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中文內容大要
海水淡化能提升水資源供應穩定性，但伴隨能源消耗與鹵水處理問題。本計畫透過鹽差產電技術研究鹵水永續利用可行性，並藉由文獻分析、場域評估與技術可行性研究，篩選與建議適合國內應用的藍電技術。本計畫評估六種藍電技術中，PRO、RED與CRED具發展潛力，而RED與CRED則兼具系統能耗低、材料易取得及國產化可行性，建議適合為國內鹵水藍電技術發展方向。此外，本計畫可行性評估測試顯示，鹽差在10至60倍時，RED與CRED功率密度分別為0.18–0.33 W/m²及0.14–0.19 W/m²。未來建議通過增加膜對數、減薄膜厚及優化電極可進一步提升效率，並建議整合鹵水軟化與資源回收技術以降低鈣/鎂離子干擾。最後，透過場域勘查與評估，金門海淡廠因其高鹽差倍數及距水源近，建議可進行RED藍電示範場域規劃。新竹海淡廠雖具潛力，但距低離子濃度水源較遠，需進一步評估其實施策略可行性。
目次
目錄
摘要摘-1
AbstractA-1
目錄目-1
圖目錄圖-1
表目錄表-1
結論與建議結-1
第一章 前言1-1
一、計畫緣由1-1
二、計畫目的1-1
三、計畫目標1-4
四、計畫項目與內容1-5
五、研究步驟1-6
第二章 國內外藍電能源技術盤點、發展趨勢與應用案例蒐集分析2-1
一、藍電技術原理盤點2-2
二、藍電技術優劣勢分析2-8
三、藍電技術發展趨勢2-11
四、藍電技術應用案例分析2-12
第三章 藍電能源技術研選及試驗規劃3-1
一、藍電能源技術研選3-1
二、藍電能源技術模組材料及操作參數3-4
第四章 鹵水藍電能源開發技術可行性先期試驗評估4-1
一、試驗模組設計及建置4-1
二、RED及CRED實驗室級模組可行性先期試驗方法4-2
三、實驗室級模組產電可行性試驗結果4-15
第五章 潛力藍電能源技術發展適用性評析5-1
一、場域調查5-3
二、場域評析5-16
三、模廠試驗設計重點5-26
參考文獻參-1
附冊一 期末審查意見及處理情形
附冊二 期中審查意見及處理情形
附冊三 計畫執行工作會議審查意見及處理情形
附冊三 工作執行計畫書審查意見及處理情形
附冊三 服務建議書審查意見及處理情形
附冊三 工研院開發藍電能源之相關技術
圖目錄
圖1-1 海淡鹵水資源循環願景構想 (本計畫繪製)1-2
圖1-2 藍電技術發展路徑1-3
圖1-3 計畫架構與研究步驟圖1-6
圖2-1 壓力延遲滲透(PRO)發電機制示意2-3
圖2-2 反向電透析(RED)發電機制示意2-4
圖2-3 電容反向電透析(CRED)發電機制示意2-5
圖2-4 CAPMIX產電機制2-6
圖2-5 CDP產電機制2-7
圖2-6 MEB產電機制2-8
圖2-7 PRO-RO模廠程序示意圖2-15
圖2-8 日本百萬噸級PRO-RO程序示意圖2-15
圖2-9 韓國RO-MD-PRO程序示意圖2-16
圖2-10 PRO驗證場域2-17
圖2-11 PRO驗證場域中各式單元設置關係2-17
圖2-12 PRO系統中兩股水源水溫，以及膜片組件滲透流率之監測記錄2-18
圖2-13 PRO與地熱整合系統概念圖2-19
圖2-14 PRO與地熱整合系統程序配置及實場建置2-20
圖2-15 PRO單階段及多階段設計之示意圖，以及滲透壓之變化2-21
圖2-16 PRO結合地熱資源與否之LCOE趨勢變化2-22
圖2-17 PAPE支撐型耐效薄膜 (PAPE-TFC) 製備流程示意圖2-23
圖2-18 (a, b, c)代表PAPE支撐型材料 (改質後)；(d, e, f)代表PE材料 (改質前)2-24
圖2-19 純PE支撐層、開發之PAPE-TFC以及商用HTI薄膜的抗發強度與斷裂應力差異2-24
圖2-20 PRO系統中採用PAPE-TFC及商用HTI薄膜的性能表現。(a) 水通量 (Jw)；(b) 鹽通量 (Js/Jw)；(c) 結構參數 (S)；(d) 功率密度(W)2-26
圖2-21 PAPE-TFC連續12小時操作之功率密度監測記錄2-26
圖2-22 義大利RED pilot plant2-28
圖2-23 韓國RED 模組堆疊示意圖2-28
圖2-24 分段式RED模組試驗條件2-29
圖2-25 分段式RED模組設計與配置說明2-30
圖2-26 分段式RED模組試驗結果2-30
圖2-27 RED測試之功率密度( A )模擬的SW/RO brine(B)實際的SW/RO brine2-31
