品的料源與生物精煉的基質

醣類與甘油是原料的發酵產物

肥料方面的應用

蛋白質、礦物質

微藻

專題報導

14 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

然而，以減碳為主要目標的微藻養殖，

多採自營生長方式，其生長時所需主要調控

條件是光照、溫度、二氧化碳、培養基中的

營養成分等。其中許多條件屬於環境因子，

因此大都利用微藻養殖系統的設計來提升微藻

的養殖效率。目前，微藻規模化人工培養有

開放池和（半）密閉反應器兩種方式，後者

因可提供較充足的光線而稱為光生物反應器。

開放池培養如迴圈跑道池或槽式，設

置成本較低，且管理所需人力較少。最大

問題是無法有效控制環境因子、藻細胞密

度較低（微藻產率低）、易於被其他微藻

汙染。此外，因顧及光照效應，開放池深

度通常僅有 30∼ 50公分，所以通入養殖池中的二氧化碳溶解於微藻培養液的效率

低，減碳的效果較差。

利用光生物反應器培養微藻可達到較

高的藻細胞密度（微藻產率高），由於通入

反應器的二氧化碳在養殖液中有較長的滯

留時間，並可充分進行氣液混合，因此二

氧化碳溶解於培養液中的效率高，減碳的

效果也較佳，但造價和運轉成本較高。如

果所生產的微藻無法有較高的經濟價值，

大規模養殖就不可行。

無論是開放池或光生物反應器的微藻

養殖系統，光照效率、氣體交換效率及懸

浮微藻的攪拌效率都是系統設計的主要考

量因子，在高密度微藻養殖時尤為重要。

我國微藻減碳的研發

中鋼公司為配合經濟部和環保署的

碳捕獲與封存（carbon capture and storage, CCS）策略，在 2009年起的第 1期能源國家型科技計畫中，與成功大學和交通大學

研究團隊共同建立二氧化碳捕獲示範工場。

藉由篩選與馴養本土小球藻，分離出能耐

高溫、高二氧化碳且具高生長效率的產油

微藻株，並在廠區內建置一規模達 1.2公噸的戶外實場煙道氣微藻養殖模組，直接引

入廠區內的煙道氣養殖微藻。

這 模 組 的 固 碳 效 能 維 持 在 250 g／m 3／day以上，對煙道廢氣中二氧化碳的移除率高於 60 ％，對氮氧化物與硫氧化物也有高達 90 ％ 以上的去除率。這模組除了可成為我國工廠廢氣生物減碳的關鍵技

術外，所生產的微藻生物質很適合做為生

質柴油的原料。這模組曾在中鋼成功運作

超過 3年，實證我國微藻養殖技術對於空氣汙染防治的可行性與永續性。

台電公司是提供國內電力的重要來源，

而化石燃料燃燒後會產生很多的二氧化碳。

該公司於 1998年起就開始微藻固碳的研究，2007年在大林火力發電廠建立 10公噸開放式微藻養殖池，收集電廠煙道煙氣以海水脫

硫後養殖微藻，年減碳效應約為一百公斤。

另外，台電公司也建立 28公噸立體微藻光生物反應器，在相同面積下，減碳效

率約為開放池的 7.4倍。為提升微藻養殖速率與減碳效益，另以特定 LED光源比率提供微藻光照來源，結果顯示在相同規模條

件下，立體微藻光生物反應器的減碳效能

可增加至每年約 2.3公噸。台泥公司從 2013年起，與能源署、工

研院在花蓮和平水泥廠共同建立我國首座

鈣迴路二氧化碳捕獲先導型試驗廠，並整

合該項設施開發微藻養殖先導試驗廠，進

行生物固碳研究，進一步發展成碳捕獲、

封存與再利用策略，即利用鈣迴路捕獲的

微藻生物質可用於各項生物燃料的生產，在固碳時也能同時生產有用的物質。

15科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

二氧化碳做為微藻養殖所需的碳來源。由

於碳源純度高，因此可提高效益用於培養

含高單價衍生物質的微藻株。

為提升微藻固碳效能，且使研究成果

產業化，成功大學研究團隊在安南校區建

立亞洲第 1個跨領域大型戶外微藻養殖模廠，並計劃把這微藻養殖基地打造成亞洲

第 1個結合生態、保健、能源、醫學等研發領域的示範科技園區，設置微藻鑑定、

保存、成分分析、量產測試平台，針對台

灣本土特殊藻種進行純化與開發，並對具

商業性藻種進行產品開發和商業化測試。

目前，已設置的光生物反應器模組包含

10公噸等級的跑道式微藻培養系統、40公噸以及 300公噸規模的大型槽式微藻培養系統。研發團隊將致力於改良微藻戶外大規模

養殖系統，提升微藻固碳能力以及煙道氣二

氧化碳減量，同時開發高單價微藻產品如葉

黃素、DHA、EPA等的生產技術和商品化評估，使微藻養殖在減碳的同時能大幅提升

附加價值。

國際微藻減碳與再利用

近年來，國際間因應減碳並開發微藻

養殖與應用事業的公司紛紛成立。以色列

的 Seambiotic是全世界第一個直接利用電力公司發電廠廢氣進行微藻養殖的企業，

不但能有效減少二氧化碳的排放量，也證

實微藻能利用二氧化碳快速生產生物質做

後續開發與應用，目前正處於由實驗工廠

轉成大規模微藻養殖與生產工業的階段。

美國 GreenFuel Technologies也是利用發電廠排放的二氧化碳來養殖藻類，並萃

取藻油製成生質柴油。該公司所開發的微

藻養殖系統在白天可捕獲近 80 ％ 從發電廠排放的二氧化碳，每公畝養殖的微藻可生

產約七千加侖的航空然料、五千加侖的乙

醇及一千公噸的藻蛋白質。該公司也與西

班牙 Aurantia公司合作，在西班牙 Holcim水泥廠旁建構 100公頃的藻類養殖設備，預計每年可生產 25,000公噸藻生物質。

美國 Solix Biofuels公司利用公司周邊啤酒廠所產生的二氧化碳大規模養殖微藻，

微藻生物質可用於各項生物燃料的生產，在固碳時也能同時生產有用的物質。

中鋼公司與成功大學和交通大學研究團隊共同建立

的「導入工業煙道廢氣微藻養殖的實場模組」，分

別是壓克力管柱式（左圖）和塑膠袋式（右圖）兩

種生物光反應器模組，這是公噸級戶外實場微藻養

殖系統，直接導入中鋼工廠煙道廢氣，達到二氧化

碳減量與微藻生物質生產的雙重效用。

成功大學研究團隊在安南校區建置的戶外大規模微

藻養殖系統，包含 50公升等級的管柱型光生物反應器（左上圖）、6公噸等級的槽式微藻培養系統（右上圖）、10公噸等級的跑道式微藻培養系統（左下圖），以及 40公噸規模的大型槽式微藻培養系統（右下圖）。

專題報導

16 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

用微藻生物質做為飼料產品的原料，以解

決全球氣候變遷與糧食缺乏的困境。美國

LiveFuelsy公司則透過養殖藻類大規模進行二氧化碳減量與淨化農業廢水的策略，利用

含農業廢棄物養分的河川與海洋交匯點的天

然環境養殖藻類以降低成本，帶動藻類下游

產業的發展，包括微藻生質柴油產業。

此外，還有以研發微藻生長、最有效

率收集方法或開發微藻高附加價值產品為

主的公司。例如，荷蘭的 AlgaeLink設計製造微藻生長光生物反應器系統，提供該

系統的技術支援，開發微藻應用與推廣；

Cellana公司主要利用海藻養殖生產生質燃料的料源、水產餌料、動物飼料、化妝品、

化學原料等，並可減少工業的二氧化碳排

放量。A2BE Carbon Capture主要是開發微藻體採收系統和微藻捕獲工業排放的二氧

化碳並再利用的系統，進一步製作高單價

產品、生質燃料或保健食品。

前景可期

近十年來，微藻科技一直都是已開發

國家、國際間重要能源或環保研究機構，

以及大型能源公司非常重視的研發主題，

無論用於產製生質能源或進行二氧化碳減

量，都值得期待。雖然目前技術尚未達到

經濟效益的階段，但這也是全球相關領域

者極力投資與發展的原因。

我國在微藻科技領域的研究雖起步較

晚，投入資源較少，但從事微藻科技研究

的學研機構與公私營研究單位已逐步連結

成幾個實力堅強的研究團隊，研究能量與

技術分工也拓展至微藻產業上、中游，期

待在大家努力下能加速微藻科技的產業化。

張嘉修成功大學化學工程學系

陳俊延成功大學生物科技中心

林志生交通大學生物科技學系

楊勝仲金屬工業研究發展中心生技能源設備組

周德珍輔英科技大學生物技術系

郭子禎金屬工業研究發展中心能源與精敏系統設備處

顏宏偉東海大學化學工程與材料工程學系

李澤民中山大學海洋生物研究所

深度閱讀資料

陳慶隆、陳俊延、張嘉修、林志生、陳俊廷、林勳佑（2013），微藻減碳與微藻生產生質能源， 台灣化學工程學會會刊，60，14 - 27。

17科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

專題報導

18 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 顧洋

聯合國氣候變化綱要公約締約國大會已通過對於國家溫室氣體管理與

減量績效量測、報告、查證的一系列指引，以提升締約國排放清冊、

溫室氣體管理與減量目標、行動與金融援助等的管理透明度。

氣候變化已是本世紀全球共同面臨的

最大環境挑戰。聯合國於 1992年在巴西里約熱內盧召開地球高峰會，各國簽署了氣

候變化綱要公約，確認全球氣候變化的主

要原因是人為溫室氣體的排放，因此承諾

共同建立溫室氣體排放的管制規範。後來

在 1997年提出的京都議定書中，為氣候變化綱要公約附件一所列國家訂定溫室氣體

排放目標和減量責任。

由於各國環境、經濟條件差異很大，

造成各國政府在國家生存利益與全球生存

利益之間取捨的矛盾，以致對未來溫室氣

體減量規範與氣候調適對策無法達成具體

共識。但這問題不只與氣候變化、能源政策及經濟發展有關，也涉及國際正義、綠色成長與

環境永續，其急迫性和嚴重性已是各國的共識，因此未來國際法規的發展應該會更明朗。

聯合國通過系列指引

近年來，國際間推動溫室氣體管理及減量活動的經驗顯示，其是否能有效執行將有賴排

放與移除標準的量化、監督、報告及查證程序，以做為績效稽核與比較的基礎，和選擇不同

溫室氣體排放管理與減量策略甚至排放交易的依據。

溫室氣體稽核管理規範

溫室效應使全球氣溫上升，造成氣候的變遷。

（圖片來源：種子發）

19科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

由於溫室氣體排放管理及減量的盤查，

涉及量測、計算、申報等技術，因此受到

內在因素如行業特性、控制技術，以及外

在因素如實體管理機制、管理與減量目的

差異的影響。尤其是有關溫室氣體排放管

理與減量，更需要建立透明、有效且可信

賴的獨立認證、驗證系統，以確認其績效。

聯合國氣候變化綱要公約締約國大會

已通過對於國家溫室氣體管理與減量績效量

測、報告、查證的一系列指引，以提升締約

國排放清冊、溫室氣體管理與減量目標、行

動與金融援助等的管理透明度。但部分重要

執行細節，包括針對開發中國家查證而建立

的國際諮詢、分析機制、專家顧問團的定

位、具體量測查證方式等，仍有待討論。

國際標準化組織制定標準

為了鼓勵國家、產業和企業推動溫室氣

體管理與減量措施，確保機制的順利實施，

國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）自 2002年開始，就在訂定環境管理國際標準的 207技術委員會內成立第 5工作小組，負責草擬溫室氣體管理與減量的國際標準，確定完整、一致、

準確、透明、避免誤解等查證的基本原則。

為了因應未來溫室氣體排放的跨國管

理、減量計畫及交易，釐清設施、排放實

體及計畫間的相關性，並清楚說明排放實

體進行溫室氣體盤查、實體界限設定、避

免重複計算的要求，因此組織、減量計畫

及溫室氣體排放量的盤查與認證是這系列

標準的核心議題。

207 技術委員會已在 2006 年完成可用以量測、報告及查證溫室氣體排放盤查

的 ISO 14064國際標準，2007年完成 ISO 14065國際溫室氣體排放驗證、認證機構標準，2011 年完成 ISO 14066 國際執行環境管理系統評鑑、驗證與登錄機構標

準，2013 年完成 ISO 14067 國際產品碳足跡標準。

ISO 14064 -1標準詳述組織層級進行溫室氣體盤查的設計、發展、管理及報告的

原則與要求事項，包括決定溫室氣體排放

的邊界、量化組織溫室氣體的排放與移除

量、鑑別組織為改善溫室氣體管理與減量

的特定措施或活動的要求事項，以及對於

溫室氣體盤查品質管理、報告、內部稽核

與組織的查證責任。

ISO 14064 -2標準著重於減少溫室氣體排放、增加移除的溫室氣體計畫，或以計

畫為基礎的相關活動，包括決定計畫基線

情境，相較於基線情境的計畫績效監督、

量化、報告的原則與要求事項，以及提供

溫室氣體計畫確證與查證的基礎。

ISO 14064 -3標準詳述組織溫室氣體的查證，以及溫室氣體計畫確證、查證的原

則與要求事項，包括組織及計畫相關溫室

氣體量化的確證或查證過程，並規定其要

求事項，如確證或查證的規劃、評估程序，

以及對組織或計畫的溫室氣體主張的評價。

以一致性、透明度、獨立性，確證、查證

者必須具備的道德觀，客觀呈現及適合專

業考量等技巧與能力等，做為查證的原則

與基礎。這項標準可讓組織、獨立團體確

證或查證其溫室氣體主張。

產品碳足跡可協助消費者與生產者藉由溫室氣體量化資料，

鑑定並優先處理產品生命周期各階段的溫室氣體減量潛力。

專題報導

20 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

ISO 14065標準說明對於依 ISO 14064 -3或其他相關標準、規範執行溫室氣體確證

或查證機構的要求，包含確證或查證機構

應展現的原則及要求。其中一般性的要求

是與法律及合約、責任、公正性的管理、

賠償責任和財務相關的事項，而特定的要

求則包含架構、資源要求與能力、資訊及

紀錄管理、確證及查證過程、申訴、抱怨、

管理系統等。這項標準提供溫室氣體方案

主管機關、行政單位及認證單位做為評鑑

並承認確證和查證機構資格的基礎。

ISO 14066標準詳細規定第三者機構執行環境管理系統（含溫室氣體管理）相關驗

證、登錄時應符合的一般要求事項，包括執

行溫室氣體盤查、確證或查證的第三者機

構。內容包括驗證、登錄機構的架構與運

作，驗證、登錄人員的資格與管理，驗證、

登錄要求事項，驗證、登錄執行程序，以及

申訴、抱怨與爭議事件的處理。

ISO 14067標準的目的是提供產品溫室氣體在量化與溝通方面的要求事項與指引，

以利國際社會進行產品碳足跡計算時有一

致的評估方法。這標準分為兩部分，ISO 14067-1（溫室氣體 ─ 產品碳足跡 ─ 第 1部分：量化）及 ISO 14067-2（溫室氣體 ─ 產品碳足跡 ─ 第 2部分：溝通）。

