「今天飛不飛？」－金門高中生活議題之探究實作課程分析
文/丁于真、李育賢、黃琴扉
你是否曾經在金門機場等待起飛時，突然廣播傳來「因濃霧影響，機場將暫時關閉」的經驗呢？為什麼濃霧時，機場就要關閉呢？什麼情況下飛機會停飛呢？
飛機停飛、取消、延遲可謂金門航空站的日常，但這些生活常見的現象背後的原因，你曾經發出疑惑嗎？你曾經動手去找出答案嗎？現在就讓金門高中的同學們帶領我們一起體驗探究與實作吧～
由美國提出的「新世代科學標準」（The Next Generation Science Standards，NGSS）課綱中，一開始就提到「當人們要了解時事、應用科技甚至是抉擇重要的健康照護，科學理解皆扮演重要的角色（NGSS Lead States, 2013）；換句話說，日常生活中經常需要用科學的態度與方法解決問題，而這樣的問題解決能力在環境快速變遷的當代是日益重要的。教育部（2018）在《十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域》也指出，科學學習的方法應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。
科學探究重視學生經由思考與實作，探究科學現象或問題，並藉此發展科學知識與理解科學概念（Minner, Levy, & Century, 2010），更進一步來說科學探究是個體運用邏輯與詮釋能力解開科學問題的過程，包含形成問題、提出假設、設計解決方案、選擇合理的解釋等等，因而被視作培養科學素養的有效方法（Windschitl，2003）。美國國家科學研究委員會 (National Research Council)也曾指出探究是多面向的活動：觀察、提問、以所知概念及實驗資料檢視資訊，使用工具蒐集、分析、解釋資料，提出解答、解釋、預測並溝通所獲得結論。探究需提出假設、使用批判、邏輯思考、及溝通不同的觀點（National Research Council [NRC], 1996）。因此，自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力（教育部，2018）。
在自然科學領域課程中「學習表現」與「學習內容」兩者關係密切，前者為預期各學習階段學生面對科學相關問題時，展現的科學探究能力與科學態度之學習表現，如表1。後者則展現各階段學生，認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識，也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎（教育部，2018）；
表1.學習表現架構表
普通型高級中等學校「自然科學探究與實作」課程旨在以實作的過程，針對物質與生命世界培養學生發現問題、認識問題、問題解決，以及提出結論與表達溝通之能力（教育部，2018）。不僅如此，亦將自然科學探究與實作的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。
科學探究學習內容與實作學習內容的關鍵素養，不僅是完成課堂操作的實驗，更必須讓學生了解科學問題具有多種解決途徑（Lederman, 2009），其探究過程中，學生也必須掌握有意義的數據，進而深度掌握資訊的判讀與詮釋等（陳育霖，2016）。因此，本文金門高中學生以能見度與班機取消率進行探究，正是從生活中發現問題，深度探究、實作學習、進行有意義數據的判讀與詮釋之統整學習實例。金門高中師生團隊因著平時氣象記錄與觀察而產生興趣，進而發現問題、提出假設、設計實驗、進行實驗、分析結果等過程，一步步踏在實踐探究能力的道路上。以下將依此架構介紹金門高中探究與實作的課程案例。
探究學習內容－發現問題
學生們為學校氣象觀測志工，常會利用課餘時間觀測天氣，有測量溫度、濕度、土溫，或觀察雲量變化等等，在金門高中老師引導下，學生們日復一日的觀察，漸漸對天氣現象產生興趣。發現在起霧日時拍攝的照片會有模糊的現象（如圖1），相對濕度值也會比較高，同時也發現天空出現飛機的情況大大減少了許多，因此學生們假設「霧會影響能見度，能見度影響飛機起降」，再進一步查詢The GLOBE Program學生觀測資料庫同一日溫度、濕度的氣象記錄（如圖2），試圖推測此二變因可能是影響飛機起降的因素。但是溫溼度記錄顯示除了當日下午1-2時，相對溼度下降至86%左右時，能見度提升至900m以上，其餘時間機場都是關閉狀態，因此推測溫、溼度可能不是影響飛機起降的主要因素。為了進一步確認，又查詢全年的溫溼度資料與機場飛機起降之數據進而比對。
由校內GLOBE氣象觀測站全年溫度（圖3）、相對溼度（圖4）記錄發現，夏季溫度較高，且相對濕度也略為下降，由數據得知溫度會影響溼度，但仍無法確認溫溼度和飛機起降之間的關係。金門整體而言在第一季、第二季相對溼度較第三季、第四季高，但全年相對濕度都在50%以上，因此發現僅以學校GLOBE氣象站的溫度和相對濕度數據，無法判別金門航空站的飛機是否容易停飛，因為「能見度」亦可能是影響飛機起降的重要因素。