圖2-28 RED與cRED總功率密度與淨功率密度之比較2-32
圖2-29 (a)典型RO-BWRO程序；(b)新型 RO-MCDI-RED程序。第一道RO鹵水與第二道MCDI脫鹽淡水，分別做為RED產電模組的高鹽度與低鹽度進料2-33
圖2-30 不同水回收率下，RO-MCDI-RED程序所量測之最大功率密度 (MPD) 與開路電壓 (OCV)2-34
圖2-31 CDI-RED整合程序2-36
圖2-32 (a) RED 1；(b) RED 2運轉期間之高低鹽濃度、功率密度、能耗數據2-37
圖2-33 RED單元中搭載A-CNF與C-CNF奈米纖維膜示意圖 (CNF-RED)2-38
圖2-34 (a) CNF-RED實驗裝置示意圖；(b) 利用CNF-RED裝置量測兩種試驗情境之I-V曲線；(c) CNF-RED裝置在外界負載下的電流密度與功率密度；(d) CNF-RED與其他文獻結果比較；(e) CNF-RED裝置的功率密度2-39
圖2-35 (a) CNF-RED裝置串接單元數與產製電壓之關係；(b) 電壓測定；(c) 計算機可直接由30組CNF-RED串接裝置進行供電；(d) CNF-RED供電計算機螢幕畫面圖示2-40
圖2-36 RED技術自2007 ~ 2022年間之期刊文章發表趨勢2-41
圖2-37 RED裝置內部膜片結垢情形示意圖2-42
圖2-38 RED程序之水質前處理技術 (a) 混凝；(b) 絮凝；(c) 沉澱；(d) 多重介質過濾；(e) DD (Donnan Dialysis)；(f) CF (Cartridge filters)、MF、UF、NF42-4
圖4-1 RED模組內部材料示意圖4-2
圖4-2 CRED模組內部材料示意圖4-2
圖4-3 RED與CRED產電流程與模組示意圖4-4
圖4-4 不同碳材漿料固含比與黏度測試4-5
圖4-5 電容電極製作流程4-6
圖4-6 CRED之活性碳電容電極配製4-6
圖4-7 CRED之活性碳電容電極塗佈程序4-7
圖4-8 CRED之活性碳電容電極4-7
圖4-9 CRED模組產電示意圖4-14
圖4-10 CRED試驗模組及CRED模組之照片4-15
圖4-11 離子交換膜對數與RED產電功率密度關係圖4-16
圖4-12 濃水流速與RED產電功率密度關係圖4-17
圖4-13 低離子濃度水流速與RED產電功率密度關係圖4-18
圖4-14 低離子濃度水來源與RED產電功率密度關係圖4-20
圖4-15 濃水來源與RED產電功率密度關係圖4-21
圖4-16 掃流速度對CRED產電功率密度之影響4-22
圖4-17 膜對數對CRED產電功率密度之影響4-23
圖4-18 濃水與低離子濃度水鹽差倍率對CRED產電功率密度之影響4-24
圖4-19 鈣、鎂鹽之去除對CRED產電功率密度之影響4-25
圖4-20 鈣、鎂鹽之去除對CRED產電電壓之影響4-26
圖5-1 本計畫場域調查時程與地點5-3
圖5-2 台南海淡廠場址(近台南市扇鹽地景園區)5-4
圖5-3 台南海淡廠預定取水和排水口施工處(近台南市青山漁港安檢所)5-4
圖5-4 北航道採樣(23°11'37.5"N 120°05'31.5"E)5-6
圖5-5 漚汪大排採樣(23°11'56.5"N 120°05'48.3"E)5-6
圖5-6 新竹海淡廠場址、頭前溪與客雅水資源中心位置圖5-7
圖5-7 金門海淡廠場址與其鄰近自來水廠及水資源中心5-9
圖5-8 金門海淡廠之海淡原水採樣5-10
圖5-9 金門海水淡化廠之海淡鹵水採樣5-10
圖5-10 金門自來水廠放流水採樣5-11
圖5-11 金門水資源中心放流水採樣5-11
圖5-12 澎湖馬公第二海水淡化廠場址5-12
圖5-13 澎湖西嶼海水淡化廠場址5-12
圖5-14 澎湖馬公第二海水淡化廠之海水進水採樣5-13
圖5-15 澎湖馬公第二海水淡化廠之海水鹵水採樣5-14
圖5-16 澎湖西嶼海水淡化廠之海水進水採樣5-14
圖5-17 藍電技術試驗模廠設計流程圖5-27
表目錄
表2-1 再生能源比較表2-1
表2-2 藍電技術優劣勢比較2-10
表2-3 藍電技術應用案例2-12
表2-4 PRO相關元件規格，以及濃淡水來源與操作參數2-17
表2-5 不同水源暨不同前處理技術對RED功率密度之提升效益2-45
表3-1各式藍電能源技術的模組材料、操作參數及產電效能比較3-7
表4-1 實驗藥品清單4-3