產品碳足跡是指產品從原料取得、製

造、運輸、銷售、使用到廢棄過程中，所

直接與間接產生的單位產品溫室氣體排放

量。產品碳足跡可協助消費者與生產者藉

由生命周期各階段的溫室氣體量化資料，

了解所選擇的產品在環境和經濟面的影響，

且能鑑定並優先處理產品生命周期各階段

的溫室氣體減量潛力。

全球氣候變化議題有其急迫性及嚴重

性，但溫室氣體減量與氣候調適是任何一個

國家都無法獨自面對的，訴諸國際合作乃屬

必然。惟從 2009年 COP15哥本哈根會議以

來，國際間對於未來溫室氣體管制規範與氣

候調適對策的建置，仍然無法達成共識。

聯合國推動氣候變化綱要公約的進程，

近年來一直步調緩慢，不夠積極，似乎並不

足以整合各國同心協力面對氣候變化的挑

戰，也無法立即改變目前公約的運作，未來

溫室氣體管制發展方向的爭議仍將持續。但

全球氣候變化的衝擊越來越顯著，在在提醒

各國政府必須善用政治資源，推動積極有效

的政策，避免氣候變化衝擊的發生。

全球氣候變化議題有其急迫性及嚴重性，

但溫室氣體減量與氣候調適是任何一個國家都無法獨自面對的，訴諸國際合作乃屬必然。

台灣產品碳足跡標籤（圖片來源：行政院環境保

護署）

21科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

我國的因應

為順利推動溫室氣體盤查管理相關國

際標準在國內的實施，標準檢驗局已即時

把 ISO14064、14065、14066等項國際標準中文化後制定為我國國家標準，編號則是

對應的 CNS14064、14065、14066。2002年以來，國內部分廠商就開始進行

溫室氣體盤查工作，環保署、工業局、能源

局等也著手推動國內相關事業機構的溫室氣

體盤查。而我國溫室氣體減量法的立法，行

政院已在 2006年把草案送至立法院審查，條文中也有溫室氣體排放源盤查登錄的規定。

環保署以前述 ISO／CNS標準及其他國際規範，做為規劃我國溫室氣體盤查架構

及程序的參考，並以國際間使用的工具和軟

體，配合國內產業特性和需求，建置與國際

接軌的我國溫室氣體盤查制度。目前，已完

成多項溫室氣體管理與減量的訓練教材、盤

查使用表單、登錄規範、登錄系統平台，以

及產業溫室氣體管理資訊系統的開發。此

外，配合溫室氣體盤查示範輔導計畫，發展

適用於不同行業的邊界範疇界定、排放源鑑

別方式、計算公式、活動強度及排放係數，

以落實溫室氣體盤查工作。

未來會持續研議溫室氣體管理與減量

指標、溫室氣體排放分配與交易規範等，

循序建立我國與國際接軌的標準盤查、登

錄及查證制度與技術工具，做為我國推行

溫室氣體管理與減量的基礎與依循準則。

工業局、能源局等目的事業主管機關也

配合環保署的整體規畫，針對其主管事業發

展適用的溫室氣體盤查規範，對於落實我國

未來溫室氣體管理與減量工作會有具體助益。

我國應努力的方向

我國若能在不影響產業發展的前提下，

達到溫室氣體排放管理與減量的實質績效，

不但可以舒緩溫室氣體排放減量上的壓力，

也可以提高我國在這議題的國際能見度，

展現積極參與國際環保活動的誠意。

對我國而言，國家登錄查核系統的建

立是以國家溫室氣體排放總量管制為目標，

應符合氣候變化綱要公約對於會員國的要

求。由於我國並非聯合國會員國，雖參與

氣候變化綱要公約活動困難，但也因此尚

未受到該公約與京都議定書的約束。然而

基於維護全球氣候穩定及環境品質的共同

責任，未來我國仍有被要求減量的可能，

況且我國產業界對於目前國際間產業的自

發性規範仍有遵守的義務。

因應國際趨勢，我國應善加考量未來

國內環境保護、社會經濟、能源安全及國

際關係的發展，主動審慎規劃配合氣候變

化與能源議題的具體目標及管理架構，以

前瞻思考及周延策略凝聚各界對於爭議性

氣候變化與能源議題的共識。藉由科技開

發、管理機制及社會參與，建立適合國情

的低碳能源結構，積極發展低碳能源及淨

潔能源技術，降低溫室氣體排放，以開創

我國未來低碳節能的社會經濟新局。

全球氣候變化議題有其急迫性及嚴重性，

但溫室氣體減量與氣候調適是任何一個國家都無法獨自面對的，訴諸國際合作乃屬必然。

我國若能在不影響產業發展的前提下，達到溫室氣體排放管理與減量的實質績效，

不但可以舒緩溫室氣體排放減量上的壓力，也可以提高我國在這議題的國際能見度。

顧洋臺灣科技大學化學工程學系

專題報導

22 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 蔣本基、鍾岱均、潘述元

國內每年生質廢棄物數量龐大，

透過適當技術可轉換成能源，做為生質燃料供應區域使用，

也可做成肥料或土壤改良劑、建築材料，減少原物料的使用。

「區域能源整合」中運用「生質物再利用」技術，

可提高能源利用效率與減少二氧化碳排放，有助於發

展低碳經濟。國內每年生質廢棄物數量龐大，透過適

當技術可轉換成能源，做為生質燃料供應區域使用，

也可做成肥料或土壤改良劑、建築材料，減少原物料

的使用。

區域能源整合是二氧化碳減量的重要策略，許多

先進國家已積極落實。能源包括電能、熱能（蒸氣、

熱水、暖氣）、冷能（冷氣、冷卻水），而在一特定

區域中，必存在著各式各樣的能源供應與需求。例如，

具能源供應潛力的有傳統產業（鋼鐵、石化、造紙等

工廠）、焚化爐（多餘熱能）及汽電共生廠（可供應

蒸氣與電力）。另一方面，具能源需求潛力的有製造業（冷氣、冷卻水）、農村（冷氣、暖氣）、

廠區（蒸氣、冷卻水）、住宅區與商業區（冷氣、暖氣、熱水）、工業區（蒸氣、冷氣、冷卻

水）、高科技與電機電子廠（冷氣、冷卻水）等。

能源整合技術的發展已達多元組合且商業應用成熟，其中較常運用的技術包括汽電共

生與冷熱電三生。一般火力發電廠的發電效率不高，100 ％ 的燃料能源只能轉換成 30∼

40 ％ 的電能使用，60∼ 70 ％ 以上的能源變成熱能，在製造及輸送電力過程中浪費掉。若透

過冷熱電三生技術，經過能源階梯式利用，可使能源使用效率提高至 80∼ 90 ％，比起典型

區域能源整合

把廢棄物由管末處理朝向減少資源消耗、抑制廢棄物產出、

資源回收再利用等零廢棄方向努力，並建立區域能源中心，可提升整體區域能源使用效率。

運用「生質物再利用」技術，可提高能

源利用效率與減少二氧化碳排放，有助

於發展低碳經濟。（圖片來源：種子發）

23科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

發電廠的效率高出兩倍以上。另一方面，

區域能源整合技術也可透過多元化的操作

來整合區域能資源。例如，把生質物再利

用與鍋爐混燒技術結合，以減少化石燃料

的使用。

先進國家在經濟成長及產業快速變遷

的同時，已把廢棄物由管末處理朝向減少

資源消耗、抑制廢棄物產出、資源回收再

利用等零廢棄方向努力，並建立區域能源

中心以提升整體區域能源使用效率。

生質物再利用

生質物種類繁多，常見的如生物汙泥、

農林廢棄物、畜牧有機廢物以及事業廢棄

物等。這些常見的生質物含有豐富有機物

或營養物質，可回收處理供多種用途使用。

因此，生質物妥善處理或資源化，產生「能

源」做為區域能源供應中心，一直是環境

工程人員的重大挑戰。

台灣地狹人稠，土地資源有限，生質

物產生量又逐年增加，若仍以傳統的掩埋

法做為生物汙泥最終的處置，已不符合永

續發展精神。因此，近年來試圖透過適當

技術把生質物轉換成燃料或材料，重新進

入地球生態系中循環。

生質物再利用產生能源

生質物可以透過厭氧消化、氣化、燃

燒、熱解碳化等方式產生生質燃氣或輔助性

燃料，提供能源給區域能源供應中心中的工

廠製造蒸氣或做為建築物暖氣用。

把廢棄物由管末處理朝向減少資源消耗、抑制廢棄物產出、

資源回收再利用等零廢棄方向努力，並建立區域能源中心，可提升整體區域能源使用效率。

常見的生質物如生物汙泥、農林廢棄物、

畜牧有機廢物或事業廢棄物含有豐富有機物或營養物質，可回收處理供多種用途使用。

區域能源整合中心結合生質物再利用的示意圖

生質物透過適當技術可轉換成燃料或材料

住宅區

生質燃料 生質物

能源轉換技術肥料

農地

工業區

生物汙泥

肥料化 燃料化建材化∕資材化

直接利用

乾燥後直接利用

堆肥

有機肥料

取代水泥︵混凝土︶

熱處理技術

燒結技術

重金屬回收

單獨焚化技術

厭氧消化技術

混燒／

共燃技術

熱解／

碳化技術

氣化技術

生質固∕

液∕

氣態燃料

蒸氣∕

電力

生質沼氣

蒸氣∕

電力

貴金屬原料

環保磚

道路∕

管線工程

水泥∕

混凝土

有機肥料

土壤改良劑

專題報導

24 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

生質物透過厭氧的水解、酸化與甲烷

化產生生質氣體。水解時，利用水解菌把

大分子化合物如蛋白質、碳水化合物、脂

肪等，分解成胺基酸、單糖類、長鏈脂肪

酸。酸化時，由產氫乙酸菌和乙酸合成菌

轉換為乙酸、二氧化碳和氫氣，最後再經

甲烷菌產生甲烷（沼氣）與氫氣。

生質物氣化技術是藉由熱能或蒸氣，

把生質物中的碳水化合物轉變成氫氣和一

氧化碳混合的合成氣，做為鍋爐燃燒的輔

助燃料。另一方面，燃燒過程中產生的熱

能可以回收蒸氣用於內燃機發電。生質物

氣化的水含量越低越好，且汙泥氣化還會

產生其他副產物如沼氣、二氧化碳、碳水

化合物（焦油）、灰渣等。

生質物燃燒技術則是藉由燃料及氧氣，

完全氧化生質物產生熱能、氣體及灰渣，

熱能可以回收再利用，做為操作能源或產

生電能與蒸氣，供給區域中其他建築或工

廠使用。此外，燃燒可以消除生質物中的

有害毒物及病原菌。但高溫燃燒時，會釋

放重金屬、戴奧辛、二氧化硫等空氣汙染

物，因此需經空氣汙染防治設備處理並符

合排放標準後，始能排放到大氣中。

生質物碳化技術可分為低溫碳化、中溫

碳化與高溫碳化，通常需加熱至攝氏 300∼1,000度，使生質物中的水分完全釋放，保留生質物中最高的含碳量。處理完的生質物

造粒成形變成生質固體燃料，做為鍋爐加熱

的輔助燃料。碳化產物的熱值會隨著碳化溫

區域能源整合是二氧化碳減量的重要策略，可大大提高能源利用效率及穩定電力系統供應。

生質物透過厭氧消化技

術產生生質燃氣流程圖

進流

出水井 初沉池 曝氣池 終沉池

放流

接觸池

電能 初沉汙泥 迴流汙泥

汙泥濃縮 厭氧消化 儲存槽 離心機

引擎、主泵與鼓風機

消化氣體

熱能 汙泥餅

25科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

度提升而降低，因此碳化時溫度可設定在攝

氏 350度左右，這時生質碳可燃成分中的氧含量降低，進而提升碳含量。這技術有生質

物減積與減量、提高生質物熱值、抑制一氧

化二氮排放，容易貯存等優點。

做成肥料與材料

生質物經過減毒、焚化等程序，可再

利用做為天然肥料與土壤改良劑，施放於農

地、林地，不但可顯著提高土地、農業品質，

也可提升林地面積，達到水土保持的目的。

例如，在地表直接撒放生物汙泥，可以

使汙泥中的養分如氮、磷、鉀等元素被作物

吸收利用，且汙泥中的有機物可做為土壤的

調節劑改良土壤品質。這種生質物直接利用

有低耗能、低操作費用等優點。另一方面，

堆肥法以好氧通氣方式，利用微生物分解有

機質如醣類、脂肪、胺基酸、蛋白質、碳水

化合物、纖維素及木質素，把生物汙泥轉換

成植栽土使用。

此外，生質物通常含有大量有機物及

無機物，可利用物理化學方法自汙泥中萃

取分離出有用的物質製成吸附劑，或回收

貴重金屬。經過適當的燒結，混入廢玻璃

及建築廢料可製成環保磚，並且可溶出而

降低生質物內所含重金屬如鋅、鉛、銅、

鎘等的量，減少環境衝擊。

另一方面，生物汙泥可與天然礦石如頁

岩混合，以汙泥中的水分做為建築材料製品

生產過程中必須添加的水分；利用汙泥中有

機物補充建築材料製品燒製過程中的熱值需

求；汙泥做為環保水泥，用於土木建築材料

具有技術經濟和環保優勢。

區域能源整合是二氧化碳減量的重要

策略，可大大提高能源利用效率及穩定電

力系統供應。透過不同的技術有效利用生

質物，可把它轉換成燃料及材料，生質物

回收也有利於社區環境，提供表土豐富林

地，回收已開採的土地更可以提高作物產

量，減少水土流失。經由建立「新能源整

合中心」與「能資源互相鏈結」的產業群

組，整合熱能鏈結、發電、生質物再利用

等技術，若能成功應用於日常生活，則邁

向生生不息的綠色地球指日可待。

蔣本基、鍾岱均臺灣大學碳循環永續技術與評估研究中心

潘述元臺灣大學環境工程學研究所

生質物中有機物透過堆肥法可產生肥料

生質物透過熱處理燒結技術製成環保磚流程圖

生質汙泥（有機物）

水 氧氣

能量

微生物

新微生物

堆肥∕有機肥

生長∕繁殖

熱量

土壤使用

生質汙泥

環保磚

拌合 輾碎 摻配

燒結 乾燥 成形

熱能

加水天然黏土

專題報導

26 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 馬小康

我國未來基載燃煤發電的開發，顯然必須考量二氧化碳的排放與減量，

燃煤發電結合碳捕獲及封存已成為必要選項。

由於全球暖化的衝擊，溫室氣體的排放與減量已成為當今亟需共同面對的問題。我國能

源 98 ％ 依賴進口，加上 311日本福島事故發生間接導致核四工程緩建，也影響了基載發電的供應，如果能源供應中斷或不足，就會形成國家安全問題。雖然以低碳排放的再生能源發電

可降低碳排放並減少基載發電的需求，但未來 10年內其占比仍偏低。因此，如何獲得穩定基載電力的供應，已成為我國當前最棘手的問題。

燃煤發電的必要性

福島事故後，日本在 2012年 5月 5日把 50部核能機組停機，造成國人對核能發電安全有所疑慮，核四運轉因而遙遙無期。雖然政府提出的新能源政策朝穩健減核的非核家園規劃，

並以風力、太陽能等再生能源及擴大使用天然氣來填補電力缺口，但如果沒有先做好詳細評

估與準備，就貿然停止核能發電，將有缺電風險，對民眾日常生活、經濟發展、投資意願、

就業機會等造成重大影響。

基於依賴進口與發電成本考量，天然氣發電占比不宜過高，且增建北部天然氣接收站與輸

氣管線也需 10∼ 12年，實在緩不濟急。且從電力需求面來看，節能減碳、產業結構調整等手段涉及民眾生活習慣的改變、產業轉型及環境生態影響，需要較長的時間調適。2013年 4月 9日國際煤市半月報顯示，煤價已由 2008年中每公噸 190美元降至目前的 54.6美元，由於預估煤價會隨美國頁岩氣的大量開發而走低，我國未來基載電力的開發顯然須朝向燃煤及燃氣發電規劃。

燃煤發電低碳化

在核四停建及替代能源尚無法承擔基載發電任務的過渡期間，

燃煤發電仍屬必要選擇，以讓民生、經濟、產業有時間調適，使衝擊降至最低。

27科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

2012年，就台電公司的基載發電而言，核能及燃煤機組每度單價分別是 0.157元與1.443元，燃氣機組發電則升至 3.465元，重油和輕油機組發電每度單價也分別高達

5.814元與 8.658元，燃料費用支出已占公司營運成本的 6成以上。如單從燃料每度發電成本考量，規劃基載發電的優先順序

是核能發電、燃煤發電、燃氣發電、重油

發電、輕油發電。在核四停建及替代能源

尚無法承擔基載發電任務的過渡期間，從

燃料成本來降低發電成本，燃煤發電仍屬

必要選擇，以讓民生、經濟、產業有時間

調適，使衝擊降至最低。

燃煤發電基本原理

火力發電的過程：在鍋爐內燃燒時，燃

料的化學能轉化為煙氣的熱能；當煙氣沿鍋

爐爐膛及其後面的煙道流過時，熱能就逐步

傳遞給在鍋爐受熱流動的水、蒸氣與空氣；

鍋爐產生的新蒸氣進入汽輪機後逐級膨脹，

蒸氣的部分熱能就轉變為氣流的動能；高速

氣流施加作用力於汽輪機葉片推動葉輪使轉

子旋轉，使氣流的動能轉換成汽輪機軸上的

機械能；汽輪機通過聯軸器帶動發電機，

機械能則轉換成交流電能。

發電廠的理想基本熱機原理是在高溫

熱源及低溫熱槽間運轉，在蒸氣動力循環

中，高溫熱源就是鍋爐，低溫熱槽就是冷凝

器。在較低的冷凝壓力下運轉，因為飽和溫

度隨壓力減低而下降，所以熱效率會提高。

同樣地，增加鍋爐壓力也可以提高熱效率。

因此，蒸氣輪機的發展趨勢就是增加鍋爐壓

力，並保持低冷凝器壓力。由於鍋爐壓力增

加使熱效率提高，19世紀時，鍋爐壓力大約 400 kPa，目前則可提高到 20 MPa。

在判斷實際蒸氣廠性能時，熱效率是

一項重要準則，熱效率愈高，燃料消耗率

愈低，運轉成本也愈低。另一項準則是比

輸出功，當熱能傳遞到系統內而使溫度升

高時，可以提高熱效率。讓蒸氣達到過熱

狀態並不是增加輪機排氣乾度的唯一方法，

尚可使蒸氣的膨脹分成數個階段完成，同

時在每一階段間把蒸氣送入鍋爐內再度加

熱。現代化的動力廠通常會採用經由高壓、

中壓、低壓等輪機，產生三階段膨脹的大

型蒸氣輪機 ─ 蒸氣發生器組。

在核四停建及替代能源尚無法承擔基載發電任務的過渡期間，

燃煤發電仍屬必要選擇，以讓民生、經濟、產業有時間調適，使衝擊降至最低。

火力發電仍是我國現階段電力來源最重要的方式

（圖片來源：種子發）

專題報導

28 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

目前，火力發電廠採用粉煤燃燒，煤塊

在進入鍋爐前會先在磨碎機裡磨成粉，然後

用預熱空氣吹進爐中。一個 500 MW的發電站可能有 6個這樣的磨碎機，全力負載時每小時可以提供二百多公噸粉煤進入鍋爐。

火力發電帶來許多副產物，並對環境造

成諸多影響。根據卡諾循環的原理，總有一

部分廢棄熱要通過冷卻塔排放到大氣中，或

被海洋、江河等水體冷卻。化石燃料燃燒後

的煙道氣會排放到大氣中，其主要成分是二

氧化碳、水蒸氣、粒狀物、氮氧化物、氧化

硫等，如果是燃煤發電廠，還會有粉煤灰、

汞等。煤燃燒後的殘渣也必須從鍋爐中排

除，有些可以回收製作建築材料。

二氧化碳減量原則

火力發電廠是二氧化碳的主要排放源，

通常每產生 1度電，褐煤排放的二氧化碳大

約是天然氣的 3倍，黑煤則是 2倍。二氧

化碳減量的基本原則是節能（降低能源密集

度，Energy／GDP）及減碳（降低二氧化碳

排放密度，CO 2／Energy）。先進國家提出

的節能減碳方向，包括有效能源產出、有效

能源分布、使用再生能源及有效能源消費。

有效能源產出包括使用高效率氣渦輪

與蒸氣渦輪機組、汽電共生、燃煤機組的

碳捕獲及封存（carbon capture and storage,

CCS）等。有效能源的分布包括使用智慧型

電網、高直流電壓輸電系統、分散式區域

熱電系統等。使用再生能源包括使用風能、

太陽能、生質能等。有效能源的消費則包

括使用節能的高效率運具、燈具、設備、

綠建築及能源管理。

我國未來基載燃煤發電的開發，顯然必

須考量二氧化碳的排放與減量，燃煤發電結

合 CCS已成為未來基載發電的必要選項。

二氧化碳排放減量的有效處方

二樣化碳排放減量的有效處方

有效能源產出

• 高效率氣渦輪與蒸氣渦輪機組• 碳捕獲及封存• 汽電共生• ⋯⋯

有效能源分布

• 智慧型電網• 高直流電壓輸出系統• 分散式區域熱電系統• ⋯⋯

使用再生能源

• 風能• 生質能• 太陽能• ⋯⋯

有效能源消費

• 高效率節能載具• 綠建築• 節能燈具• 節能設備• 能源管理

人口統計學 財富 能源密集度二氧化碳排放密度

不易影響 可用技術與設備選擇而影響

不易影響 可用技術與不易影響 可用技術與

CO 2＝ Population ‧ ‧ ‧ GDP

PopulationEnergy

GDP CO 2

Energy

29科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

我國為表達支持哥本哈根協議，2020年溫室氣體排放總量比排放基線將減少至

少 30 ％，以回到 2005年排放水準為努力目標。但環保署公布的減碳目標與預期缺口

資料顯示，即使竭盡所能也無法達成。因

此，能源部門及台電公司會面臨更大的溫

室氣體自願減量壓力。

針對新或舊燃煤機組，可以考慮發電

高效化、燃料多元化、供電區域化、捕存

低碳化 4個減量方向。發電高效化 煤產生的汙染比石油或

天然氣嚴重，固體煤礦的開採需要開挖礦坑

及派人進入採礦，或在特定地形使用炸藥大

面積露天開挖，造成採礦安全和環境汙染問

題。雖然我國已無自產煤礦，但煤的輸儲依

然有環境汙染與二氧化碳排放的問題。

熱力學熱機循環分析顯示，在超超臨

界機組的蒸氣參數範圍下，主蒸氣壓力每

提高 1 MPa，機組的熱效率可提升 0.13∼0.15 ％；主蒸氣溫度每提高攝氏 10度，機組的熱效率可提升 0.25∼ 0.30 ％；再熱蒸氣溫度每提高攝氏 10度，熱效率可提升0.15∼ 0.20 ％。提高溫度的熱效率提升效果較提高壓力明顯。

超臨界粉煤在 246∼ 250 bar、攝氏600／610 度條件下發電，效率已達 43∼ 44 ％。超超臨界粉煤提高至 280 ∼300 bar、攝氏 600／620度發電，最高效率可達 50 ％。目前台電林口電廠 3 座800 MW及大林電廠 2座 800 MW更新機組，都使用高效率的超超臨界蒸氣渦輪機

組，發電效率大於 44 ％，較現行發電效率33 ％ 高出許多。

燃料多元化 丹麥 Avedøre發電廠 2

號超超臨界發電機組使用的生質燃料鍋爐，

除了提供 70 ％ 生質燃料熱能替代原來粉煤

或重油燃料並增加電力輸出 150 MW外，

可提升機組整體效率至 51 ％。

此外，磨碎機可把生質物磨成粉狀，

在磨碎機內的空氣與木質粉狀物重量混合

比 2：1時，可直接從燃燒器噴進燃燒爐中。

供電區域化 有效能源的配置包括使

用分散式區域冷熱電能整合，由中央工廠集

中生產，經網路供應周邊所需的冷能、熱

能和電能，主要供應的形式有空調用冰水、

製程用蒸氣、生活用熱水和電力。汽電共

生又稱熱電聯產，是指電廠同時發電和廢

二氧化碳減量的基本原則是節能及減碳，方向包括有效能源產出、

有效能源分布、使用再生能源及有效能源消費。

超超臨界粉煤發電示意圖

二段過熱器

蒸氣分離器

煤倉

煤加料器

磨碎機 鍋爐循環泵

NO氣道

燃燒爐

強制送風扇

三段過熱器

再熱器

一段過熱器

節熱器

去NO x系統

空氣加熱器

主送風扇

專題報導

30 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

熱供熱。儘管從熱力循環中抽熱會導致電廠

熱效率降低，但如果專門使用一部分燃料燃

燒供熱，總效率反而更低，因此汽電共生設

備如果設計得當確有其利基點。

熱電聯產技術在斯堪地納維亞國家與

德國已廣泛使用。2001∼ 2010年間，我國汽電共生系統的發電量占總發電量 16.43∼19.51 ％，與國外比較算是中等程度。

國內缺乏如日本東京都、丹麥哥本哈

根等都會區域冷熱電的整合。日本東京臨

海新都心設置了 3座能源工廠，目前供熱容量 152.8 MW，供冷容量 144.9 MW，冷熱網路管線長度合計約 32公里，服務樓板面積 2.2百萬平方公尺。製冷設備有離心式和吸收式冰水機，蒸氣由鍋爐及垃圾焚化

廠提供，後者供應的熱能約占全年耗能的

17.4 ％。丹麥哥本哈根市區分為 8個潛力供冷地區，總冷能需求是 150 MW。

我國正進行區域能源整合技術及推廣

地區的研究，期望能仿照先進國家推動供

應冷熱電的案例，開發區域能源整合。

捕存低碳化 國際能源總署指出，欲達成 2050年全球溫室氣體排放量降為 2009年一半的目標，CCS技術所貢獻的減量效果將占 14 ％。

全球總共有 21個大型碳捕存整合計畫正在建造或運轉中，每年的二氧化碳總

捕集量近 40百萬公噸。北美在 2014年有兩個大型 CCS專案開始運轉，阿拉伯聯合大公國鋼鐵業的大型 CCS專案已在建造階段，大陸有 12個 CCS試驗計畫，僅次於美國的 20個。歐洲規劃的專案中，進度領先的是英國的White Rose CCS、Peterhead Gas CCS，以及荷蘭的 ROAD。

地質封存的方式包括廢棄的油或氣井

封存、利用二氧化碳增強油或氣的產出、

形成深部鹽水層、利用二氧化碳增強煤層

甲烷氣產出、深層非可採煤層封存等。

澳洲維多利亞省正推展 2個重要的碳

封存計畫，包括澳洲第一個二氧化碳地下封

存示範計畫 ─ Otway示範計畫及 CarbonNet

計畫。前者是利用離岸廢棄的探勘井或生

產井封存二氧化碳，後者現處於可行性研

究階段，封存目標是每年 1∼ 5百萬公噸，

可封存量約 2千萬∼ 1億公噸。

冷熱電需求端與供應端的連結架構

2013年，國際能源總署估計未來的減碳方式與效益。

初級能源

• 煤• 石油• 天然氣• ⋯⋯

冷熱電需求端

• 民生• 工業• 農業• ⋯⋯

初級能源

天然氣

供應冷熱電的方法

• 火力發電• 汽電共生• 吸收式冰水機• 冷媒壓縮式冰水機• ⋯⋯

減少排放︵GTCO 2

︶

核能 8 ％發電效率和能源轉換 3 ％再生能源 21 ％終端能源轉換 12 ％碳捕存 14 ％

終端能源與用電效率 42 ％

2009 2020 2030 2040 2050

60

50

40

30

20

10

0年

31科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

目前經濟部優先處理二氧化碳排放集

中的大排放源，首要對象是火力電廠，其

次是石化與鋼鐵業，並在 2025 年逐步達

成大規模 CCS 商轉。實施手段包括捕集

及地質封存，地質封存可能地點包括西部

陸域油氣封存構造及濱海與離岸深部鹽水

層，合計封存量是 9,000 ∼ 68,000 百萬

公噸。

我國目前以燃煤發電做為基載電力供

應仍有其必要性，依燃煤發電原理及二氧

化碳減量原則，有效利用燃煤電廠發電高

效化、燃料多元化、供電區域化及捕存低

碳化，將有助於達到溫室氣體減量與經濟

永續發展的目標。

馬小康臺灣大學機械工程研究所

地質封存方式

地質封存方式

1. 廢棄的油或棄井2. 利用 CO 2增強油或氣產出3. 離岸或岸上形成深部鹽水層4. 利用 CO 2增強煤層甲烷氣產出5. 深層非可採煤層6. 其他選擇（玄武岩、油頁岩、洞穴）

生產油或氣

注入 CO 2儲存 CO 2

1公里

2公里

3a2

3b1 5 6

4

專題報導

32 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

單元介紹對齊左邊

■ 談駿嵩、王志盈

降低二氧化碳排放已成為全球的重要課題，

其中提高二氧化碳捕獲效率及規模並降低捕獲成本是重點研發方向。

全球已面臨溫室氣體增加及能源短缺

的問題，但在未來數十年，預計化石燃料

仍是主要的初級能源，因此如何降低二氧

化碳排放已成為全球重要課題。溫室氣體

減量技術包括提高能源效率，使用再生能

源、核能，提升發電技術，以及二氧化碳

捕獲封存及再利用（CO 2 capture, storage and utilization, 簡稱 CCSU）等。由於二氧化碳捕獲占整體 CCS費用近 2／3，因此國際間主要以「提高捕獲效率及規模並降低

捕獲成本」為重點研發方向，本文僅介紹

CO 2捕獲技術。CO 2 捕獲技術是指把發電、石化、

鋼鐵、水泥、造紙等主要排放源所排放的

CO 2回收，可區分成：燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒、工業製程如燃燒、氧化等。

由於目前全球發電仍以燃燒化石燃料為主，而燃燒後捕獲技術對既有的燃燒製程影響

較小，不論既有或新建系統都可適用，因此燃燒後捕獲技術的市場最大。燃燒後捕獲技術發

二氧化碳捕獲

目前全球發電仍以燃燒化石燃料為主，

而燃燒後捕獲技術對既有的燃燒製程影響很小，因此燃燒後捕獲技術的市場最大。

二氧化碳捕獲技術的發展及商業化時程

CO 2捕獲技術發展目標✓ 捕獲效率高於 90 ％✓ 所增加的發電成本不超過 10 ％（IGCC）✓ 所增加的發電成本不超過 35 ％（粉煤發電）

✓ 再生能耗小於 2.0 GJ／tonCO 2

成本降低效益

商業化製程

■ 燃燒後捕獲（現行電廠及新粉煤發電）● 燃燒前捕獲（氣化複循環發電，IGCC）▲ 富氧燃燒（新粉煤發電）▼ CO 2壓縮（全部）

2010 2015 2020

大多已是商業化技術

■ 胺類吸收劑 ● 物理吸收劑▲● 低溫法

● 先進物理吸收劑■ 先進化學吸收劑■ 氨▼ CO 2壓縮

● PBI高分子薄膜■● 固體吸附材■● 薄膜膜組▲● 離子傳導膜■● 生質燃料共燒

■ 離子液體 ■ 金屬有機骨架 ■ 酶膜

▲● 化學迴圈程序 ▲ 氧氣傳輸膜鍋爐 ■ 生物程序

33科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

展已有多年，國際間針對這項技術也已訂

定較明確的 4項指標：CO 2捕獲效率高於

90 ％、所增加的發電成本不超過 35 ％、每

公噸 CO 2再生能耗小於 2.0 十億焦耳、（歐

盟對化學吸收法所訂定的目標值）、減少吸

收劑散失於環境中所造成的汙染。

燃燒後捕獲技術

各種燃燒後捕獲技術都有其獨特性與

競爭優勢，至今仍競相發展以降低捕獲成

本，而短期內較有機會商業化的是吸收法、

吸附法及薄膜分離法。

吸收法 可分為物理吸收法和化學吸

收法。物理吸收法使用有機或無機液體做

為吸收劑，利用溶解度隨溫度與壓力變化

的原理吸收 CO 2。雖然這方法在高壓低溫

下吸收容量大，但僅適合在 CO 2分壓較高

且 CO 2捕獲率要求不高的條件下進行。

化學吸收法是目前最廣泛使用的 CO 2捕獲方法，因此是筆者實驗室研究重點之一。

這方法使用的吸收劑包括鹼性、胺類、醇胺

類、離子液體等水溶液，它與 CO 2產生化學反應進行捕獲，再以加熱進行逆反應以再生

吸收劑。由於需提供熱量再生吸收劑，因而

能源消耗在捕獲成本中占相當大的比率。

商業化製程中的吸收劑大多使用重量

百分濃度 20∼ 40 ％ 的醇胺水溶液。提升濃度固然可以加速醇胺與 CO 2的反應、增加吸收容量及降低再生能耗，但醇胺水溶

液呈鹼性，濃度過高會腐蝕設備，因此有

一定的濃度限制。近年來離子液體被視為

極具發展潛力的吸收劑，因它有高 CO 2吸收容量、低蒸氣壓及較低再生能耗的特點，

然而仍需要克服高黏度的缺點。由於各種

吸收劑的特性不同，目前的發展方向是使

用多種吸收劑混合的配方，以增進 CO 2捕獲效率及降低再生能耗與成本。

目前全球發電仍以燃燒化石燃料為主，

而燃燒後捕獲技術對既有的燃燒製程影響很小，因此燃燒後捕獲技術的市場最大。

二氧化碳的排放來源二氧化碳的排放來源

碳氫化合物∕聚合物

再利用

封存

CO 2壓縮＆脫水

CO 2分離

電、熱能

電、熱能

電、熱能

製成單元＋CO 2分離

空氣分離

重組器＋CO 2分離

氣化

化石燃料

工業製程

富氧燃燒

燃燒前捕獲

燃燒後捕獲

空氣

空氣

3∼ 18 ％ CO 2N 2＆ H 2 O

N 2＆ H 2 O

CO 2

CO 2

CO 2

CO 2

N 2

N 2

H 2

H 2 O空氣

90 ％ CO 2

90 ％ CO 2

蒸氣空氣／O 2

空氣／O 2

O 2

原物料 天然氣、胺、鋼鐵

專題報導

34 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

在商業製程中，較常使用乙醇胺做為吸

收劑，因它的強鹼性可與 CO 2有較高的反應速率。若欲降低再生能耗，可改善吸收劑

配方與製程。在化學吸收操作中，氣體與吸

收劑在吸收塔中以逆流方式接觸，操作溫度

一般不會超過攝氏 60度。已吸收 CO 2的吸收劑離開吸收塔後進入氣提塔，並在塔中以

低壓蒸氣移除 CO 2，移除 CO 2後再生的吸收劑就可送回吸收塔繼續捕獲 CO 2。離開氣提塔的氣體基本上以 CO 2為主，因此可供後續封存或再利用。

由於發電廠中的氣體排放量大且 CO 2分壓低，使得吸收塔的體積非常龐大，因

此亟需提升氣液間 CO 2的傳遞效率以減少設備體積。考量這因素，使用化學吸收法

結合超重力旋轉床的 CO 2捕獲製程是一種可能的方法。

超重力技術是使填充床高速旋轉以

提升分離效率，進而縮減設備體積，這類

設備稱作旋轉填充床（rotating packed bed, RPB）。它的主要部分是轉筒和靜止外殼，轉筒內裝填充物。在操作時，轉筒繞垂直軸

高速旋轉，液體進料則從轉筒的中心進入後

向外射出，並藉離心力快速往外側流動。由

於離心力和填充物的作用，液體會切割成薄

液膜和小液滴，使氣液在設備中有非常大的

接觸面積與碰撞機率，提供高質傳效率（較

傳統固定填充塔高 10倍以上），可達到快速混合、分離、反應等的目的。

筆者的實驗室就在開發利用填充網狀

填充物的超重力旋轉床進行 CO 2捕獲，它的效果遠比固定吸收塔佳，除可適用於鋼

鐵廠及燃煤電廠排放氣中 CO 2的捕獲外，也適用於鋅空電池中 CO 2捕獲及降低室內

在商業化製程中使用固定吸收塔捕獲二氧化碳的流程

離開氣體物流（富含 N 2和 O 2）

吸收塔能耗12 ％ 吸收塔 氣提塔

回流槽

再沸器

冷卻的煙道氣富 CO 2胺類物流泵浦

貧／富胺類物流熱交換

貧 CO 2胺類物流泵浦

蒸氣

CO 2除水及壓縮

壓縮能耗 10 ％

運送能耗 8 ％

冷凝器

氣提塔能耗 70 ％

35科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

CO 2的濃度。依所獲得的數據，利用超重力旋轉床再生吸收劑時，所需設備體積遠

小於傳統固定床氣提塔，且由於有較高的

熱傳導面積及熱傳導係數，也可降低蒸氣

使用量，進而降低再生能耗，顯示超重力

旋轉床可取代傳統固定床氣提塔。

吸附法　雖然使用化學吸收法吸收

CO 2已行之有年，但仍有尚待解決的問題，例如醇胺在水中濃度會造成腐蝕、增加黏

度和生成泡沫、在高溫再生過程中會裂解

成小分子產生毒性、再生時能耗偏高等。

為了克服這些問題，近年來 CO 2捕獲技術的研究也朝固體吸附的方向進行。

發展吸附劑時，要考量能達到高吸附

量、高選擇性、快速吸／脫附速率、成本

低廉等需求。此外，吸附劑也要有再使用

性。因此如何提升吸附劑對 CO 2 的吸附能力，以及加強可重複使用的再生技術，

是目前主要的研究方向。一般來說，若以

設備、電力、蒸氣等支出費用觀點來看，

吸附法比吸收法更適用於中小規模的 CO 2捕獲。

吸附法可區分為物理吸附法及化學吸附

法。物理吸附法是利用 CO 2與吸附劑間的吸引力，如凡得瓦力或靜電力，進行CO 2捕獲，通常適合在高壓低溫下操作。但因吸附量不

高，不太能應用於燃燒後的 CO 2捕獲。化學吸附法則是在基材上引入可與

CO 2反應的鹼性物質，例如在具中孔徑的固體基材內架接胺類，它的特點是對 CO 2的選擇性吸附力高，也可避免化學劑的腐

蝕並能重複使用。架接胺類的中孔徑吸附

材即使在低壓下操作也可得到高 CO 2吸附量、快速的吸／脫附速率、對水分的容忍

性，以及在中低溫操作範圍內較不受溫度

的影響。另外，鹼土金屬氧化物（例如氧

化鈣）對於 CO 2的吸附能力相當優越，也是有效的 CO 2吸附劑。

有機金屬骨架（metal-organic frameworks, MOFs）是近年來熱門材料之一，由金屬離子與有機配位體組成，具有高比表面積、高

孔隙率、孔洞有序排列可調等優點，在 CO 2吸附與分離方面具有潛力。惟現仍停留在實

驗室階段，其成本高、量產率低、密度小、

壓降等問題仍有待克服。

吸附法的操作方式可依吸附劑的吸

附／再生方式分為 3種：溫度擺盪吸附法 ─ 降低溫度以利 CO 2吸附，提升溫度使CO 2脫附；壓力擺盪吸附法 ─ 高壓時吸附CO 2，降低壓力時脫附 CO 2；電力擺盪吸附法 ─ 屬開發中的方式，使用具導電及熱阻的吸附材做為吸附劑，在脫附時只需通電

就可使吸附材升溫，並使吸附的 CO 2快速脫附。由於這方法消耗的電能與氣體的吸

附熱相近，因此可以降低再生所需的能源。

目前以吸附法捕獲 CO 2的技術都還處於發展階段，除極少特例外，尚未有商業

化的製程。國外已有固定床吸附裝置使用

胺類修飾氧化矽材做為吸附劑。此外，工

研院開發使用氧化鈣做為吸附劑的「鈣迴

路捕獲二氧化碳系統」，是全球至今最大

規模（1.9 MW）的用於水泥廠中的 CO 2捕獲系統。

薄膜分離法 薄膜分離技術有省能源、不易造成環境汙染、操作簡易、設計機動

性高、沒有移動元件因而易於保養等優點，

是在 CO 2捕獲法中值得重視的技術。依照薄膜材料的不同，可分為無機膜

（多孔膜、緻密膜）、高分子膜（玻璃質膜、

橡膠質膜）、混合膜等。高分子膜較能得到

高 CO 2選擇率且價格較低廉，是目前工業中常用的薄膜材料。然而高分子膜有不耐

專題報導

36 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

高溫、不抗腐蝕，且吸收 CO 2後會膨脹等

缺點。為增進高分子膜的機械和熱穩定性，

可利用無機膜的耐高溫、耐酸鹼、高機械

強度等優點，因此使用無機 ─ 有機混合膜

是可行的改善方向。

使用薄膜處理大量排放氣時，通常是

以高CO 2選擇率及高CO 2穿透率做為指標。

由於排放氣中主要成分 N2及 CO 2的分子大

小相近，兩者不易分離，此外處理的排放

氣流量及溫度都高，因此除了選擇率及穿

透率外，薄膜材質的選擇及製備、壽命、

保養及更換成本，也是決定這項技術能否

應用於 CO 2捕獲的關鍵。

因薄膜法分離效率低，現階段所發展

的製程都以二到三個高分子薄膜所組成的

膜組為主。另除直接利用高分子薄膜分離

CO 2及 N2外，也可在薄膜穿透處通入化學

吸收液以增進 CO 2的分離。

燃燒前捕獲技術

把煤或生質物料在高溫爐中氣化，產

生以 CO及 H 2為主的合成氣，再透過氣體

分離裝置分離 CO 2，稱之為燃燒前捕獲技

術。分離出的高濃度 CO 2 可進行封存或再

利用，而 CO及 H 2可直接做為燃料及發電

使用，也能用來製作化學藥品（如甲醇、

二甲基醚），或可分離出氫氣供燃料電池

使用。由於氣化技術在進料及產物上都有

很大的使用彈性，多元化的優點已受到世

界各國關注，其高效率及低汙染的特色更

是符合永續能源的發展目標，但因成本仍

高，現階段尚未有商業應用。

富氧燃燒

這項技術是提高空氣中的含氧量做為

助燃氣體，它的極限狀態就是純氧燃燒。

富氧燃燒具高溫度、低排煙量、低燃料用

量、低汙染排放等特性，且所使用的空氣

中氮氣的濃度降低，使燃燒廢氣中的 CO 2濃度增加，因而更易捕獲 CO 2。

由於富氧燃燒有節能及降低汙染的雙重

效益，因此備受重視。然而在目前製氧成本

仍然偏高的情況下，應用仍不普遍。若能降

低製氧成本，則這技術有相當高的市場潛力。

工業製程

化學迴圈燃燒技術 主要利用還原氧化反應，先使金屬氧化物與燃料反應後生

成 CO 2、H 2和還原後的金屬，然後把還原金屬送進另一反應器與氧反應成為金屬氧

化物，再回到第一步驟完成循環迴圈。這技

術的優點是產生的氣體只有 CO 2和 H 2 O，不會產生有害的氮化物以及有毒且會造成

酸雨的硫化物。雖然這技術有不少優點，

但到目前為止仍在開發階段。

鈣 循 環 技 術 原理是利用氧化鈣（CaO，俗稱石灰）與 CO 2結合後產生碳酸鈣（CaCO 3），再經過高溫處理釋放出CO 2，剩餘的物質就是還原的氧化鈣。於是可以在吸放之間重複循環，並達到捕獲

CO 2的目的。在工研院開發的鈣循環技術中，除

CaO外，另加入氫氧化鈣（Ca（OH）2），

因 Ca（OH）2吸附 CO 2的能力比氧化鈣好，因此可縮小捕獲設備的體積，也能降低能

耗及成本，捕獲效率可達 98 ％ 以上。

37科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

目前以鈣循環捕獲技術與水泥業生產

流程結合，是最能創造 CO 2捕獲效益的商業模式。因為鈣循環所使用的原料是富含

CaCO 3的石灰石，就是水泥的主要原料。通常水泥廠會先燃燒加熱石灰石以獲得 CaO，可供 CO 2捕獲使用。

此外，水泥廠原本就有和鈣循環技術相

同的高溫氣體，只要結合 CO 2捕獲技術設備，就可從水泥廠生產時所排放的氣體中捕

獲 CO 2，不僅原料可直接來自於水泥廠，需更換的石灰仍可再投入製成水泥，因此在捕

獲過程中幾乎沒有廢棄物及原料成本。但若

把這種技術應用於其他排放源，例如發電、

工業製程等，因煙囪排放氣的溫度不超過攝

氏 120 度，需額外提供能源升溫，在實際應用上仍然需要更進一步研究。

我國 CO 2 捕獲技術的發展

目前國內學研界透過第一期能源國家

型計畫（2009∼ 2013年）已發展出許多自主 CO 2捕獲技術，如化學吸收法搭配超重

力製程、高鹼性工業廢棄物搭配超重力製

程、鈣循環製程等，具有相當的研發能量。

在產業界方面，已有中鋼及台泥公司

投入技術的研發，並建立小型示範工廠做

為產學研技術合作的平台。此外，不少大

型企業（如台塑、長春等公司）在評估技

術及成本後，已有意願投入開發 CO 2捕獲技術，並規劃建立示範工廠，可知產業界

已認知捕獲 CO 2有其必要性及發展潛力。未來可藉由第二期能源國家型（2014∼2018年）及各部會的研究計畫，持續發展CO 2捕獲技術並進而產業化，如此有機會達到國內 CO 2減量的目標。

談駿嵩、王志盈清華大學化學工程學系

38 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

18世紀末，有一位法國礦物學家 Haiiy（Rene-Just Haiiy, 1743-1822）獲得了一塊「綠寶石」。這種「綠寶石」翠綠晶瑩，光輝奪目，流傳已有幾千年，一直以來被人們看得比金鋼石還

珍貴。可是究竟採自何種礦土，卻始終不明。雖然遠在公元 1世紀時，一位羅馬學者曾指出，一種在公元前三千多年已被採

掘的六角狀綠色礦石 ─ 綠柱石，跟「綠寶石」有親緣關係，但一直沒有得到證實。

這次 Haiiy根據「綠寶石」的晶體結構，再度斷定「綠寶石」和綠柱石是同一種礦石。為了證實，他請求法國化學家

Vauquelin（Louis-Nicolas Vauquelin, 1763 -1829）精細分析，測定結果證明兩者化學成分果然相同。意外的是，還發現了它們

都含有一種新物質。

這種新物質有一個古怪的特性，把它溶在硫酸銨溶液中

所產生的鹽，竟然有甜滋滋的味道，真是前所未見。Vauquelin斷定這是一種新元素的氧化物，並在 1798年發表了論文，把這種元素命名為「glucinium」，就是「甜」的意思，因為發現到所有含有這元素的礦石嘗起來都是甜甜的。一直到 1957年，國際學術界才建議改名為「beryllium」，意思是取自希臘文的「綠寶石」（beryl），就是我「鈹」，符號是「Be」。

雖然 Vauquelin發現了我「鈹」，但是他得到的只是氧化鈹（後來才知道「綠寶石」的化學結構式是 Be 3 Al 2（SiO 3）6），

鈹的自述我是個帶有甜味、質量輕的金屬，可是人們一直不重視我，

好不容易到了科技時代，開始有人欣賞我了，

卻又因為我是個劇毒元素，大家對我又愛又恨。

■ 蘇明德

鈹在地殼中的含量並不算少，但由於鈹礦不易發現，

於是在人們的心目中便成了一種非常罕見的金屬。

法國礦物學家 Haiiy

法國化學家 Vauquelin

39科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

沒有真正提煉出純元素的我「鈹」。原因

是我「鈹」和氧的結合很牢固，很難把我

「鈹」直接從「氧化鈹」中提煉出來。

直到 1828年，這個難題才由德國化學家Wohler（Fredrich Wohler, 1800 -1882）和法國化學家 Bussy（A. A. Bussy, 1794 -1882）解決。他們不謀而合都採用了相似的「繞道而