表4-2 實驗設備清單4-3
表4-3 實驗用離子交換膜特性參數4-4
表4-4 電容電極漿料組成4-6
表4-5 鹽差倍數與低離子濃度水來源情境分析4-8
表4-6 西嶼海淡廠進出水之水質分析4-24
表5-1 112年海水淡化廠營運概況5-2
表5-2 台南海淡廠預定取水點水質調查5-5
表5-3 南寮海水、頭前溪與客雅水資源中心之水質調查分析5-8
表5-4 金門海淡廠、自來水廠與水資源中心之水質調查分析5-9
表5-5 澎湖馬公第二海水淡化廠與西嶼海淡廠之海水與鹵水之水質調查分析5-12
表5-6 澎湖西嶼淨水廠排放水與井水之水質調查分析5-15
表5-7 藍電能源技術應用場域適用性評析5-23
表5-8 藍電技術試驗模廠設計重點5-27
表5-9藍電技術處理系統建置預估費用5-28
編／著／譯者簡介
編/著/譯者簡介
工業技術研究院是國際級的應用研究機構，擁有六千位研發尖兵，以科技研發，帶動產業發展，創造經濟價值，增進社會福祉為任務。自1973年成立以來，率先投入積體電路的研發，並孕育新興科技產業；累積超過三萬件專利，並新創及育成，包括台積電、聯電、台灣光罩、晶元光電、盟立自動化、台生材等上市櫃公司，帶動一波波產業發展。
當數位科技改變產業結構與生活型態，人口結構影響生產力與高齡照護的需求，氣候變遷帶來2050淨零排放的機會與挑戰，以及產業與社會韌性成為未來國家與經濟發展等關鍵趨勢，工研院以整合跨域解方，加速產業前進動能，擘畫「2035技術策略與藍圖」，聚焦「智慧生活」、「健康樂活」、「永續環境」、「韌性社會」四大應用領域的研發方向，並發展「智慧化致能技術」以促成應用領域。用科技創新翻轉生活，以市場需求為導向、發展解決方案、創建嶄新市場，以謀求人類社會福祉，引領產業社會邁向美好未來。
另一方面，為因應產業環境趨勢，工研院除持續深化技術前瞻性與跨領域技術整合外，更提供全方位的研發合作與商業顧問服務，包括新技術與新產品委託開發、小型試量產、製程改善、檢校量測，以及技術移轉、智權加值服務等，並設置開放實驗室及創業育成中心，積極推動及育成新創公司，加速產業技術開發及孕育新興高科技產業。
近年來，工研院積極應用科技關懷社會公益，以科技應用與服務、科技教育推廣、企業志工等三個策略方向，搭起科技公益平台，凝聚科技人的力量，將研發能量轉化為公益暖流，以增進社會福祉，並致力成為產業科技的開路先鋒，與業界攜手創新科技，引領未來。
序言／導讀
序言
海水淡化為提升區域供水韌性的重要方式之一，但尚需面對能耗與鹵水處置去化問題。因此，於海淡能源與資源永續利用部份，透過海淡鹵水進行固碳、離子資源化與鹽差產電，同時達到鹵水資源永續利用與降低導電度友善排放之目標，為構築海淡鹵水資源循環願景之重要策略。
利用海洋作為發電能源具有巨大的能量潛力和多重優勢，其中利用海水高鹽度成分作為發電材料之鹽差發電近來備受關注，該發電方式係利用高鹽度 (如海水或海淡鹵水) 與低鹽度 (如河水、生活污水或排放廢水) 之間的鹽度差異，通過熱力學變化將鹽差能 (Salinity gradient energy, SGE) 轉化為機械能或電能的發電方法。SGE因其特殊的發電方式，取用海水等高濃度水體作為發電材料，因此被歸類為藍色能源或稱藍電 (Blue energy)，將是下一世代的新興再生能源主力。
2036年臺灣海淡廠擬達每日產水105萬噸之規模，海淡副產物鹵水之處理需求也引起重視，故計畫於水處理過程中開創「水能鏈結」 (Water-energy nexus) 之技術，發展利用海淡鹵水資源來進行產電的藍電能源技術，透過海水與低離子濃度水源進行鹽差發電，預估每年藍電潛勢能源可達1.5億度電，佔海淡廠近15%用電量替代率，期能率先取得國內新興再生能源開發優勢，同時掌握全球低碳產業趨勢脈動。
分類
其他詳細資訊
- 英文題名：Preliminary Research and Evaluation of Blue Energy Technology for Seawater Desalination Brine
- 適用對象：成人(學術性)
- 關鍵詞：藍電，鹽差發電，鹵水再利用
- 附件：CD-ROM
- 頁/張/片數：200
授權資訊
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- 取得授權資訊：聯絡處室：技發科
姓名：畢嵐杰
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