行」的方式製得了我「鈹」：也就是先使氧

化鈹和氯反應生成「氯化鈹」，再使氯化鈹

與金屬鉀作用，讓鉀和氯結合成氯化鉀，而

把我「鈹」頂替出來。這樣，終於得到少量

深灰色的我「鈹」的顆粒。

在地殼中，我「鈹」的含量並不算少，

約為百分之六。但由於我「鈹」礦不易發

現，於是我「鈹」在人們的心目中便成了

一種非常罕見的金屬。在找「鈹」礦方面，

狗是人類的好幫手。經過特殊訓練的狗，

能靈敏地從眾多礦石中嗅出含我「鈹」的

礦石。

我「鈹」在自然界的分布相當廣泛，

天文學家從太陽和恒星的大氣中也發現我

「鈹」的存在。地質學家估計，地殼中的

我「鈹」儲藏量約有2萬6千億公噸。可惜，我「鈹」的分布十分分散，礦石中的含量

很少，這是我「鈹」的一大弱點。

在已發現的 30種「鈹」礦石中，值得開採的是「綠寶石」，它含氧化鈹約 10∼ 14 ％。此外，矽鈹石雖也有一些工業價值，但其中我「鈹」的含量就更少了。因

而我「鈹」的提取成本十分昂貴，影響了

我「鈹」的廣泛應用。近年來發現在某些

煤的煤灰中也含有少量的我「鈹」，因此

有人認為煤灰或許是我「鈹」潛在的資源。

由於我「鈹」的發現和提煉十分困難，

導致我「鈹」本性的揭露也非輕而易舉，

同樣需要長期的艱苦努力。

鈹在地殼中的含量並不算少，但由於鈹礦不易發現，

於是在人們的心目中便成了一種非常罕見的金屬。鈹礦

德國化學家 Wohler

「鈹」原子結構圖。鈹原子包括 4個質子，5個中子及 4個電子。

中子

中子

質子

質子

質子

質子 中子

中子

中子

電子

電子

電子電子

40 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

人們對元素性質的了解，是隨著科學

技術的發展而加深的，比如對我「鈹」的性

質的了解，就與元素的分離方法和技術分不

開。只要有了少量雜質，我「鈹」就會失去

本來的面目。拿我「鈹」的物理性質來說，

第一次提煉出來的金屬我「鈹」是深灰色的，

含有很多雜質。到我「鈹」被發現後一百年

後，法國化學家 Lebeau（Paul Lebeau, 1868-1959）採用電解法，把熔融的氟化鈉（或氟化鉀）和氟化鈹一起電解，煉得純度達到

99.5∼ 99.8 ％的我「鈹」。這時，我「鈹」才顯示出白灰色的本相。

我「鈹」的密度實際測得是 1.85公克／（公分）3左右，有時高些，有時低些，完

全取決於雜質含量。後來用 X光測定，才知道我「鈹」的真實密度應該是 1.8477公克／（公分）3。

再拿我「鈹」的「原子價」來說，在

金屬的我「鈹」製得後，幾乎有半個世紀，

人們對於我「鈹」的原子價一直爭論紛紜，

莫衷一是，有的說我「鈹」和鋁一樣，是

三價；也有的說我「鈹」跟鎂一樣，是兩

價。直到 1870年代，舉世聞名的俄國化學家 Mendeleev（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 -1907）校正了我「鈹」的原子量，確定我「鈹」和鎂同屬於周期表第二族元素後，

才真正認得我「鈹」原來是二價。

在今天人們只要翻一翻課本就可以知

道：我「鈹」在元素中排名第 4，原子量9.013，是一個高熔點、高強度的輕金屬。我「鈹」比鋁輕 1／3，但我「鈹」的熔點卻比鋁差不多高 1倍，強度又可以和鋼一樣強。甚至於我「鈹」的離子半徑（0.34 Å）和我「鈹」的其他特性的精確數據，今天

都可以很容易地從手冊上查到。殊不知當

時對我「鈹」這些性質的了解，是多麼的

不容易！

前面說過，在我「鈹」剛被發現時，

我「鈹」的命運並不佳，一直遭受到冷落，

人們認為金屬的我「鈹」沒有任何實際的

使用價值。再加上我「鈹」不易提煉和精

製，長時間以來，人們對我「鈹」的性質

一直認識不足，以致在發現後的一百多年

裡，我「鈹」還是無聲無息，不受重視。

直到 20世紀，隨著原子能、火箭、太空船時代的到來，才發現我「鈹」的真正價值，

成為一種不可缺少的新興材料。

其實，在 20世紀初時，我「鈹」在工業上已有了一些應用，主要是用我「鈹」

跟銅、鋁、鎳或鐵等形成機械性能良好的合

金。其中以銅鈹合金最著名，用這種合金製

成的彈簧，簡直不知什麼是疲勞，即使壓

縮 2,000萬次以上也不會失去彈性。銅鈹合金還有很高的硬度，用它製成的零件十分堅

固，抗疲勞、抗腐蝕的能力也很強，因此常

用來製做手表中的游絲、高硬度軸承、耐磨

齒輪，以及現代化大型飛機的零件。

俄 國 化 學 家

Mendeleev 校 正了「鈹」的原子

量，確定「鈹」

和鎂同屬於周期

表第二族元素。

41科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

在鈹剛被發現時，人們認為它沒有實際的使用價值。

隨著原子能、火箭、太空船時代的到來，才發現鈹的真正價值，而成為一種新興材料。

銅鈹合金還有一個特點，就是撞擊時

不像鐵器那樣會飛出火花，因此在製備這

種合金時，不容易引起爆炸或火災。此外，

由於我「鈹」和氧或硫很容易化合在一起，

因此在冶金中還會拿來用做脫氧劑或脫硫

劑。我「鈹」還可用來滲入鋼的表面形成

「鈹化層」，再加上我「鈹」在空氣中氧化

後就會形成一層緻密而穩定的氧化膜，進

而增加鋼的硬度和抗蝕性。至於純粹的我

「鈹」可以用做 X光管的透光窗，對 X光的透光度來說，用我「鈹」做的窗比鋁窗

要強 17倍。我「鈹」還兼有「原子能工業之寶」

的美稱，因為我「鈹」命運的轉變跟現代科

學技術的發展分不開。我「鈹」在尖端技

術中初試鋒芒，是在 20世紀時。1932年英國物理學家 Chadwick（Sir James Chadwick, 1891-1974）發現，當金屬的我「鈹」受到

α粒子轟擊時，會產生一種貫穿能力極強的中子射線。中子是質量接近質子而不帶電

荷的粒子，中子跟質子同是組成原子核的

基本粒子。由此，人們不僅進一步了解到

原子核的結構，而且在原子核物理研究上

也找到了一種新工具。

用我「鈹」的粉末與鐳鹽的混合物製成

的中子源，每分鐘能產生幾十萬個中子。用

這些中子做砲彈去轟擊原子核，可使原子核

分裂而釋出巨大的能量 ─ 原子能，同時產生新的中子。此外，為了達到人工控制核裂

變的目的，必須使產生中子的速度減慢，而

我「鈹」對快中子有很強的減速作用，因此

可以充當原子反應的減速劑，使核裂變反應

有條不紊，連續不斷地進行下去。

在近代原子能技術中，我「鈹」已不

僅用做中子源材料，而且還與原子能的誕

生有關。原子能反應堆是用來生產人造放

射性元素，以便獲得原子核能的一種規模

巨大設施。目前世界上已經建造的反應堆

大多數是慢中子反應堆，這種反應堆的中

心（叫堆芯）是活性區（也叫反應區），活

性區中插有好多條金屬鈾棒，棒與棒之間

必須配有足夠的減速劑。

減速劑的作用是使在活性區的裂變反

應（由一個原子核變成兩個或三個原子核

的現象）所產生的快速中子減慢速度，比

方說把中子的能量從 1.75百萬電子伏特減小到 0.03百萬電子伏特。中子減速的目的是為了更充分地把它們應用在原子核的裂

變反應中，並維持裂變反應繼續發生。可

見，減速劑是建造熱中子反應堆不可或缺

英 國 物 理 學 家

Chadwick在 1932年發現，當金屬「鈹」受

到α粒子射線轟擊時，會產生一種貫穿能力

極強的「中子」射線。

42 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

的主要材料。那麼用什麼材料做為反應堆

的減速劑最好呢？

前面曾提到，我「鈹」是一種優質的

中子減速劑。這是因為我「鈹」有減速劑

所必須有的性能：鈹的中子散射截面大（高

達 6.1巴恩，註），能十分有效地把裂變後的高能量中子減速到低能量。而我「鈹」

的吸收截面很小（0.009巴恩），幾乎很少吸收堆芯中所產生的中子，因此不會耗損

中子的產量。

如果按照相等的中子轉換比率計算反

應堆堆芯的大小，以我「鈹」做為減速劑的

堆芯尺寸會比以石墨做減速劑的小一半，這

對於電功率小於 100兆瓦的反應堆堆芯是很

重要的。因為隨著堆芯的減小，反應堆外層

如壓力容器、生物屏蔽層這些結構也跟著縮

小，進而可使反應堆的造價大為降低。

反應堆的活性區外通常是反射層，反射

層的作用是把由活性區洩漏出來的中子反

射回活性區，如此一來有利於減小核燃料

的消耗。我「鈹」是反應堆中的一種理想

的反射層材料，因為反應堆內鈾核連續分

裂放出原子核能，一方面要讓鈾核分裂時

產生的快中子減速變為慢中子，才容易再

引起核分裂；另一方面也為了防止中子跑

出鈾反應堆，又要在反應堆周圍設置反射

層讓中子返回反應堆。我「鈹」正是這種

優良的核子材料。

鈹吸收熱量大，可以做為人造衛星和太空船的厚壁吸收結構材料。（圖片來源：種子發）

43科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

我「鈹」跟一般石墨相比，除了減速

效能更高以外，還不會損失中子。我「鈹」

在吸收中子又可產生兩個中子，而且容易

散射中子。用我「鈹」減速，可以大大縮

小鈾反應堆的體積。這一點對用做船舶、

飛機動力的反應堆來說，是一個特別突出

的優點。例如：若有反應堆採用由「鈹」

磚砌成的「鈹反射層」，可使反應堆用的

核燃料鈾（U235）的臨界質量由 12公斤減少到 7公斤，節省了 5公斤的鈾。因此，我「鈹」雖較貴，但採用我「鈹」還是挺

划算的。

隨著反應堆向高溫方向發展，我

「鈹」以本身的高熔點和優良的抗蝕性，

還可能成為高溫反應堆燃料元件和結構元

件的理想材料。

在火箭技術和太空飛行方面，我「鈹」

以重量輕、強度大、耐高溫的三大優點建

立了功勛。與常用的輕質結構材料如鋁合

金、鎂合金相比，我「鈹」顯示了很多的

優越性，主要是：

（1） 我「鈹」比重小。我「鈹」是質量輕的金屬之一，比重很小，約 1.85公克／（公分）3，略高於鎂的比重。

如果把鈹、鋁、鈦都製成像紅磚一

樣大小，其重量分別是 3.2公斤、4.7公斤、7.76公斤，我「鈹」比鋁輕0.68倍，比鈦輕 0.41倍。

（2） 我「鈹」的彈性模量大。所謂彈性模量，是指當物體受拉力引起變形，

用以表示應力與應變之間關係的一

個參數。彈性模量大，說明引起單

位面積的應變所需要的應力大。我

「鈹」的彈性模量比常用的幾種輕

結構材料如鈦合金、鋁合金、不銹

鋼的高 6倍以上。

（3） 我「鈹」的熱容量高。所謂熱容量，就是當物體的溫度上升或降低 1度時所需要吸收或放出的熱量。由於

我「鈹」的熱容量高，且吸熱能力

強，是鋁的 2.5倍，鈦的 4.5倍，這一特性使得我「鈹」有良好的熱膨

脹適應性。溫度升高或降低時，我

「鈹」的機械性質變化慢、導熱性

良好，是銅的一半，鋼的 3倍。正因為我「鈹」吸收熱量也大，可

以做為人造衛星和太空船的厚壁吸收結構

材料。當這些飛行器在高溫環境中飛行時

（如返回大氣層時），這種材料就可以吸

收熱量，進而保障飛行安全。這種材料也

可以幫助太空船抵抗宇宙射線輻射。由

於我「鈹」有上述這一系列特有的性質，

使我「鈹」在飛彈、衛星和太空船方面

有廣泛的應用。

當太空船重返大氣層時，表面會產生

相當大的摩擦熱，太空船上須有承受這熱

能的熱屏蔽裝置。若一太空船的吸熱裝置

是用鈦製的，則這裝置重 716公斤。相反地，若以我「鈹」製的，則由於我「鈹」

的吸收能力強且質量輕，只要 159公斤就行了。再加上使用我「鈹」材料可使火箭

的有效載重量增加許多，因而節省許多經

費。因此，我「鈹」在飛彈、衛星和太空

船上的應用很有經濟價值。

前面說過，我「鈹」的比重輕和硬

度強，是理想的衛星無線電天線材料，

我「鈹」天線的作用是把衛星上蒐集到

的信號發射到地面。由於我「鈹」具有

良好的吸熱能力和高硬度，用我「鈹」

製造太陽能電池板及其骨架，不但能提

高太陽能電池的品質，還能大大地減輕

系統的重量。

44 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

在飛機方面的應用，高速飛機為了降

低阻力和空氣動力負荷，機翼必須做得相

當薄，因此對機翼材料的硬度比對強度的

要求還高。在高速所引起的高溫下彈性模

量的降低，所造成的機翼顫動和不穩定，

也是必須考慮的重要參數之一。

另一方面，為了克服推進系統所造成

的顫動，也要求飛機結構材料必須具備足

夠的硬度。我「鈹」的硬度大於飛機上常

用金屬的硬度，這就為設計高速度飛機所

需的高剛性材料提供了重要的來源。

若硬度相等，使用我「鈹」製造機

翼所需的重量不到鋼、鎂、鋁或鈦合金的

一半。當一架渦輪噴氣運輸機用我「鈹」

代替 4／5 的鋁時，可減輕飛機重量的48 ％。又用我「鈹」代替鈦合金和鋼，飛機的重量可分別減輕 22 ％ 和 37 ％。這樣一來，就可以增加飛機載重量。我「鈹」

還可以用來製造飛機上的某些零件，像是

煞車盤、方向舵、壓縮機硬片等。另一方

面，使用我「鈹」製造機翼的應用價值十

分引人注目。

我「鈹」的氧化物和碳化物都是耐高

溫、耐腐蝕的材料，它們傳熱好，強度高，

即使受到急冷急熱也不至於斷裂，因此都

是製造火箭噴口的良好材料。其中，氧化

鈹還是一種很好的電絕緣材料，在高溫下

比其他陶瓷材料有更優良的電絕緣性能，

特別適於製作散熱用零件、微波和半導體

方面的絕緣材料。

雖然我「鈹」有著如此優越的性能，

但是由於有若干弱點，使我「鈹」的才華迄

今還未能充分發揮。我「鈹」的一個最大缺

點是我本身有劇毒，含我「鈹」的許多化合

物也有毒。暴露於含鈹化合物如氧化鈹中，

吸入其細微的粉塵會引起痛苦並導致致命的

鈹中毒。如果食物中我「鈹」的含量過高，

就會在人體內形成磷酸鈹，進而導致骨骼鬆

軟，使人患上所謂的鈹軟骨病。另外，我

「鈹」的許多化合物還會引起皮膚發炎、肺

水腫，甚至窒息。

在世界各國開始進行我「鈹」生產的

時候，曾發生嚴重的職業性鈹病。據研究，

為了安全起見，在 1立方公尺空氣中，我「鈹」的含量要求低於 0.001毫克。因此，要生產我「鈹」必須採用特殊的通風與過

濾設備，確保廠房空氣清淨，這給我「鈹」

的生產帶來了巨大的麻煩與困難。正因我

「鈹」化合物毒性很大，在使用這些含我

「鈹」的化合物時必須非常小心謹慎。

還有一點令人頭痛的是我「鈹」具有

脆性。由於有脆性，以致我「鈹」雖然是

金屬，但很難加工製造成所需的形狀，這

是我「鈹」的第二個缺點。對於脆性的原

因，有人認為是雜質所引起的，也有人認

為我「鈹」本身就是脆的，目前爭論還沒

有結果。

現在科學家們正沿著兩條途徑來解決

這個問題。一是通過金屬物理學的途徑，

即改進製備工藝，設法細化我「鈹」的晶

粒。可喜的是，利用加工方法，在較高溫

度下（暗紅色）已可使塊狀的我「鈹」鍛

製成不大的金屬板。另一是從提高純度方

面著手，目前雖然尚未實驗成功，但很多

事實證明，如果純度提高了，對於我「鈹」

延展性的提高肯定有良好的效果。

45科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

雖是如此，更使人難以想像的是，金

屬的我「鈹」具備著良好的透音性，聲音

在我「鈹」材料中的傳播速度高達 12,600

公尺／秒。與這相比，聲音在空氣和水中

的透音性就遜色多了。金屬的我「鈹」的

這一特長引起了專家很大的興趣，大家準

備用金屬的我「鈹」製造樂器。相信不久

的將來，我們將能聽到一種新奇、美妙的

音樂，它是由我「鈹」材料製造的樂器發

出的。

近 20年來，尖端技術的飛快發展對我

「鈹」的大量需求，使我「鈹」的弱點一步

步克服，產量已大大增加。可以預料，在未

來歲月裡，人類一定有辦法克服我「鈹」的

缺點，而有豐碩的成果，讓我「鈹」充分發

揮本身固有的特性。可以想見，我「鈹」的

生產和應用前景必然是指日可待的。

註：「巴恩」（barn 符號是 b）是一種面積單位，一個

「巴恩」的定義是10 – 28 m 2，大約是一個鈾原子核的截

面面積。

蘇明德嘉義大學應用化學系

以鈹代替鈦合金和鋼減輕飛機的重量後就可以增加飛機載重量（圖片來源：種子發）

46 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

科幻電影〈地心冒險〉（Journey to the Center of

the Earth）中，描述地質學家如何經由岩漿隧道到達

地球內部，展開一系列的奇幻旅程，最後安然無恙

地返回地面。這應該是研究地球問題的科學家最高

的夢想吧！就目前的技術，最直接的觀測方法是鑽

井採取岩芯，以了解岩石隨深度的分布變化。然而

受限於地球內部的溫度太高、壓力太大，只能探測

到12公里左右的深度，還不到地球半徑的千分之二。

長期以來，科學家無不千方百計地尋找其他方

法來探索地球更深的內部。但是，任何科學研究都要

研究經費與政府的支持，拜美國與蘇聯在冷戰時期核

武軍備競賽之賜，美國政府為了有效監測核彈試爆的

時間與地點，投入了大量的經費補助在全球廣泛地設

置地震儀，以快速且準確地監控各地的核爆測試。

這個世界地震監測網除了監視核爆外，也大量

收錄了世界各地發生的地震，使得地震資料的品質

與數量不斷提升，間接造成地震科學在理論與觀測技術上的迅速發展。現在已可以在地震發

生的數分鐘內，就快速得知發生的地點與時間。

台灣板塊構造與地震台灣為什麼有地震？地震為什麼有深有淺？台灣又是如何造山的？

如何成為大陸邊緣的島嶼？這些都與附近板塊的運動息息相關。

利用震波探測的方法可以揭露台灣地底下的世界。

■ 郭陳澔

地震波夾帶有地震活動的祕密（圖片

來源：種子發）

47科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

震波探測與層析成像

在介紹台灣地底下的世界前，先了解

地震是如何發生的？科學家如何偵測地震

的位置？又如何藉由地震波的傳遞得知地

底下的物質？

地震的成因可以從彈性回彈學說來說

明，當岩石受到外來應力作用時，隨著變

形能量的累積，會逐漸變形彎曲，當變形

能量超過所能承受的強度時，岩石會在應

力集中處破裂或產生斷層滑動，累積的變

形能量就以震波的形式釋放出來造成地震。

地震波由震源向四面八方傳播，所經的地

方引起地盤震動，這就是我們所感覺到的

地震。

因此，在地震儀中記錄到的地震波就

夾帶有地震活動的祕密，例如：地震規模

與震度、地震深度、斷層錯動形式、震波

所經過的地下岩石特性等。地震學家可經

由地震波的分析把這些訊息揭露出來，扮

演著解密者的角色。

地震定位是觀測地震最基礎的工作，震

源位置也是地震最基本的參數，在測定震源

位置之後，才能進一步計算地震的規模以及

分析震源斷層錯動形式等，由此可見地震定

位的重要性。因此，如何提升地震定位的精

確度，一直是地震觀測相當重要的環節。

現代地震定位的過程，簡而言之，就

是利用震波到達各地測震站的時間推算地

震發生的時間，以及地震發生的空間位置，

基本上建構在震波傳遞時間等於震源距離

除以震波速度的計算。

雖然可藉著震波到達各測震站的時間，

求得地震發生的時間和位置，但由於震波

速度是一項複雜的空間函數，實際運算的

方程式更是複雜。幸而，地震學者在 20世紀初就已提出地震定位的計算流程，又拜

計算機科技的發達，這項繁冗的計算過程

在數秒鐘內就可完成。在震源位置確定後，

接下來探測地底下岩石構造分布的工作才

得以進行。

震波的傳遞速度會因穿越的地底下岩

石特性不同而改變，因此地球內部震波速

度的分布就反應了組成岩石的特性。由於

無法直接取得地球深部的岩石變化，因此

地震波速提供了間接探測地球內部地下岩

層分布的方法。

若在地表架設很多個地震儀，當發生

地震時，這些地震儀可以定出震源位置，

然後推算出震波從震源傳到不同地震儀所

經過岩石的各別速度。在累積來自四面八

方的地震資料後，就可以描繪出地底的三

維層析成像，有如電腦斷層掃描般把地層

構造剖析得一清二楚。

由於地震位置的準確性也受制於地下

的地層速度分布狀況，但其實我們對於震

源與地層速度分布都不甚了解，因此實際

在計算求取層析成像速度時，變得非常複

雜且不確定。若能利用人工震源（如震盪

車、乳膠炸藥、海上空氣槍等）提供確切

的震源位置與時間，應可以減少可變參數，

提高三維層析成像的解析度。惟社會大眾

對爆炸性人工震源有所疑慮，造成這方法

震波的傳遞速度會因穿越的地底下岩石特性不同而改變，

因此地球內部震波速度的分布就反應了組成岩石的特性。

48 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

施測的困難。其實在所有野外實驗進行前，

應都已做過完整的安全性與環境的評估，

把影響降到最低的程度。

台灣的地體構造

地震在台灣似乎不是一個新鮮的話題，

不過總保持著一定的熱度！為什麼台灣地

震如此頻繁？這應該從台灣所處的地體構

造說起。這十年來，台灣地體動力整合計畫

（Taiwan Integrated Geodynamic Research）在科技部的補助與美國國家科學基金會的共

同支持下，在台灣廣布了地震儀，記錄天然

地震與人工震源的實驗分析後，清楚描繪出

台灣地底下的三維震波層析成像。這也才發

現台灣不僅處在變化非常劇烈的板塊交界

處，從南到北的地體構造變化非常顯著，地

震發生的位置與錯動形態也有所不同。

台灣島的形成主要是歐亞大陸板塊與

菲律賓海板塊碰撞後的產物。台灣島的年

齡約 600萬年，在人類的時間尺度上或許

已十分長久，但相較於世界上其他山脈的

年紀動輒六、七千萬年，台灣島只不過是

一個剛出生的小寶寶，且正在迅速茁壯長

大中。中央山脈目前每年約以 2公分的速

度長高，是世界上數一數二成長快速的山

脈。由於碰撞劇烈而產生山脈快速的隆升，

再加上颱風期短時間所挾帶的豪大雨，造

成土石流的災害在台灣時有所聞。

台灣的造山過程相當有趣且變化多

端，不僅包括了岩石之間相互擠壓的物

理作用，同時因為在擠壓的過程中，溫

度、壓力與水的改變而產生岩石礦物的

化學反應，形成現在的台灣島。在岩石

露頭，可以看到西部海岸沉積物的沉積，

相較於世界上其他山脈的年紀動輒六、七千萬年，

台灣島只不過是一個正在迅速茁壯長大中的小寶寶。

左圖是在丹大林道野外布設地震觀測站，利用太陽能板供給地震記錄器電源。右圖是遠山與雲海，攝於南橫啞口。

（圖片來源：郭炫佑）

49科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

從地震波 P波層析成像看台灣北中南大區域的板塊三維地體架構。台灣南部是向東隱沒的南中國海板塊，在台灣北部則轉為向西北隱沒的菲律賓海板塊。黑色叉號是地震。

0

30

60

90

120

150

180

2100 30 60 90 120 150 180 210

Depth

︵km

︶

Distance（km）

歐亞

菲律賓

台灣北部

0

30

60

90

120

150

180

2100 30 60 90 120 150 180 210

Depth

︵km

︶

Distance（km）

歐亞 菲律賓

台灣中部

南中國海

0

30

60

90

120

150

180

2100 30 60 90 120 150 180 210

Depth

︵km

︶

Distance（km）

歐亞 菲律賓

台灣南部南中國海

高程（公尺）

菲律賓海板塊

琉球海溝南部

中部

北部

歐亞大陸板塊

沖繩海溝

23°

25°

120° 122°

– 6,000 – 4,000 – 2,000 0 2,000

從地震波 P波層析成像看台灣中部區域受擠壓後的地殼變形與地震分布。紅色叉號是地震。

歐亞大陸板塊 菲律賓海板塊

西部平原

西部麓山帶

中央山脈

海岸山脈

太平洋

縱谷

地表抬升

無震區

大陸地殼加厚海洋地殼擠壓增厚

Depth

︵km

︶

0

15

30

45

600 30 60 90 120 150

Distance（km）

7.5

7.5

7.56.5

6.5

5.5

7

7

7

8

6

5

66

– 4– 2– 0– – 2– – 4km

50 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

西部麓山帶沉積岩的擠壓變形，雪山山

脈與中央山脈的變質岩，以及東部海岸

山脈的火成岩。地質學上的三大岩類都

出現在我們的寶島，也難怪歷年來這麼

多國際學者紛至沓來地來探索這麻雀雖

小但五臟俱全的島嶼。

在三維的板塊架構上，台灣南部可以

看到歐亞大陸板塊前緣連接的古南中國海

板塊向東隱沒至菲律賓海板塊之下，兩個

板塊的縫合線在地表上對應於花東縱谷地

區。板塊的隱沒主要受制於兩板塊的密度

不同，密度較大的板塊（通常年紀老且是

海洋板塊）容易隱沒在密度較小的板塊下，

例如年輕的海洋板塊或大陸板塊。因此，

在台灣南部，古南中國海板塊向東隱沒在

菲律賓海板塊下。隱沒的古南中國海板塊

在西側則連接了歐亞大陸板塊，形成海陸

板塊相連的現象。這是台灣造山前的初始

板塊架構。

然而，在台灣中部，由於歐亞大陸板

塊邊緣隨著古南中國海板塊的持續隱沒，

而造成菲律賓海板塊向西北碰撞上陸板塊。

雖然歐亞大陸板塊前緣拖著一古海板塊，

但其大陸板塊的密度低於海洋板塊，因此

陸板塊很難繼續向東隱沒至海板塊底下。

而菲律賓海板塊卻亟欲向西北方隱沒，造

成了激烈的碰撞，使地殼迅速加厚並抬升

了地表，因而形成高聳的中央山脈。

最後，菲律賓海板塊終於在台灣北部

如願地隱沒至歐亞大陸板塊下，造成板塊

隱沒方向的反轉：從向東隱沒的古中國海

板塊轉變為向西北隱沒的菲律賓海板塊。

因此，在花蓮以北的地方，主要是受到隱

沒作用所影響，清水斷崖也是因為這隱沒

作用造成地塊容易陷落的形貌。

台灣地區地震的分布特性

台灣的地震構造由於受地體構造的影

響，其分布特性十分複雜。由於地表下岩

石分布的不均質，在板塊擠壓下容易沿著

早期的脆弱面破裂，如在地表上所看到的

活動斷層。這系列的地震斷層活動無法簡

單地區分，因為這些早期的破裂面可能是

台灣造山前就已形成，或因為岩石地層形

成時本身的非均質性而產生，這些都必須

經過詳細的野外地質調查，或者斷層槽溝

的分析才能確認。然而，若以震源深度與

地震斷層錯動機制分布，再就其岩石的物

理特性來區分，就不會這麼複雜了。

斷層的錯動方式主要受控於該區域的

地體構造，而反應出正、逆或滑移斷層的

形態。台灣主要的應力是菲律賓海板塊斜

向碰撞歐亞大陸板塊，因此大部分主要斷

層的錯動是逆斷層。

以規模 7.3的 921集集大地震為例，主要錯動是逆斷層，其中帶有滑移的分量。

目前的觀測紀錄顯示，在台灣西部麓山帶

與東部海岸山脈地區主要以逆衝斷層伴隨

滑移的分量居多，在中央山脈地區則是以

正斷層為主，主要原因是造山時有大量的

岩石由地殼深部向上拱起並推擠至地表，

因產生的重力位能高於其他區域而發育成

正斷層，因此台灣地區大約百分之九十較

大規模（三級以上）的正斷層形態的地震

都發生在中央山脈。

地震發生主要是岩石受擠壓而破裂，因此岩石是否具脆性決定了地震發生的難易度。

51科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

郭陳澔中央大學地球科學系

地震發生主要是岩石受擠壓而破裂，因

此岩石是否具脆性決定了地震發生的難易度。

由日常生活的經驗得知，薯片在輕輕地擠壓下

很容易破裂。軟糖則不是如此，因軟糖有延展

性，可承受外來巨大的壓力。地震活動的深度

分布也是如此，越深的地方因溫度壓力增加，

其岩石的狀態有如軟糖不易破裂，反而會以緩

慢的塑性流動方式來調適外來的應力，因此在

深部地區發生地震的頻率減少許多。

在西部平原與西部麓山帶地區，地震

的深度分布約為由地表向下延伸 30公里的深度，而以深度 10公里以上的地震最為頻繁，主要是受到大陸地殼的組成所影響。

在中央山脈地區，地震的分布約在地表至

10∼ 15公里深，與西部地區明顯不同，因為這地區 10∼ 15公里以下的岩石屬地殼深部，其溫度隨深度升高非常快，形成塑

性流動，有如軟糖般不易破裂。

至於東部海岸山脈下與其鄰近的外海，

地震可以達到 40∼ 50公里深度，岩石因位在碰撞的邊界區域，擠壓嚴重，十分破碎，因此

地震頻率高且深度分布較其他區域廣。另外，

位處於隱沒區域的南部與北部台灣，因受隱

沒作用的影響，地震深度分布可到達一百多公

里，這是我們所熟知的班尼霍夫地震帶。

地震預測一直是我們的夢想，但要實

現這個夢想，還有一段非常長的路要走。

其中最重要的基礎工作，還是要深入了解

我們所處的地體構造環境，認識台灣不同

區域的地震有何不同的活動形態，並充分

掌握台灣地震的時空分布特性，才能往這

個遠大的夢想邁進。

地震發生後岩石和上面的柏油鋪面都破裂了（圖片來源：種子發）

52 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

莫拉克風災之後

民國 98年 8月，莫拉克颱風在台灣中、南、東部帶來近 3,000毫米的雨量，導致前所未有的嚴重災情，計有675人死亡、24人失蹤、45人受傷。99年的凡那比、梅姬颱風，101年的蘇拉、天秤颱風，以及 102年的蘇力、康芮颱風等，都造成宜蘭及嘉南地區嚴重淹水災情。另外，台灣每年五、六月的梅雨季節對流雲系所帶來的雨量相當驚人，是台灣地區僅次於颱風的第二大

氣象災害。

颱風豪雨的降雨雖然可解除台灣冬季雨量稀少所導致的旱象，但也因長時間高強度的降

雨帶來淹水災情，嚴重威脅著民眾生命與財產的安全。然而水利防災面對的挑戰還不僅於此，

全球氣候變遷跡象日益顯著，台灣地區水環境變化難以預測，導致洪澇災害發生頻率、規模

與損失的廣度、深度都有加大的趨勢。加上水災災害應變任務頻繁，現有人力物力又不足，

再則隨著社會經濟發展，高地、都市水患屢屢發生，損害日益擴大，複合型災害因而一再

重演。

全球暖化與極端氣候

依據 2013年 9月 30日發表的聯合國「跨政府間氣候變遷小組 IPCC」《第五次氣候評估報告》，明確指出在地球暖化下，可以預期目前的溼潤地區雨量會增加、乾旱地區雨量則

會更少。不容諱言的是，氣候變暖和極端氣候活動增加是氣候變化的兩個基本趨勢，變暖是

一個全球的總趨勢，它在空域上的分布並不均衡，在時域上的變化也不單調，而是呈波動式

上升。這個結論是以科學觀測得到的大量資料為依據的。

防災空間資訊系統空間資訊系統結合了氣象及水利資訊，透過網際網路平台提供水利防災服務，

不僅能支援決策所需的關鍵資訊，

同時也讓第一線單位人員可以快速掌握全面而即時的所有資料。

■ 王光華、鄭依凡、劉正千、謝明昌、楊欣常

53科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

固然有部分學者對氣候變暖的趨勢提

出不少質疑，也能列舉出一些數據，但從

已掌握的全球觀測資料來看，確定近百年

全球暖化的總體趨勢應是沒有問題的。至

於在極端氣候事件上，IPCC 早已觀測到，自 1950年後北半球中緯度地區的降雨量是持續增加的；而熱浪發生的頻率也有增加，

特別是在歐洲、亞洲與澳洲 3 個區域；另北大西洋熱帶氣旋的強度也有所增加。

世界銀行在「2005年自然災害頻傳地區 ─ 全球風險分析」研究中透過統計全球六大主要天然災害（地震、火山、洪水、

乾旱、颱風、坍崩），了解目前各地遭受天

災的情形。若進一步觀察台灣地區，可以

發現本地主要遭受地震、颱風和坍崩（土

石流）3項天然災害，可能會遭受上述任兩項以上災害侵襲的土地面積涵蓋了全國的

99.1 ％。因此世界銀行評估，台灣是全球水災、坍崩、地震交替發生率最頻繁的區域。

細看上述三害，其中地震無法預測，

幾乎無法進行事前防範工作。坍崩、土石

流的發生與短時間內大量降雨有關，災變

發生在剎那，使得防範的時間很短。至於

洪水災害，以目前科技是比較有可能掌握

並且提出因應對策的。

近年來已有許多洪水災害評估及預警系

統建立，但是在空間展示及資訊整合上，與

使用者的期待仍然有相當大的落差。隨著科

技快速發展，防災資訊已經由過去人工與平

面資訊轉為自動化作業、跨平台執行、即時

展示、立體影像、圖層疊加等。智慧型手機、

平板電腦及行動網路普及，即時防災資訊已

經由辦公室延伸到決策者個人的身邊。

多尺度遙測就是由不同高度來看同一

個地方，由大範圍的周圍環境到細微的目

標特徵都可以一併看清楚。也就是經由衛

星、飛機、無人載具及地面攝影拍攝獲得

的資料，經過套疊的技術同時看到巨觀與

微觀的景物。

在一開始是從遠處來看，隨著滑鼠滾

動，距離拉近，電腦已經在背後把更細緻

的影像預備好，使更近更細緻的影像一一

呈現，甚至使用者也感覺不出影像資料已

經在更換，看到的只是連串順暢的影像。

使用者同時可以轉動方位，從上下左右不

同角度來觀看所關注目標的立體實景，有

如身歷其境，其感覺恰如使用大家熟悉的

谷歌地球（Google Earth）。

隨著科技快速發展，防災資訊已經由過去人工與平面資訊轉為自動化作業、

跨平台執行、即時展示、立體影像、圖層疊加等。

又見樹又見林的多尺度空間資訊系統（圖片來源：

http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/glossary/images/0366_5.gi f 和 ht tp: / /www.ccrs.nrcan.gc.ca/glossary/images/0366_6.jpg）

© CCRS／CCT

A

B

C

*D

© CCRS／CCT

A

B

C

D

54 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

防災空間資訊系統以谷歌地球為展示平

台，這是全球最便捷的免費三維立體展示平

台，且是開放源碼的平台。它的優點是建置

及維護成本較低，且系統開發具高度彈性。

透過網路雲端服務系統，可讓使用者把資料

儲存在雲端。除了便於尋找地點或識別地

形、地物之外，還可以把防災資訊加入這個

空間展示平台中。這樣的空間資訊（包括網

格及向量圖層）更容易整合、建置與交流，

並在二維及三維的環境套疊展示各式圖資，

當災害發生時，可即時展示多重的資訊，並

且配合空間定位，快速整合應用與展示。

傳統的電腦使用觀念，資料都儲存在

硬碟中。但隨著網路科技的發展，網路速

度提升，即使資料是放在太平洋的彼端，

當存取該資料時也感覺不出來。由於微軟、

蘋果電腦、資料箱（Dropbox）等大企業在多年前已經有這樣的遠見，因此在世界各

地建置了數個資料中心，互相定期備份資

料，並且有嚴密的資訊安全管理。

當客戶把資料放在網路的硬碟中，雖

然不知道放在哪個機房，但只要有網路，

輸入正確帳戶與密碼就可以隨時下載與搜

尋想要的資料。這就是目前最熱門的雲端

技術，而且許多電腦業者還提供使用者大

量的免費儲存空間。新的電腦設計甚至沒

有硬碟，只要有網路就可與世界連結。

雲端設備在哪裡？就在那雲深不知處的某地！

系集預報說明圖，圖

中以許多顏色繪出颱

風路徑，紅色線是颱

風實際路徑，黑色線

是最後採用的加權平

均值颱風預測路徑，

也是防災的重要參考

資訊，依據這樣的路

徑推估可能的降雨量。

可能登陸地點

─ 紅色，觀測的颱風路徑

─ 黑色，系集平均的預測颱風路徑

颱風名稱 蘇拉 Saola目前強度 中度

暴風半徑 220 km海上警報發布 2012／07／30 20：30陸上警報發布 2012／07／31 20：30預計登陸時間 2012／08／02 12：00預計登陸地點 宜蘭

3日 8時

2日 8時

1日 8時

55科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

防災空間資訊內容

淹水與土石流防災工作的重要依據是

降雨量，而雨量預報的資料來源甚多，但我

國以中央氣象局的「系集模式颱風定量降水

預報」（Ensemble based Typhoon Quantitative Precipitation Forecast，簡稱 ETQPF）為唯一防災雨量預報的官方依據。

系集預報的意思是因為全球有許多機

構各發展出其數值天氣預報的模式，每個

數值模式都有它的特點，沒有誰敢說哪個

最準確。天氣預報員會根據個人主觀經驗

選擇相信某個預報模式另加上一點微調。

但是預報仍然不容易，於是氣象學者提出

折衷的方法就是結合許多數值模式的預報

結果，依據過去一天或三天預報比較準的

模式給予不同的權重值再取其加權平均值，

在這樣的考量下所求得的預報結果，就當

成是最佳的天氣預報。

這個防災空間資訊系統就是依據中央

氣象局提供的資訊，運用多尺度遙測技術

與資料，徵詢決策者需求，建構出合宜的

使用介面系統。在洪澇災害發生的期間，

可即時掌握與判斷災區範圍，並立即調整

救災人力與機具的部署，提升各種天災時

救災的機動性與成功性。

為達成可迅速提供防災資訊服務的宗

旨，筆者開發了以使用者為導向的系統。在

理論與技術層面上，分別有面積雨量估算、

雷達影像淹水深度判別、福衛二號影像的處

理判釋、無人飛機空拍等。防災資訊則有潮

位站、水位站、水庫、災點資訊、封橋封路

資訊、防汎備料、抽水機資訊、各地攝影機、

淹水潛勢圖、地籍圖、土石流警戒等。

資料整合

氣象局除了提供即時觀測雨量外，也提

供 72小時系集預報的雨量估計產品，在平日氣象局提供每 6小時一次的區域系集模式雨量預報產品，颱風期間則改為每 3小時一次的預報。系集模式颱風定量降水預報產品結

合了中央氣象局和台灣颱風洪水研究中心所

有的系集成員預報結果，再融入氣象局發展

的定量降雨預報技術所做出來的後製降水預

報產品，使得資料更完整且密度比較高。

把氣象觀測站的觀測雨量和預估的雨量

結合，分別找出位在河川水位站上游最近的

雨量站的過去、現在及未來雨量，並且彙整

水位上升速度、警戒水位高度等資訊。同樣

的觀念也應用在水庫集水區及潮位站所在地

區，並且整合附近氣象站、浮標站、雨量站、

2014／11／13 17：00，花蓮潮位站潮位及雨量觀測與預報圖。

花蓮潮位站

風速：2級風　風向：斜離岸風

雨量︵m

m

︶

50

40

30

20

10

0

預測累積雨量 觀測雨量 觀測潮高 預測潮高

現在時間：2014／11／13 17時– 5 – 4 – 3 – 2 –1 0 3 6 9 12 15 18

0.29 0.19 0.07 – 0.02 0.01 0.080.08 0.03 – 0.02 – 0.06 – 0.11 – 0.16

56 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

雨量預報等資訊，提供附近流城平均雨量

及潮汐預報資料、沿岸風的風向、風速觀

測等資訊。對於劇烈天氣時是否有暴潮、

大雨及向岸風造成可能的水患，也提供了

整合性服務的資訊。

向量資料整合

為便於防災單位使用，以防災預警資

訊、災害事件分析、一般基礎圖資三大方

向構思了彙整圖資。

超級套疊與發布技術 由於影像資料非常多元，包含福衛二號、無人載具影像、

雷達衛星影像等，數量非常龐大，需要使用

影像超級套疊。這技術是根據電腦畫面可視

區域大小，貼入適合螢幕解析度的影像瓷磚

（image tiles），因此影像前置處理主要程序包括了影像裁切及影像重新取樣兩部分。

影像裁切是先把一張例如 1024×1024的原解析度影像切成 4等份（512×512），

每 一 等 份 再 切 成 4 等 份， 形 成 16 張256×256解析度的影像瓷磚。影像重新取樣則是把所有影像瓷磚的解析度都重新取

樣為 256×256，這對原本的 16張 256×256原解析度的影像瓷磚並沒有影響，但會相

對降低 1024×1024及 512×512這兩個等級的影像解析度。

做完前兩個步驟後，就完成不同套疊影

像瓷磚的製作。把這些圖由下面的高解析度

小範圍影像瓷磚依次向上疊加次解析度但是

範圍略大的影像，到最上層時，範圍最大卻

只有一個影像的低解析度影像，整個看來像

是金字塔形狀的結構，這就是超級套疊。

向量資料 向量圖資如崩塌地或河川淤積地圖層等欲發布在谷歌三維地球模型軟

體呈現時，會視檔案大小給予不同的轉檔處

理。小型檔案會直接以軟體把圖資格式轉換

成谷歌地球的格式檔案，因此在谷歌三維地

球模型軟體中，無論何種視距都完整呈現圖

資。大型檔案則依前述的超級套疊及發布技

水位站資料圖，系統中顯示水位位置和過去到現在的水位，以及過去 24小時降雨、未來 24小時降雨量，同時顯示該處的河堤警戒高度。

57科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

術，把圖資資料裁切成數塊相同大小的向量

檔，並寫進谷歌地球的檔案中，供閱圖者在

可視區域內能以高效率讀取，即使是普通等

級的個人電腦也得以使用。

空間資訊系統運作與展望

空間資訊系統結合了氣象及水利資訊，

藉著資訊平台而建立水利防災服務系統，它不

僅快速提供決策者充分的防災資訊，也提供第

一線人員及相關單位取得必要的防災資料。

筆者的研究團隊建置的空間資訊系統，

可以在災害來臨前與來臨時，提供豐富的

空間資訊，包括河川水位、抽水機位置，

以及重要水利設施等完整的資訊，以提供防

救災管理者的決策參考。只是，沒有一個系

統是完美的，只有繼續改善，增加系統中的

資訊，例如微波衛星資料，颱風來臨前可能

的降雨位置與夜間觀測資訊等，並提供防

災人員前往災區的參考路線或淹水深度資

訊等。

目前研究團隊已完成水利署的空間資

訊系統的建置，但如何進一步和水利署防

救災資訊管理系統緊密連結，仍待共同努

力。未來更希望水利署的經驗可以複製到

其他縣市政府。

圖資整合列表

大項 類別 資料名稱

1. 防災預警資訊

水文資料流域雨量、水庫集水區雨量、 單站雨量、河川水位、 潮位站、水庫

氣象觀測資料 系集預報產品、雷達觀測產品、衛星觀測產品

警戒資訊淹水雨量警戒、河川水位警戒、水庫警戒、 土石流潛勢溪流警戒、枯旱預警、封路封橋

災害現況災情通報、淹水災情、水利設施損壞、重大災害事件災點資訊

防災輔助資訊閉路電視、淹水感測裝置、抽水機分布資訊、防汛備料、防汛缺口、淹水潛勢圖

2. 災害事件分析資料包括：雷達衛星影像、福衛二號影像、無人飛行載具影像、影像分析資料等

近幾年重大災害事件前後期比較圖資、 近幾年重大災害事件前後期圖資變異分析

3. 一般基礎圖資

影像資料 各單位所提供的影像圖資

基礎圖層

行政區界圖、各河川局管轄範圍、中央管河川流域範圍、河川流域範圍、河川圖、易淹水地區 ─ 順向坡、 易淹水地區 ─ 山崩、易淹水地區 ─ 重大崩塌、 易淹水地區 ─ 資料範圍

谷歌地球私有球圖資圖幅框、防洪排水、水庫保育、環境資源、公共給水、地下水文、社經土地、河川水文

王光華、鄭依凡成功大學全球觀測與資料分析中心

劉正千成功大學地球科學系／全球觀測與資料分析中心

謝明昌、楊欣常經濟部水利署水利防災中心

58 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

許多人都有個疑問：地球上油氣可供

人類使用多久？上世紀 70年代能源危機時，各能源機構預估頂多 50年。然而 40年後今日的預估還是 50年，甚或更多，究竟原因何在？

過去幾十年來，美國石油進口的比率

逐年上升，最高達 60 ％，為了掌握油源，美國不惜代價維持中東產油地區的和平穩

定。但最近世界最大天然氣生產國俄羅斯

的龍頭已悄悄地被美國取代，美國也期望

朝向「能源自給」的目標邁進。是什麼原

因逆轉了美國石油能源供需的趨勢？

回顧全球石油供需的歷史，每當世界石油生產接近高峰時，人類就竭盡所能利用各種新

科技探尋更多的油氣，延續人類對石油依賴的時限。油氣探勘的區域也不斷地更新擴展，由

陸上而海上，由淺海到深海，由溫帶而極區。拜探採創新科技之賜，嶄新的石油探勘領域經

常及時出現，彌補全球即將下降的儲量。

巧奪下一代資源的科技 ―

頁岩氣的開發地球上傳統的油氣資源在過去短短一百五十年內大量消耗，

大自然原本要留給後代子孫而隱藏在頁岩中豐富的油氣，

近年來在新科技的發展下又要被這一代預支使用。

■ 黃武良、劉淑蓉

頁岩氣的大量生產衝擊世界天然氣市場，甚至阻礙了再生能源及減碳的永續發展。

鳥瞰美國賓州開發中的馬賽勒斯頁岩氣井（圖片

來源：courtesy of the U.S. Geological Survey）

59科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

頁岩氣的大量生產衝擊世界天然氣市場，甚至阻礙了再生能源及減碳的永續發展。

美國天然氣生產量過去及未來預估趨勢圖，顯示頁岩氣生產量從 2008年大增，致使天然氣總產量逆轉上升。（資料來源：美國能源資訊局，EIA）

美國石油產量過去及未來預估趨勢圖。頁岩油及緻密岩油的開發將造就美國石油生產的新高峰。（圖片來源：

國際能源資訊署，IEA）

頁岩氣讓美國天然氣總產量的趨勢反轉

天然氣年產量︵兆立方英尺︶

40

30

20

10

01990 2000 2010 2020 2030 2040

2012已生產 預測

本土海上傳統天然氣

本土陸上傳統天然氣

Shale gas 頁岩氣

Tight gas 緻密岩氣

Lower 48 onshore conventional

Lower 48 offshoreCoalbed methane

trillion cubic feet EIA 2012年

頁岩油的開發使美國石油生產大增

石油產量︵每天百萬桶︶

12

10

8

6

4

2

01980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 2020 2024 2028 2032

頁岩油及緻密岩油

天然氣凝析油

傳統石油

Tight Oil Nat Gas Liquids Crude Oil ex Tight IEA 2012年

60 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

近十年來所謂非傳統油氣資源的頁岩

氣（shale gas）和頁岩油（shale oil），又掀起一股全球油氣浪潮。根據 2012年美國能源資訊局（EIA）的資訊，美國原本下滑的天然氣總生產量，由於頁岩氣的開發於

2008年開始逆轉上升，預估 2035年頁岩氣生產量將占天然氣總生產量的一半。而全

球頁岩氣的可採蘊藏量將占全球天然氣總

量的 32 ％，這預估量逐年增加，似乎預告全球頁岩氣時代的來臨。

美國無論在頁岩氣和頁岩油的儲量或

開發技術上，都居領先地位，造就美國近

年來油氣生產的高峰。由於頁岩氣的大量

生產導致美國天然氣價格低迷，也衝擊世

界天然氣市場，甚至阻礙了再生能源及減

碳的永續發展。日本、南韓、台灣等都不

約而同準備由美國進口較低價的天然氣。

最近頁岩氣（油）成為人們最常談論

的能源議題，其中持疑慮的有所謂商業投

機論、曇花一現說、陰謀論、生態浩劫論

等。但頁岩氣未來會影響每個人的生活無

可置疑，台灣有關頁岩氣的文章甚少從科

技及環保的層面去介紹，本文因而由這角

度來探究，拋磚引玉期能有助讀者的了解。

頁岩氣革命

頁岩氣（油）發展過程中關鍵的里

程碑可回溯至 2008年，美國艾克森美孚（ExxonMobil）石油公司以 350億美元併購天然氣公司XTO Energy Inc.。隨後，其他大石油公司爭先恐後跟進併購，全美許多頁岩氣開發

公司因此水漲船高，引發全球開發頁岩氣的熱

潮，甚或冠以「頁岩氣革命」之稱，也使得頁

岩氣探勘開發技術更上一層樓。其中最有潛力

的，包括東北部的馬賽勒斯（Marcellus）頁岩和德州的巴納特（Barnett）頁岩。

地下油氣在地層中的分布。傳統油氣儲存於砂岩而

且局限於特定的油氣藏，例如在背斜封閉區域。頁

岩氣或頁岩油則儲存於頁岩中不需封閉，但頁岩中

的油母質必須達到成熟（產油氣）或過成熟（產油）。

註：紅色及綠色分別表示天然氣和油。

東北角龍洞岸邊露出地表的砂岩及頁岩。內插圖分

別是顯微鏡下的砂岩及頁岩。

砂岩

砂岩

頁岩

頁岩

傳統氣井

頁岩氣井

傳統油氣井

頁岩油井

未成熟

斷層蓋層

砂岩

油窗頁岩 產油

產氣

Ro＝ 0.6 ％

Ro＝ 1.3 ％

61科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

曾是巴納特頁岩氣開發的先驅，被尊稱

為「頁岩氣之父」的石油工程師，也是石油大

亨喬治．米歇爾（George Mitchell），在 2009年 90歲時接受富比士雜誌（Forbes）專訪時回憶開發巴納特頁岩氣的艱辛。他從 1981年開始測試，歷經無數次失敗，連工程師都勸他

放棄，堅持十年才有成。他的公司在 2002年以 35億美金賣給 Devon公司。

頁岩油在這股熱潮中似乎被大眾所忽略；

的確，液態的頁岩油比頁岩氣不易生產，但也

有一些開發十分成功的頁岩油田。例如 2008年起推動美國西部新的淘（黑）金熱潮的北達

科他州巴肯（Bakken）頁岩，如今成為美國除墨西哥灣外最活躍的產油區。近來德州的鷹

灘（Eagle Ford）頁岩油有迎頭趕上之勢。頁岩油以及其開發技術進一步應用於傳統油田

的更生，造就美國近年來石油生產的高峰。

認識頁岩氣

頁岩氣（油）與傳統油氣的不同 兩者主要不同在於儲油氣的地層。傳統油田的油氣

幾乎多數從砂岩或碳酸岩的地層鑽採出來，這

類岩層的孔隙率高，可容納許多油氣，更重要

的是滲透率佳，油氣在生產過程中容易從儲油

氣地層中滲出而進入油井中。不過，傳統油氣

局限於特定的油氣藏，例如在背斜或斷層等封

閉地帶，容量有限。

地下另一種常見的地層頁岩就大異其趣，

它的孔隙率不低，同樣可容納不少油氣。但這

種頁岩的孔隙比傳統油田的岩層小，滲透率很

低，油氣不易流動，因而可以殘留在頁岩中廣

泛分布而不局限在特定的封閉空間。問題是鑽

井後即使經過許多年也無法從油氣井溢出或

抽出，似乎是大自然有意隱藏留給後代子孫的

資源。過去這類儲存在頁岩孔隙中的油（頁岩

油）或天然氣（頁岩氣）被傳統油氣探採業所

忽視，近年來靠最新的科技才能開採。

頁岩的特性 頁岩的特性大異於儲存傳統油氣的砂岩。地質上兩者同是沉積岩，

但形成過程不同。陸上的岩盤及土壤經由

風化、侵蝕和河流搬運沉積到湖海，砂粒

多數沉積在河道、海濱或近岸形成沙灘，

經地殼變動下沉掩埋後固結成為砂岩。

顆粒較小的細泥則多數懸浮而漂到外

海，下沉掩埋後成為泥岩，再深埋就固結

成頁岩。頁岩除含有顆粒小於 60微米的石英、長石、碳酸鹽等沙粒外，有近半是極

細小於 2微米高嶺土等黏土的礦物及有機物。在電子顯微鏡下頁岩呈現無數約 750奈米以下的孔隙，有些有微裂隙，因此孔

隙的總表面積非常大，可吸附的油氣相當

多，不輸給在孔隙中間的游離油氣。

頁岩氣（油）的身世 頁岩氣（或油）與傳統的油氣在出身上並無兩樣，其來源

已有許多文章介紹。簡單說是由生油岩（主

要是頁岩）中的生物殘骸先轉化成油母質，

再隨著盆地下沉深埋至地表下約 5,000公尺以上，地熱溫度達到約攝氏 80∼ 120 度左右的地方，經過千百萬年油母質成熟後可

生出石油和天然氣。

顯微鏡下含暗色的有機物頁岩（上圖）以及從中分

離出的油母質（左下圖），油母質加熱會生成油氣

（右下圖）。

0.3 mm

0.2 mm

62 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

傳統油氣的儲集地層（砂岩或碳酸岩）

本身並不生油，其中的油氣是因頁岩地層

成熟生油後經由幾百萬年緩慢移棲過來。油

氣從頁岩移出後，部分仍然留在頁岩的孔隙

中。做個比喻：砂岩若是石油盛宴的餐廳，

頁岩就是石油美食的廚房；如今，石油餐廳

的美食快吃完，貪食無厭的客人乾脆直接到

廚房取用。這些留在頁岩中的油氣若以天然

氣為主就稱為頁岩氣，如果含石油較多就稱

為頁岩油。頁岩是地球上最多的沉積岩層，

因此成為熱門的油氣探勘處女地。

不過並非所有天然氣都是地熱加熱產生

的，有些未成熟的頁岩也儲存幾乎是純甲烷的

天然氣，是泥岩中的有機物經由厭氧微生物的

作用生成的，與沼氣的成因雷同。台灣許多伴

隨泥火山存在的天然氣也是如此生成的。

開採技術

水力壓裂技術 上世紀 70年代末，石油業者發現美國德州一些含有大量天然氣

的緻密砂岩和緻密碳酸岩層因為孔隙間相

通不佳，滲透率低，以正常的採油技術很

難生產出油氣，唯有在某些部位具有天然

的裂隙，油氣才可以順利生產。

天然裂隙的發現讓石油工程師想起

1947年就已發明的高壓水力壓裂岩石的技術，經過測試壓裂，果然可以在緻密岩層

產生人工裂隙。1976年，當年 24歲目前擔任美國最大石油公司（艾克森美孚）總裁

的 Rex W. Tillerson，就是當時在西德州測試這項技術的先驅工程師之一。這技術在

1979年首次用於測試頁岩氣的生產。這技術是從井裡灌注大約 500到 1,000

大氣壓的水到岩層中，使地下岩層破裂產

生大小不等的人工裂隙，貫通原本含油氣

的孔隙或天然的微裂隙。這使得岩層中油

氣可以流入裂隙中，再匯入井中而生產。

壓裂液除水外，添加少量（0.2∼ 1％）的無毒或低毒性的化學藥劑，用以洗淨、除

垢、防菌、防腐蝕、潤滑、增加黏度等。

為了避免裂隙的再閉合，壓裂液也摻加砂

粒以支撐裂隙的張口。近年來更發展出多

階段或重複壓裂的方法，用以促進效果或

保持生產時油氣流量的暢通。

這看似不錯的技術的經濟效率並不理

想，因為人工裂隙只發生在井壁周圍，再加

上多數含油氣地層的垂直厚度不大（＜ 100米），以垂直鑽探，井壁與油氣地層的接觸短，

能夠匯集的油氣的範圍有限。為了能夠採集

向水平側面延展的遼闊油氣層（方圓 1,000∼3,000米），水平鑽井技術很自然成為第一選項，這也是造就頁岩氣革命的另一功臣。

水平鑽井技術 「油井鑽歪斜了」曾經是工程師的惡夢，早期因鑽斜到隔鄰他

人油田下的油層，引起的訴訟層出不窮。

鑽井工程師從嘗試更正歪斜的方向及角度，

發展至能夠自如地控制方向，如今進一步

結合水力壓裂與水平鑽井技術，油藏工程師成功地

從頁岩層中生產大量油氣（圖 A）。目前發展到叢式複井（圖 B），可從一鑽井平台鑽數口密集垂直井，到底部各井再以斜井或水平井分散開，就像樹

根伸展四方以吸取養分。

頁岩層

天然氣流向裂隙

高壓水力造成的人工裂隙

叢式複井

圖 A

圖 B

63科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

可以從上部垂直井在深處轉向水平鑽鑿。

1929年美國工程人員曾在德州鑽鑿世界上第一口水平井，但一直到 80年代初期創新技術的發明，水平井才開始廣為應用。他

們是如何做到的呢？

要鑽斜井或水平井，讀者可能已經想

到幾個關鍵問題必須解決：如何讓鑽頭在

地下所要的深度改變斜度及方位？在地下

無法使用 GPS下如何判定方位？硬直的鑽桿如何彎曲？要如何轉動在地下幾千米的

彎曲鑽桿？在地面上看不到地下的情況下

如何遙控鑽頭方位？

工程師就是針對這幾個關鍵性問題研

發特別技術：以特定傾斜角度的楔型錐體改

變鑽頭的斜度及方位，利用這原理設計可操

控方向的鑽頭馬達；使用陀螺羅盤儀引導操

控鑽頭方位；整支幾千公尺的鑽桿是由許多

相對非常短的硬直鑽桿銜接起來的，因此在

大弧度的轉彎下可彎曲；使用由循環泥漿帶

動的井底馬達轉動鑽頭，使得鑽鑿由垂直轉

向水平時，比傳統由地面鑽桿帶動鑽頭要順

利有效；發展智慧型的隨鑽測井技術以便鑽

井時同步蒐集井底的即時資訊，讓水平鑽井

可以更精確地定位及遙控。

水平鑽井技術目前已發展到可從一鑽

井平台鑽鑿不同方向的多分支斜井或水平

井，就像樹根伸展四方以吸取養分。另一

常用的技術稱為叢式複井，是在一井址上

鑽數口密集垂直井，到底部時各井再以斜

井或水平井分散開。例如生產外海的油氣

田，就常以叢式井在海上平台上以少數的

鑽井鑽採深處大面積下分散的油田。

近年來叢式水平井的方式結合水力壓裂

技術已經成功地應用在頁岩氣（油）的開發

上，這等設計能提高鑽機設備的使用率和鑽

井效率，降低開發成本及環境衝擊，不但是

未來頁岩氣發展的趨勢，也是傳統油氣田增

產或老油田更生的契機。目前水平井已十分

普及，油氣生產工程師已不再問：「為何需要

鑽水平井？」反而問：「為何不鑽水平井？」

三合一技術的整合 工程師於 90年代起結合水力壓裂與水平鑽井技術，配合以

往對頁岩特性的了解，為頁岩氣、頁岩油

的開發奠立了基礎。這三合一開發技術多

年來已累積開採幾十萬口井的經驗，並在

雄厚經費下研發及引進相關的科技，大大

增加頁岩氣（油）的生產效率。

為獲得最佳的生產效率，地質學家及

石油工程師先從地質構造學研究，輔以震

波穿過地層的技術尋找可能有天然裂隙存

在的部位。再佐以大地應力學、岩石力學，

並參考該區地震的資料，勘定該地的大地

應力場，來判斷水平井應該鑽探的數量、

井距及方向，以產生最有效的人工裂隙。

工程師使用各種方法了解人工裂隙的

幾何態勢（大小、分布、方向），以及延展

情況，其中最先進有效的是監測在岩層破

裂時所產生的微震。在壓裂時，利用裝置

先進的微震技術可以監測在岩層破裂所產生人工裂隙

的影像，以了解裂隙的幾何態勢（大小、分布、方向）

以及延展情況。（圖片來源：Engineering Seismology Group（ESG）Solution, www.esgsolution.com）。

加壓卡車

監測井

地下水位

灌壓井

裂隙 微震源

微震源

操作車

震波接受器

水平井

含氣頁岩儲氣層

64 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

在附近監測井內類似地震儀的數位震波接

受器即時接收微震波，再經過資料處理後，

以三維（3D）甚或 4D呈現裂隙影像。人工裂隙的幾何態勢是頁岩氣生產效率的關

鍵資訊，例如裂隙的延伸是否涵蓋所期待

的氣藏，是否穿入會讓氣體逃逸的通道（斷

層或高滲率地層）。

近年來油藏工程師在開鑽前經常以電

腦模擬鑽探、水力壓裂、井間距，以及油

氣生產過程等變項，來幫助選擇最佳的井

網設計方案和操作方式以降低成本。最近，

進一步使用各種激勵採收石油的方法更是

大大提高了油氣的採收率。

對生態環境的衝擊

水火同源的水龍頭 如果你家的自來水龍頭打開後，水流能被打火機點燃，你

會是什麼心情？ 2011年獲奧斯卡提名的紀錄片〈天然氣之地〉，控訴頁岩氣開發造成

的環境衝擊，引起大眾對開發頁岩氣的疑

慮。美國能源部前部長朱棣文曾說「我們

需要開發它，但我們也需要在對環境負責

的前提下去開發」，而且「我們在許多技術

上都有專家」。

開發頁岩氣最令人擔心的，是天然氣

或壓裂水中所含化學劑的汙染。開發的頁

岩地層多數離地面相當深（2,000∼ 4,000米），從地質的觀點來說，氣體或化學劑漏

逸進入地下淡水層（＜ 300米）的機率低，最可能的汙染是來自接近地面的井管壁因

施工不良或腐蝕造成的逸漏。因此如何防

止在頁岩氣井的生產期時油氣井管的腐蝕，

是未來的一大挑戰。

頁岩壓裂後部分返排的廢水，除了原

有的化學添加劑外，也會從頁岩中溶出一

些重金屬或放射性成分。目前的處理方法

一般是由附近鑿井再把廢水注入，儲存在

遠離地下水的深部地層。美國在工業廢水

及傳統油田廢水處理上累積很多實際經驗，

技術上安全無慮。然而，大量的廢水注入

而破壞地質的穩定是前所未有的經驗，難

以預料它的後遺症。另外，在缺水地區的

最佳選項是廢水經處理後回收，但經濟效

益是個重要考量。

開發頁岩氣需要大量的壓裂水，一

口頁岩氣井所需的總水量通常是 1,000∼9,000萬公升，相當於台灣 100∼ 1,000人每年的用水量。這在水資源日益短缺的地

球來說是嚴重的耗費，在能源與水資源之

間如何取得平衡，正考驗人類的智慧。研

發經濟有效的廢水處理，甚或使用（有待

發明的）全無毒性的壓裂水，是未來永續

開發大量地球頁岩氣的重要課題。

頁岩氣開發會觸動地震嗎 國內媒體曾對 2012年在中國大陸發生的四川雅安大地震與近年四川開發頁岩氣是否有關聯產生

疑慮。水力壓裂地層時會產生微地震，但其

強度並沒有安全的顧慮，倒是有文獻指出廢

水注入深部地層後有可能引發較大的地震。

例如 2013年國際權威期刊《地質》刊出，2011年美國俄亥俄州規模 4的地震，以及奧克拉荷馬州規模 5.7的地震，經哥倫比亞大學等地震學家研究，確定地震與開

發頁岩氣的廢水注入深部地層儲存有關。

可能原因是該地附近斷層的孔隙水壓增加

後，降低了原來施於斷層面的應力，因此

改變斷層面的摩擦力而造成錯動。

研發經濟有效的廢水處理，甚或使用（有待發明的）全無毒性的壓裂水，

是未來永續開發大量地球頁岩氣的重要課題。

65科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

地下的小壓力變動竟然會引發地殼的

大規模震動，是否意味我們低估了地質作

用的「蝴蝶效應」？雖然，這是美國鑽探過

幾十萬口頁岩氣井的少數特殊例子，美國

國家科學院已開始關注開發頁岩氣與地震

的關聯。

頁岩氣開發的重要前提 人類對自然環境的保護是能源發展的重要前提，萬萬輕

忽不得。開發頁岩氣對生態環境的衝擊也因

地而異，接近都會區與偏遠地區不可相提並

論，紐約州通過暫緩開發可為該州帶來許多

工作機會的馬賽勒斯頁岩氣是個例子。

全球有許多國家頁岩氣的儲量不亞於

美國，但目前並不是每個地區都值得開發，

應視該地區是否有完善的天然氣基礎設施

以及生態環境控管能力而定。換言之，頁

岩氣的開發必須在生產層深遠離地下水層

或生活水源，但又接近有工業用水的地區，

而且不與其他用途爭水，並有適當安全的

廢水注入地層，而非凡有蘊藏量就可開採。

同理，世界各國地緣政治、環保法規

和控管能力不一，造成的生態環境的衝擊

也不同。開發操作上是否確實遵循法規，

以及意外發生時如何做危機處理以降低衝

擊是重要關鍵。美國經過兩次大漏油事件

的慘痛經驗後，工業界在操作上多數小心

翼翼嚴格控管，大大降低意外的機率。令

人擔憂的是公司良莠不齊，在競爭壓力下

難免違規操作或因人為疏忽造成災害。IEA 最近建議全球石油業者使用一致而負責任

的操作步驟來生產頁岩氣，雖然預估成本

會增加約 7 ％，但應該是可以接受的。人類在生態環境衝擊的疑慮下仍然搶

著開發頁岩氣（油），是否是明智之舉，見

仁見智。但油氣用於能源上，對目前的人

類而言雖然便宜卻很浪費，對於下一代則

是奢侈。油氣最大的用途應是做為化工的

材料，而且這材料不應只被當代人類獨享，

應該是未來世世代代人類都可享用的珍寶。

現今頁岩氣（油）的開發對於人類是福是

禍尚難預料，但可確定的是剝奪了下一代

子孫可貴的資源。

深度閱讀資料

「非傳統油氣資源」專題報導（民 102），科學發展，490，4 -11。

伊原賢（民 102），石油之後，主導人類未來 100年命運的新能源霸主：頁岩氣（莊雅琇譯），臉譜出版社，台北。

「黑黝黝的液體黃金」專題報導（民 93），科學發展，382，4 - 35。

頁岩氣開發：http://www.youtube.com/watch?v=qjP-K1VaI1k和 http://www.youtube.com/watch?v=VY34PQUiwOQ。

對生態環境的衝擊：http://www.youtube.com/watch?v=sq0LFhw-klM和 http://www.youtube.com/watch?v=4LBjSXWQRV8。

黃武良臺灣大學地質科學系（已退休）

劉淑蓉臺灣大學師資培育中心（已退休）

研發經濟有效的廢水處理，甚或使用（有待發明的）全無毒性的壓裂水，

是未來永續開發大量地球頁岩氣的重要課題。

66 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

多元文化學者 Gay認為「文化差異」是造成少數族群學生學習困難及適應不良

的主因，他建議教學應該根植於文化的脈

絡上，課程設計應涵蓋族群與文化多樣性，

讓學習與學生的母文化連結，並透過教室

結構的重組、氣氛、討論以及教學的進行

與評鑑，使學習更符合不同種族、文化學

生的經驗，更具有個人意義。

發生在原鄉部落的教室

在宜蘭縣南澳鄉某個原住民部落的國

小四年級教室裡，老師用投影片說明台灣

西半部有了高鐵之後，交通變得非常便利，

大大減少了南北往返的時間。然而，台下的學生卻有著不同的反應，有的小朋友張著原住民

特有的大眼睛，很努力地想像老師描述的新興交通工具；但是大多數的小朋友卻流露出困惑

的眼神，對於老師講解的一切感到非常陌生。

這群平時少有機會跨出部落的原住民小朋友，「高鐵」對他們而言是一個難以理解的遙遠

世界；好不容易等到下課鐘響起，小朋友才又露出陽光般開朗的笑容到操場跑來跑去。這一

幕是我們在原住民學校觀察到的景象，課程的知識與學生的經驗嚴重脫節，讓學生難以感受

知識的意義。

從小實驗發現原住民學童的學習方式教學應該根植於文化的脈絡上，課程設計應涵蓋族群與文化多樣性，

讓學習與學生的母文化連結，並透過教室結構的重組、氣氛、

討論以及教學的進行與評鑑，使學習更符合不同種族、文化學生的經驗。

■ 劉遠楨、黃思華

「高鐵」對於生活在非都市區的部落原住民小朋友

是一個難以理解的遙遠世界。（圖片來源：種子發）

67科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

Gay提到文化回應教學，意指教室內的

教學能夠參照族群的特色，在課程和教學上

考量學生的文化背景與學習風格，以學生的

母文化做為橋梁，協助文化差異學生有更公

平的機會去追求卓越的表現。這樣的教學對

於原住民部落的小朋友非常重要。

學習評量以操作型的題目為原則

當評量的題目是：傳統舉行祖靈祭的

季節大約在 7月，由頭目或長老開會商議

時間，全部落男子都要參加，在天未亮時，

到達祭場。從部落到祭場的路途中必須經

過一座橋，這座橋經過長久使用已經非常

破舊，於是頭目與長老決定在 7月前把橋蓋好，請畫出你所設計的橋。

在未動手操作前，原住民學童繪製的橋

梁呈現泰雅族傳統的菱形格紋，因為部落國

小附近有一座拱型的「彩虹橋」，所以他們

所畫的橋大多以彩虹橋為主。然而，他們繪

製的橋大多只有兩根橋墩。相對於漢人學童

所呈現的橋，沒有任何特殊且一致性的樣式，

但他們繪製的橋大部分有四根橋墩；由此可

見原住民學童抽象概念比漢族學童薄弱。

原住民學童未經動手操作畫的橋（左）和漢族學童未經動手操作畫的橋（右）。

原住民學童經動手操作後畫的橋（左）和漢族學童經動手操作後畫的橋（右）。

68 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

接著請小朋友利用冰棒棍16隻、木板、白膠、剪刀、美工刀、直尺、切割墊來搭

建一座橋，再畫下所設計的橋。

經過動手操作後，原住民學童發現，

原本只畫兩根橋墩根本無法搭起一座橋，

多加兩根冰棒棍後成為有四根橋墩的橋，

就可以順利站立了。因此，原住民建構的

橋從兩根橋墩增加至四根橋墩，仍是以拱

型的設計為主。漢族學童在未動手操作前，

繪製的橋大部分就以四根橋墩的設計為主，

經過動手操作後，橋的設計並沒有很大的

改變。

原住民學童在親自動手操作、觸碰、

感覺的過程中，不但神情容易專注，感覺

也異常敏銳。他們所有的好奇心和求知欲

會從體察每一分細微的變化中啟發，對他

們抽象概念的建立很有幫助。

實驗課程應和生活經驗結合

現行自然與生活科技領域的教科書在

介紹滲透作用時，多用大分子和小分子的

接觸來解釋。這樣的課程描述對原住民學

童而言是非常抽象的，因為他們不容易去

聯想大、小分子之間的關係，通常只是聽

老師的講解，依照步驟進行實驗，沒有興

趣也沒有討論地完成作業單的要求。

透過與課程主題相關的教學實驗 ─ 醃芭樂，來觀察物質的滲透作用，要求每個

同學先觀察芭樂未醃製前的外觀與顏色，

當把梅粉倒入後，要求各組每位同學各搖

10下，動作最安靜最快的組別給予加分，

搖完芭樂後開始記錄灑過梅粉的芭樂顏色

有什麼改變。

原住民學童在老師的引導下，經過動

手製作醃芭樂的過程，親眼看到灑過含鹽

巴的梅粉後，食物裡的水分會流出來，從

中理解不同物質滲透的關係。很自然地從

醃芭樂的實驗結果聯想到自身文化，讓原

住民學童非常快速地反應到鹽與水的滲透

作用的關係，自然而然了解教科書所介紹

原住民學童在親自動手操作、觸碰、感覺的過程中，

不但神情容易專注，感覺也異常敏銳。

原住民學童做實驗的神情（左）及完成的作業單

（右）。

原住民學童醃芭樂的神情（左）及完成的作業單

（右）。

69科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

目前台灣的原住民課程發展只有大方向的方針，

卻沒有細部且系統性的規準做為課程設計的參考。

的滲透概念。學童在實驗的過程中是愉快

的、有高度興趣的，並會和同儕分享自己

家中醃芭樂的經驗。

科學教育課程發展原則

台灣的「原住民族教育法施行細則修正

條文」第二條明文規定 ─ 民族教育之實施，應尊重各原住民族文化特性及價值體系，並

依其歷史、語言、藝術、生活習慣、社會制

度、生態資源及傳統知識，辦理相關教育措

施及活動。然而目前台灣的原住民課程發展

只有大方向的方針，卻沒有細部且系統性的

規準做為課程設計的參考，到底原住民學童

學習科學課程時需要什麼特殊的學習方式？

怎麼樣的科學課程才能引起原住民學童的學

習興趣與動機？

現今的科學課程難以呈現科學知識與

原住民知識之間的關聯性，使原住民學生不

易體認學習科學的目的。原住民學生學習的

方式與漢人是有差異的，例如：原住民學生

學習抽象內容的經驗較薄弱、基礎不穩，也

比較排斥抽象性的教材；教師應該利用學童

生活周遭熟悉的例子來教導學生，而且要多

讓他們有動手做及親身體驗的機會。如果以

主流思想為中心來設計課程，原住民族學生

在學習的時候往往會遭受不同程度的挫折，

進而衍生出學習上的問題。

本研究團隊於 2011年藉由田野調查、

文獻探討、專家訪談、專家會議及德懷術

（Delphi method），提出包含認知方式、學

習興趣、學習成效、在地本位及文化回應五

個向度，共 30條的原住民科學教育課程發

展原則。此外，也把這些原住民科學教育課

程發展原則印製成紙本手冊，提供教育單位

發展原住民科學課程時的參考依據，期以這

些原則設計的科學課程能幫助學生了解自身

文化在科學教育中的意義，肯定自己的文

化，進而了解並尊重其他文化。

原住民學童在親自動手操作、觸碰、感覺的過程中，

不但神情容易專注，感覺也異常敏銳。

原住民科學教育課程發展原則手冊

70 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

一般報導

原住民科學課程發展原則

A認知方式

A-1 課程設計應符合「做中學」的原則，從實際執行中體驗

A-2 課程設計應強調團體活動，鼓勵學生分組討論共同參與

A-3 課程設計應符合原住民的主體性

A-4 課程設計應符合由易而難的原則，並有語詞概念的解釋，讓原住民學童能夠理解

A-5 課程設計應鼓勵並引導學生實物觀察

A-6 課程設計應建立良好的師生互動模式，營造豐富多元的學習空間

A-7 學習評量應以操作型題目為原則，並以圖示題為主

A-8 課程設計應以學生擅長的領域做為課程統整的基礎（例如：藝術與人文領域）

B學習興趣

B-1 課程設計宜多採用多元感官的方式呈現，達到溝通傳達的目的。

B-2 課程設計應有遊戲式的學習活動

B-3 課程設計應有戶外教學活動，親身體驗探索學習

B-4 課程設計應融入電腦多媒體及新科技

C學習成效

C-1 課程設計應可提升原住民學童的自信心與自我價值

C-2 課程設計應提升原住民學童學科學習成效

C-3 課程設計應提升原住民學童的創造力

C-4 課程設計應提升原住民學童的後設認知能力

C-5 課程設計應提升原住民學童的視野並拓展其國際觀

D在地本位

D-1 課程設計應將族群歷史和文化納入課程當中，介紹當地文化形成和累積的過程（如陷阱原理、藤編以中心軸原理製作等），做為本位知識課程開端

D-2 課程設計應從日常生活經驗為起點，結合當地傳統慶典，介紹新的科學概念

D-3 課程設計應配合當地部落，讓學生從周遭環境重新認識在地文化特色

D-4 課程設計考量學校社區的文化脈絡，編輯成適合在地學校社區的教材

D-5 課程設計應融入多元文化，增加本地文化之外的文化經驗

E文化回應

E-1 設計課程要注意西方科學與原住民文化特性的整合

E-2 課程設計應強調原住民文化知識的主體性，並尊重當地部落的文化詮釋

E-3 課程設計應讓非原住民學童了解、接受並尊重原住民文化

E-4 課程內容要提高原住民在地文化的比例

E-5 課程設計內容應兼顧學生的差異性與共通性

E-6 課程設計時應強調跨學科與文化的關聯性

E-7 課程設計應使學童自我認同族群文化，並欣賞、重視其他族群的文化

E-8 課程設計應從不同的觀點思考，並包容不同的意見

71科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

多元民族是最珍貴的資產

國小社會科教科書有一段是這樣寫的：

「地方上的居民有著不同的生活習慣、語

言與背景，讓我們的生活既豐富又多采多

姿，我們應該要好好珍惜。」台灣地區族群

和文化的多樣性是既存的事實，但是原住

民文化回應科學課程發展的整體架構尚不

明顯；原住民文化與西方科學的異同和整

合尚未有明確論述，原住民科學教育課程

發展原則的提出建議應針對不同的族群發

展不同的課程，才能讓學童達到最佳的學

習成效。

本研究團隊所提出的科學課程發展原

則，包含認知方式、學習興趣、學習成效、

在地本位及文化回應五個向度。「在地本

位」強調課程設計應和日常生活結合，強化

在地的價值；「文化回應」強調課程設計應

尊重不同族群的主體性，包容其他族群的文

化，以及各種文化的欣賞與理解；「認知方

式」強調課程設計應掌握具體以及讓學童動

手操作的原則；「學習興趣」強調課程設計

應運用多媒體，並讓學生走出戶外；「學習

成效」則強調課程設計培養學童自信心，以

及建立國際觀的重要性。

有人說，原住民小朋友的笑容是最純

真可愛的，反應的是他們單純潔淨的心靈

與思維。現今的課程卻讓他們的笑容消失

了，因為迷惘與困惑讓他們不能開心地學

習。希望依筆者所提出的原則設計的科學

課程能提供原住民學生在學習科學知識時，

以了解自身文化為基礎，進而了解不同文化

的特質與精神，從不同文化的觀點理解和學

習科學概念，重新嶄露他們燦爛的笑容。

現今的科學課程難以呈現科學知識與原住民知識之間的關聯性，

使原住民學生不易體認學習科學的目的。

劉遠楨臺北大學課程與教學傳播科技研究所

黃思華臺北市立大學教育學系

課程設計應掌握具體以及讓學童動手操作的原則

72 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

全球天災人禍頻仍，不管是開發中國

家或是已開發國家，時時刻刻都嚴陣以待，

並在平時就撥出大量人力、物力、財力，

以因應這些不確定因素與突發狀況所可能

造成的災難，這樣的過程稱為緊急救災物

流或應急物流。然而，早期的緊急救災物

流多從供給面來探討，例如如何以最低的

人力、時間、財力等成本運送救災物資，

卻很少從災民的真正需求面來檢討。臺灣

大學工商管理學系許鉅秉教授近年著重研

究這些被忽略的需求面，發現災民的真正

需求其實和我們救災時提供的物資往往有

很大的落差。

「一般人多以為災民第一時間最需要

的是水、乾糧等食物，其實研究緊急救災

物流後，會發現災民真正需要的是『希望』、

『關懷』、『愛』。」許教授一針見血地說。

根據聯合國的調查，災民最迫切需要的

食物排行榜第 1名是牛奶。以 2008年發生的大陸汶川地震來說，光是嬰兒就死了幾千

名，這些嬰兒不是被地震壓死的，而是喝水

死的。因此，他們發現遞送物資時應先考慮

最脆弱族群的需求，而牛奶正是適合老人、

小孩等所有人的最佳救災物資。

但從物資再深入探討後，許教授發現

其實還有比牛奶更重要的物資，那就是「無

形物資」。「面對大難不死，劫後餘生的災

民，救災人員一抵達若可以先給災民一個

擁抱，就能讓他們產生強烈的希望。」他說，

這就像是醫院內的病人一樣，若對未來病

情較樂觀，往往比較容易好轉。因此，許

教授發現能把救災做到最好的往往不是政

府，而是能撫慰人心的慈善救災團體。

緊急救災物流中

災民的無形需求■ 江欣怡

劫後餘生的災民最需要的物資往往不是食物，而是

會帶來希望的「無形物資」。

73科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

許教授從 2005年開始進行緊急救災物流的研究，深入了解有形的物資救援後，

他把心理學、行為學加入研究中，並以實

證、問卷調查為基礎構建起量化模型，發

現救災過程中無形救援力量的重要性。「真

正有效的救災往往不在於不斷進行硬體升

級的災難應變中心，也不在於政府官員是

否坐鎮指揮，而在於現場的撫慰與關懷。

因為經歷生死關頭的災民多半抱持負面情

緒，給他們一個安慰遠比強化硬體設備來

得重要。」他說。

這樣的研究結果打破了一般人對於政

府應如何救災的窠臼心態，也證明許多慈

善救災團體的做法是災民真正需要的。不

過，許教授進一步建議：「除了懷抱著提供

災民『希望』、『關懷』、『愛』之外，救災

人員一抵達現場應該馬上協助災民找到家

人，因為災民最擔心的往往是家人，唯有

協助他們團聚才能讓災民產生更高的求生

意志。」

許教授所建構出的緊急救災物流模型，

目前已經在台灣地震與風災兩大天災上驗

證，而這個模型也能應用於世界其他地區

所發生的人禍災難上，像是法國常見的無

預警罷工或美國波士頓馬拉松爆炸案等。

許教授計劃未來把研究延伸至災區復原、

災民需求管理等主題上，讓人性真正落實

到救災之中。

電影〈明天過後〉的災難場景似乎逐

漸成真，而在天災人禍無法阻止的情況下，

身為救災決策者的政府若無法接受「無形

物資」的觀念，不懂得在救災過程中做到

迅速把災民分類、根據災區特性遞送物資，

以及掌握災民真正需要的有形無形物資，

救災將永遠無法有效率地完成。

江欣怡本刊特約文字編輯

救災人員應著重可以帶來希望的「無形物資」，使人性落實於救災中，有助於災區復原。（圖片來源：種子發）

74 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

近年，核能發電備受爭議，核四議題

甚囂塵上。為了打造非核家園，政府積極

開發再生能源，全力推廣千架海陸風力機

計畫，規劃在 2030年前安裝千架風力發電機。目前，再生能源占總用電量的 5 ％，尤以風力發電為大宗，全台的陸域風場已設

置 318架風力機。然而，風總是忽大忽小，時有時無，發電量難以控制，甚至影響電

源品質。長庚大學陳偉倫副教授為此研發

了自動電壓頻率調整器，能有效改善再生

能源的發電品質。

陳教授說，風力機和電網的關係，猶

如運動會中的接力賽，兩名跑者的速度在

差不多的情況下才能順利交棒。若一快一

慢，棒子可能會掉落。因此，當風力機和

電網的電壓大小和相位一致時，才能順利

交棒，即進入同步併聯模式，把風能傳送

至電網。

若風力機輸出的電壓和電網的標準電

壓不一致，卻強制併聯，就會產生電流突

波，導致電壓不穩，影響到電力品質。當

風速過低時，風力機和電網的電壓不同，

就必須進入解聯模式，即不交棒。而如何

在併聯與解聯兩種模式間平順無縫地轉換，

是併網型風力機的關鍵技術。

由於風速的不穩定性，併網型風力機

有頻繁的解聯與併聯模式的轉換。當風力

機在解聯模式下運作時，輸出電壓及頻率

都會偏離電網的標準電壓及頻率，導致下

一次同步併聯的困難。為使解聯後風力發

電機的頻率能與電網一致，精確且即時量

測風力機與電網頻率間的差異（頻率差）

便成為促使風力機在併聯、解聯兩種模式

間平順無縫轉換的關鍵。為此，陳教授首

創把一套數學方式應用在解決頻率（速度）

的偵測上，可即時並精確計算出風力機與

電網的頻率差。

為再生能源的

發電品質把關■ 吳美枝

為了打造非核家園，政府積極開發再生能源，並全

力推廣千架海陸風力機計畫。長庚大學陳偉倫副教

授研發的自動電壓頻率調整器，能有效改善再生能

源的發電品質。

75科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

傳統量測頻率差的方式需要冗長的計

算時間，並不適合即時的計算。為解決這

問題，他提出一種電壓向量正規化的運算，

可以快速且精確地計算出發電機和電網的

電壓頻率差。

他說，因為自己的專長在電控領域，

就把這個數學方式應用在電壓頻率的計算

上。事實上，這個數學方式還可以應用在

精密機電控制的領域，如工廠的馬達、輪

軸速度的偵測。以工廠中的機器人手臂而

言，其馬達轉速若稍有誤差，就會影響產

品良率。又如光碟裡的馬達也需精密控制，

因光碟內有很多資料，若馬達轉速稍有誤

差，就會讀錯軌道及資料。能夠即時偵測

到速度，代表能即刻調整速度，進而讓系

統穩定在所需的速度上。

解決頻率偵測的問題後，再來就是想辦

法讓風力機的輸出頻率能夠與電網一致。當

風力機瞬間與電網解聯時，輸出的功率瞬間

變為 0，這時轉速會增加，導致輸出頻率提高。陳偉倫副教授說，這就類似開車時本來

行進在上坡路段，坡度突然變平緩時，若油

門沒有放鬆，車速會忽然增加。因此，他採

用一個電子式負載使加速的能量消耗掉，抑

制轉速的上升，並結合無效電力補償器，終

而研發出自動電壓頻率調整器來解決風力發

電機輸出頻率及電壓偏離的問題。

未來，若使用自動電壓頻率調整器，

就可達成無縫併網的目標。這可應用於各

式發電機的無縫併網控制，有效降低發電

機併聯時對電網的衝擊，且可避免家用電

力系統因電壓變動而損壞或異常。

吳美枝本刊特約文字編輯

為使解聯後風力發電機的頻率能與電網一致，精確且即時量測風力機與電網頻率間的差異（頻率差）便成為

促使風力機在併聯、解聯兩種模式間平順無縫轉換的關鍵。（圖片來源：種子發）

7776 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

圖片對齊左邊

參考資料：最後不需加句點

科技新知

像螳螂的蟑螂，生活在 900萬年前的緬甸。（圖片來源：P. Vrsansky & G. Bechly）

蟑螂？螳螂？

緬甸自古就是著名的琥珀產地。19世紀末，西方人注意到琥珀裡有生物化石。

從此緬甸琥珀成為古生物學的寶藏。最近

學者在緬甸卡欽邦出土的琥珀中發現了一

隻蟑螂，形態非常獨特，與已知的蟑螂都

不同，認為牠代表一個新的蟑螂家族。古

往今來，全世界共有 29個蟑螂家族，這是唯一只出現在緬甸的家族。牠們生活在

9,900萬年前（白堊紀晚期），形態與螳螂頗有相似之處，頸子長，頭能自由轉動，

四肢也長。學者認為牠們也是以獵食維生。

這個標本很重要，因為古生物學家推測螳螂起源於一個已經滅絕的蟑螂家族。這個標本

很可能代表螳螂目主幹的早期旁枝。

參考資料：Vrsansky, P. and G . Bech ly (2015) New p reda to ry cockroaches (Insecta: Blattaria: Manipulatoridae fam.n.) from the Upper Cretaceous Myanmar amber. Geologica Carpathica, 66 (2),133 -138.

果糖果糖與葡萄糖都是單醣，熱量一樣高，但是在人體內的代謝途徑不同。葡萄糖的代謝機

制受反饋調節，果糖則沒有類似機制。血糖以葡萄糖為主，果糖則大部分輸送到肝臟，最後

刺激脂肪生成。果糖也不會促成胰島素分泌，它們對腦子食欲中樞的刺激也不一樣。例如果

糖降低飽足感，提升食物攝取量；葡萄糖則相反。

最近美國南加大醫學院的研究人員以年輕、健康的人做實驗，發現果糖甚至會影響人的

長程決定，例如在立即的食物滿足與長期的投資報酬之間，令人偏向前者。

由於市售食品中添加的糖以果糖為主，以上的發現對於制定公共健康政策以及食品管理

政策都是重要的資訊。

參考資料：Luo, S., et al., (2015) Differential effects of fructose versus glucose on brain and appetitive responses to food cues and decisions for food rewards. PNAS published ahead of print May 4, 2015, doi :10.1073/pnas.1503358112.

▍王道還

0.5 mm

7776 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

基改馬鈴薯種植面積最廣泛的基改作物，都是為了農人的利益而設計的。那些農作物由於得到外來基因

的加持，能夠抵禦蟲害或忍受除草劑的摧殘，可為農人節省成本。事實上，開發基改作物另外有

個路數，就是針對消費者的利益。例如美國新開發出一種馬鈴薯，商品名 Innate，天門冬醯胺酸含量比較低，油炸之後形成的致癌物丙烯醯胺因而減少 50∼ 75 ％。去年 11月，美國農業部批准這種基改馬鈴薯的商業種植。今年 3月，美國食物藥品管理局（FDA）也判定這種馬鈴薯與傳統馬鈴薯「一樣安全、營養」。

最近國人對於食安問題特別敏感，但是注意力多集中在食品添加物方面。其實有些致癌物是

在烹調過程中產生的，例如馬鈴薯富含天門冬醯胺酸與澱粉，這兩種天然成分在高溫（攝氏 120度以上）發生化學反應，會形成丙烯醯胺。日常生活中，我們很容易接觸到的炸薯條，丙烯醯胺

含量最高。以烘培製作的洋芋片就低多了，體重 60公斤的人每天吃下 1公斤都在安全範圍之內。參考資料：FDA concludes Arctic Apples and Innate Potatoes are safe for consumption, March 20,

2015 (http://www.fda.gov/newsevents/newsroom/pressannouncements/ucm439121.htm.)衛生福利部食藥署（民 101），降低食品中丙烯醯胺含量加工參考手冊。（http://www.fda.gov.

tw/TC/publicationsContent.aspx?id=44&chk=f2b2262a-dd3c-469d-bcf2-66aa2cda4f1e&param=pn%3d4#.VV2ZidKqpBc）

自然發生的基改作物國際馬鈴薯中心（CIP）位於祕魯首都利馬，成立於 1971年，現在每年預算超過 6,000萬美元，

支持馬鈴薯、甘薯，以及其他根莖類作物的研究，以改善貧窮國家人民的生活。最近 CIP一個國際團隊的發現，也許能改變我們對於基改農作物的看法。

許多人反對基改作物，主要理由是那些植物是「人工」（基因工程）的產物，並「不自然」，

無法理性評估它們可能帶來的健康風險。可是，在自然界，科學家早就發現了跨物種的越界基因。

例如農桿菌這種常見的植物病原，能夠把自己的 DNA段落轉移到植物細胞內，改變細胞機能，科學家因而開發出有用的植物基因工程技術（參考本刊 478期，2012年 10月）。現在全世界的耕地，有 10％種植的農作物是以這種技術開發的。

最近， CIP的團隊分析了 291個甘薯品種，發現每一個都至少有一段來自農桿菌的 DNA。而且有一段農桿菌 DNA只有甘薯的栽培種才有，它們的野生親戚都沒有，表示這段 DNA的產物受到人擇的青睞。也就是說，在甘薯的馴化過程中，來自農桿菌的 DNA扮演過某種角色，而且時間相當早。（按，根據祕魯的考古證據，至少在 8,000年以前，當地人就以甘薯維生。）

參考資料：Kyndt, T., et al. (2015) The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes : An example of a naturally transgenic food crop. PNAS, 112 (18), 5844 -5849.

7978 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

圖片對齊左邊

參考資料：最後不需加句點

科技新知

矮行星塞瑞絲2006年，國際天文學聯合會（IAU）決議，太陽系中，

繞行太陽的天體分為 3類：行星、矮行星、小天體。行星與矮行星最大的區別，在於行星的重力場很大，足以排拒或吸引

侵入它繞日軌道的小天體。根據這個定義，冥王星失去了「行

星」地位，成為矮行星。現在 IAU承認的矮行星中，只有一顆位於地球附近，就是小行星帶中的塞瑞絲（Ceres），直徑只有 950公里，是已知矮行星中最小的。

2007年 9月，美國太空總署發射太空船黎明號（Dawn）前往小行星帶偵測其中最大的兩顆：小行星維斯塔（Vesta）與矮行星塞瑞絲。2010∼ 2011年，黎明號已繞行過維斯塔。今年 3月，黎明號進入塞瑞絲重力場；4月 23日進入環繞塞瑞絲的軌道；預定 6月初會進入較低的軌道（距表面 4,400公里）觀測。

黎明號的觀測焦點之一是「水」。關於地球上的水的來源，

科學家過去相信彗星說。但是美國太空船羅賽塔號在彗星 67P附近偵測到的水氣，氘／氫比例與地球上的海水不同（見本刊

505期，頁 77；2015年 1月）。而根據歐洲太空望遠鏡赫歇爾的觀測資料，塞瑞絲表面有

冰，在陽光照射下，大約每秒釋出 6公斤水氣，在塞瑞絲周遭形成一團稀薄的大氣層。塞瑞絲的繞日軌道距太陽 2.6∼ 3天文單位，剛好橫跨太陽系的「雪線」。塞瑞絲距太陽較遠的時

候，就偵測不到這種水氣。現在黎明號飛到塞瑞絲上空做近距

離觀測，可以提供更精確的資訊。

參考資料：http://www.nasa.gov/mission_pages/dawn/main/index.html

矮行星 Ceres：塞瑞絲是中央社的音譯；另一譯名是穀神。1801年元旦首次觀測到 Ceres的學者是西西里人，因此日耳曼數學家高斯建議以羅馬農神 Ceres命名。這位神祇是女神。

小行星 Vesta：維斯塔是中央社的音譯。這個名字來自羅馬神祇 Vesta，也是高斯提議的。Vesta是掌理火爐與家的女神。

今年 4月中，黎明號在塞瑞絲北極上空 2.2萬公里的軌道上拍的照片。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA）

火星、水星、月亮、矮行星塞瑞絲，

以及小行星維斯塔的相對大小。（圖

片來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA）

Mars

Mercury

Earth's Moon

CeresVesta

7978 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

王道還中央研究院歷史語言研究所人類學組

大麻的解藥關於大麻，現在有兩個趨勢，一是解禁，不再視為毒品；一是對大麻上癮的人似乎越來越多，

專家已經著手尋找「解藥」。但是，究竟有多少人因為長期吸大麻而上癮，仍然缺乏可靠數據。

現在大家隨手拈來的數字 9％，出自 1990年代一份美國的報告。要是這個數字可靠，那麼大麻「上癮」的風險並不高，因為海洛因上癮的風險是 23％；酒精 15％。不過，要是大家相信吸大麻不會上癮，掉以輕心，後果就難以逆料了。

事實上，過去十年，英國 18歲以下的年青人因大麻上癮而求助的案例增加了 50％。有人認為那是因為現在的大麻比以前「強」，其中中樞神經興奮劑的含量比較高。長期使用強效大麻，

大腦中這種分子的自然版本（anandamide，大麻素）產量就會減少，一旦停用難免出現各種戒斷症狀，例如焦慮與失眠。甚至還有吸大麻導致精神分裂的報導。

由於大麻的另一種成分大麻二酚能促進腦子生產大麻素，有人認為可以用合成的大麻二酚

緩解戒斷症狀。2012年，巴西聖保羅的一個醫療團隊便利用這個點子協助一位 19歲的年輕女士。她從 13歲起每天吸大麻，每次想戒都會有強烈的戒斷症狀。結果她的症狀一兩天就緩解了，最後戒掉大麻。現在英國倫敦大學的研究人員已經找了 48人做臨床實驗；要是成效明顯，再擴大到 168人。我們且拭目以待。

參考資料：Wilson, C. (2015) A drug to treat cannabis addiction. New Scientist, May 9, p.14.

子宮裡的生命之泉母親的奶汁是生命之泉，但是那得等到胎兒

出生以後。我們都知道，胎兒在子宮內發育，透

過臍帶從母親身體取得營養。但是臍帶要 11個星期之後才會開通，而且胚胎在最初幾個星期裡非

常小、非常脆弱，母親的血壓很可能會把它從子

宮壁上「連根拔起」。

最近英國曼徹斯特大學的研究團隊利用捐贈

的標本，追蹤了胚胎最初的營養來源。他們發現，

胚胎所需的營養是由子宮內膜的腺體（蛻膜細胞）

分泌的。首先是肝醣，肝醣的分解物由腺體釋出，

再由臍帶吸收。此外，還有醣蛋白。直到胚胎發

育到大而強壯的階段，才能從母親的血液裡汲取

營養。

參考資料：Yum, yum, a gulp of nutritious womb milk. New Scientist, May 9, 2015, p.17.

胎兒在子宮內發育，透過臍帶從母親身體取得

營養。（圖片來源：種子發）

8180 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

科學

技術與社會

單元大標對齊左邊

食安危機暫息的某天傍晚，幾個朋友約

在某人家中小聚。沒有客套，大家下班後各

自前往，或談 2014年掀起食安危機的混油案審理進度，或談茶飲店茶葉原料來源不實

與農藥殘留的連鎖恐慌，或談無所不在，宣

稱標準與食用級相同，流竄在胡椒粉與制酸

藥中的工業用碳酸鎂，有人加碼談空氣汙染

監測等話題，先到先吃，邊吃邊聊。

說不敢上館子，才有機會享受主人不輕

易顯露的好廚藝。但整治這桌好菜的主人也

報不出它們的前世今生，是舶來品還是本地

種，是有機還是使用過農藥，更別說是基改

還是非基改。一如往常，大家談笑中把紛擾

擋在外面，但總覺得不像以前一樣吃得坦然

心安。相較於大張旗鼓，公共工程的興利除

弊，食品安全是考驗社會信任的颼颼冷風，

若有似無卻意外地深刻入骨。

有人打開話題，說在場有男有女，八

卦不斷，可不又是一場「十日談」？就像文

藝復興義大利作家薄伽丘的名作《十日談》

（Decameron）一樣，男男女女遠離塵囂，找個賞心悅目的鄉間躲避瘟疫，用說故事

殺時間，也揮不去死亡陰影。如果說過去

的烏腳病與油症是類似八八風災的個別災

難，現在食品安全就好像身處於不穩定的

地震帶，每次強震過後都心有餘悸，不知

道下次地震何時到來。

這場食安「十日談」的最明顯主線自

然是公部門的處置。且不說廠商綿密的政

商關係，有人說台灣的食品添加超乎想像，

牽涉太多部會，反而成為管控的三不管地

帶，出了事沒人願意出頭。有人聊起官員

為避開媒體追問，往往用「家裡不用」、「自

己不吃」、「別人買的，不知情」等理由搪塞，

結果不但沒有澄清效果，反讓觀眾覺得這

些人與世隔絕，無法理解民間疾苦。有人

指出基層衛生機構人手不足，設備有限，

勉強還能應付日常檢驗工作，但遇上食安

問題只能要小吃店自行送驗，連監督都顯

得捉襟見肘。

相較政府的束手無策，消費者在風暴

中展現鄉民的正義。不管是網路發起的拒買

或抵制大廠產品，或者是「用鈔票讓食品下

架」，對腳踏實地的公司的支持，這些活動

像食安事件一樣豪快、激烈，來去一陣風。

同時，如本專欄〈感官世界 ─ 食品安全、信心危機與「標示不清」的身體感〉（508期）指出的，起底劣質食品成為全民運動。這些

商品平時人人讚它物美價廉，但一遭爆料就

如過街老鼠，人人喊打。

食安十日談 ─ 科技與社會治理的遊戲規則

▎郭文華

8180 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

確實，全球化下食品像流動人口一般

穿梭在產地與市場，跳躍在生產鏈與消費

鏈之間，外表與身分也不斷變動。明明是

來自吉林的糊精，越南的茶葉，來台後可

以換個包裝進入市場，或躲進其他食品裡

獲得新身分。儘管這些產品也能通過檢驗，

但原料來源不明，吃起來感覺不對，而政

府又無法適時回應，成為揶揄的對象。

這種結構性的食品「換裝」與「變造」

固然匪夷所思，但就算再怎樣不可思議，

類似故事一再重複也無以為繼。一個朋友

終於打斷這些「躲避、否認、肉搜、承認、

無辜、下跪、道歉」的老套，說再下去有

趣活潑的「十日談」會變成日本的「百物

語」，講完一百個食物「怪談」後會引出瞌

睡鬼來。「我們不是要聽這種故事才來的。

食安問題只會愈說愈多，愈說愈恐怖，要

怎樣解套？」她抱怨。

好在大家不是活在江戶時代，有電視

可以轉換心情。轉到公共電視，上面竟然也

在討論食品安全，用紀錄片談基改食物的危

險與因應。主持人在開場介紹中從紀錄片標

題「要命的基改食物？」（原文片名「OGM: vers une alerte mondiale?」）的問號破題，邀請大家觀賞這部宣稱基改食物長期食用可能

引發問題的科學實驗與其討論，看最後的問

號會不會成為比較肯定的句號。

這是有趣的切入點。本刊2014年的「食品安全」專輯（504期）採取「除魅」方式，藉由食品專家對攸關食品安全的幾個面向，

如攝取量概念、食品添加物、微生物汙染、

藥物殘留、食品履歷管理等撰寫專文，「篇

篇都以科學與實務為根據，文字也儘量力

求淺顯」，以釐清民眾對食安的誤解。另一

方面，「編者的話」裡點出在科學之外食安

問題的根本是品德敗壞。如果大家能恪遵

「食物是給人吃的」的原則，在生產與消

食物是給人吃的，不能做不該做的事。（圖片來源：

種子發

8382 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

科學

技術與社會

費的環節上秉持「不能做不該做的事」，這

個問題不難解除。

用人心改造與科學研究雙管齊下來因

應食安，的確有其道理，但現實狀況沒有

這樣簡單。這樣說，來源不確實，成分不

老實的食品到處都是，但它們並不像假酒

假藥一樣讓人立即致命。這些劣質品大多

低空飛過現行標準，用意外便宜的價格或

者意外充裕的貨源欺騙消費者，讓他們以

為搶到門路，撿到好貨。而這些商品除了

知道來源後會令人厭惡與不快之外，其影

響往往是長期而不確定的。

在這種態勢下，要所有廠商遵守道德

絕不鋌而走險，或者拿出這些食品傷害身

體的確實證據並不容易。節目主持人分享

他的疑惑：廉價早餐店爽快貼出「本店不

使用基改黃豆」，但他不知道該不該相信。

基改作物正是這樣的例子。紀錄片主

角 Gilles-Eric Seralini是法國 Caen大學的科

學家，長期質疑基改作物的安全性。2012

年他發表研究，指出長期食用食品大廠孟

山都的 NK603基改玉米因為容易產生高

量除草劑累積，導致罹患腫瘤。由於這項

試驗主打長期影響，執行時間較一般類似

試驗的 9個月長，加上獲得知名期刊 Food

and Chemical Toxicology的審查通過，巨大

腫瘤在受試老鼠身上的猙獰模樣十分震撼，

披露後各界反應熱烈。

法國衛生當局下令調查，農業部要求

歐盟重新考慮該產品的進口核准，原先對基

改食品便有疑慮的民間團體則要求政府主

動介入試驗，而不是拿廠商的報告做書面

審查。一個月後歐盟食品安全局（European

Food Safety Authority, EFSA）回應，認為其

研究方法與結果都還有待商榷，而這種產

品與其使用的農藥年年春都通過評估，因

此不打算更改規範，僅應允資助獨立試驗。

事 情 還 沒 落 幕。 一 年 後 Food and

Chemical Toxicology少見地以「研究結果有

其價值，但並非定論（inconclusive）」為由

撤下這篇論文，引起學術界不滿，認為這樣

的做法沒有遵守撤稿慣例，不尊重同儕審

查體制，有受外界壓力之嫌。撤稿數月後

一個曾刊過反基改論文的開放式期刊（open

access journal）Environmental Sciences Europe

宣稱「認可 Food and Chemical Toxicology學

術水準」，在跳過同儕審查下把這篇文章幾

乎原文照登。

這些爭議沒有先前管制機關的交鋒激

烈，但影響的是努力維持「客觀公正」形

8382 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

象的科學家社群。如節目邀請專家點到的：

如果一篇文章可以在沒有充分理由下被期

刊撤稿，牽連刊出期間引用該文的研究，

又可以在沒有實質評估下重新發表在另一

份期刊上，那民眾又如何寄望科學來為爭

議平議呢？

事實上，「要命的基改作物？」裡最重

要的教訓不是基改罪大惡極，也不是產官

學的上下其手，而是我們如何面對這類身

分不明的新科技。一方面失速的研發沒有

帶給社會更多好處，反而賠上科學社群的

默契與慣例，是科技生產裡的政治效應。

另一方面，當大眾習慣拿科學當作爭議籌

碼，不細究其生產脈絡而只想拿它跟跨國

企業抗衡，是社會爭議的科技迷思。

在這個意義下，基改作物只不過是「整

形」過頭的食品，跟其他改頭換面，早已

不知出身的全球化商品沒太多不同。不管

是魚目混珠的假中藥、偽造履歷的阿根廷

大蒜，還是糊弄產地與製造地，推託進出

基改作物只不過是「整形」過頭的食品，跟其他改頭換面，早已不知出身的全球化商品沒太多不同。（圖片

來源：種子發）

8584 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期

科學

技術與社會

口商的輻射餅乾，它們都是「灰色產品」，

看似無害但總是令人不安；提供生活所需

但卻無法取得正當名分。

到底要怎樣跟灰色產品相處？在〈感官

世界—食品安全、信心危機與「標示不清」

的身體感〉裡的出路之一是回歸身體感，不

用拳拳服膺政府指導。但從科技與社會治理

的角度，還有很多遊戲規則可以幫助我們建

立共識。科技史學者 Jean-Paul Gaudillière與

Volker Hess以藥品發展為例，整理出 5個歷

史上的「管制之道」（ways of regulating）：

醫藥科學的專業管制、製造者的工業管制、

法規機構的行政管制、消費者的公眾管制、

法庭的法律管制。它們顯示藥品複雜的社會

面向，也為社會提供周延的因應架構。

比方說，Seralini的研究有哪些直接涉

及基改作物本身的致癌效應，其證據力如

何，是專業社群的管制。而他與另一位學

者Marc Fellous的誹謗官司判決為何，哪些

還沒定論，是法律管制的範疇。這些管制

各有其邏輯，其知識也不能隨意挪用，必

須進一步透過對話與討論來建立共識。

日前一審判決的 RCA工殤案，判決理

由牽涉醫學，挑戰職業傷害的因果關係，正

是專業與法律管制的對話範例，可以讓我們

參考。做為全球化下的小國，我們或許無法

把這些按著跨國資本邏輯生產的技術物隔絕

在外，但可以在不損及既有管制機構的前提

下從案例中培養對話素養，深化各界互信。

吃吃聊聊，看完紀錄片時已近深夜。

大家收拾行裝，跟主人道謝。雖然面對的

還是不可知的風險未來，但生活總是要繼

續。薄伽丘在《十日談》的結尾說得好：

跟天下事物一樣，故事能使人受害，也能

使人得益。這場食安十日談，能不能給大

家一點省思呢？

郭文華陽明大學科技與社會研究所

致謝

承蒙公共電視林玉清女士邀請參與紀錄片「要命的基改作物？」的討論，讓作者有機會對這個議題有

更全面的理解與反省，特此致謝。

8584 科學發展　2015年 6月│ 510期科學發展　2015年 6月│ 510期