圖1.西元2019年3月21日中午12點校園南方天空模糊
圖2.西元2019年3月21日之溫度（紅線）、濕度（藍綠線）、風向（紫線）記錄圖（金門高中GLOBE網站）
圖3.西元2019年校園氣象站每日平均溫度
圖4.西元2019年校園氣象站每日平均相對濕度
因此學生們開始大量搜尋資料，並由金門民航局提供的每日能見度記錄，經過調查推翻之前的假設，並提出新的假設「溫度和相對濕度與飛機起降沒有絕對關係，只有能見度有影響」。但能見度又是如何影響飛機起降，則成為接下來探討的問題之一。
此外，學生們在資料搜尋過程中也意外地發現飛機起降落能見度標準在2019年底調降至750m，因而產生新的疑問：飛機起降落之能見度標準是否影響飛機來往台灣兩地的運行呢？不僅是台灣遙遙相望的離島、同時也是學生們的家鄉－金門，飛機是來往兩地不可或缺的交通工具，而4、5月份西南風將富含水氣的暖濕空氣沿臺灣海峽向北傳遞，此種平流霧經常影響位於大陸沿岸的金門，進而影響飛機的起降作業和安全，有智慧的前人們發明了一套【觀山測霧】的方法，只要看得到大武山上的石碑-毋忘在莒，就代表飛機可以飛，如今在科技的推動下我們甚至不用看到石碑，飛機就可起降，到底是那些因素影響飛機起降呢？
探究學習內容－規劃與研究、實作學習內容－資料蒐集與分析
由前述資料初探，釐清影響飛機起降之可能的主要影響因素後，擬定研究題目及研究方法。
一、研究目的
分析2005～2019年金門航空站的氣象資料和飛機停飛、延後和起飛次數的數據資料，並找出之間關係、再進一步探討能見度調降是否也對其中的關係有所影響？
1.找出小時數、天數和飛機延誤、停飛、起飛之間的關係。
2.找出能見度標準調降對飛機的延誤、停飛、起飛的影響。
3.本研究將藉由2005-2019年間的數據結果，推測飛機能見度調降至750m後，對於飛機延誤、停飛、起飛的影響。
二、研究方法與資料分析
將從金門民航局網站上和交通民航局網站上蒐集到2005-2019年第1、第2季的資料進行整理，汰選無用的氣象資料，並利用Microsoft EXCEL建立表格並分析討論。
(1)華信和立榮航空起飛誤點率（取消、延後和停飛的班機數）。
(2)能見度小於等於750m、小於等於900m、小於等於1200m的總小時數和天數。
（一）資料分析－資料收集
金門高中師生之資料收集主要來自兩處
1.交通部民航局。使用每年各季（3個月為一季)華信航空和立榮航空的飛機起飛和停飛和延誤次數數據。
2.金門航空站。使用2005至2019年的氣象觀察資料。
（二）資料分析－資料取捨
金門民航局在2019年12月調降起降能見度（如表2），由於學生們期望由往年數據預測未來若再調降能見度標準對飛機起降的影響，若可以建立預測模式，也許會對金門交通產生影響。
在資料取捨的過程，學生們決定刪除在2019年12月13日宣布停飛的遠東航空和在2018年6月29日破產的復興航空，並排除過年加班機。再者，金門航空站每日最早的航班為6:50從金門出發，最後航班為晚上8:10分，加上每年1到6月為金門霧季，是影響班機起飛、停飛和延誤班次較顯著的季節，另外發現降落所需能見度比起飛標準高，飛機若能降落金門機場就能再順利起飛(金門航空站不停放飛機)，因此決定採用2005到2019年第1、2季（1至6月）早上6點到晚上8點的整點資料。
表2.金門航空站起飛、降落能見度歷年標準
因金門氣象站的能見度觀察資料與全班候，因此金門高中師生們只針對飛機有起降的時間，來做整理由下表可觀察出，除少數季節(2009第二季、2011第一季、2017第一季、2018第二季、2019第一季)，每季的低於能見度總時數(能見度小於等於1200m)約略在50-100小時，因此可以初步推測飛機起降的能見度下修對於班機取消率是有明顯改善。
實作學習內容－歸納與解釋
因為此研究沒有典範亦沒有科學模型，因此較偏向實作學習之歸納及解釋，也就是論文研究中結果與討論的部分。
將2005~2019年飛機起飛誤點率（含停飛、延誤和起飛次數）及每月降落能見度小於等於750m、小於等於900m、小於等於1200m的小時數和天數為標準進行統整。由於交通部民航局網站所提供的資料為3個月一筆資料，所以製作表格時，以每年的1月和4月為基準填上各季的資料，再進行比較以找出小時數、天數和飛機停飛、延誤、起飛的相關性。
由表3約略可以看出，2010年以前，班機取消率約在5%-10%左右，但是在2011年調降能見度標準以後，班機取消率明顯降至5%以下。觀察表4發現除少數季節（2009第二季、2011第一季、2017第一季、2018第二季、2019第一季），每季的低於能見度總時數（能見度小於等於1200m）約略在50-100小時，雖然飛機起降的能見度下修對於班機取消率勢必有明顯改善，但卻很少研究探討兩者之間的相關性，這也是引發了本研究的好奇。
表3.2005～2019年第1、第2季華信及立榮航空起飛誤點率
表4.2005～2019年第1、第2季小於等於750、900、1200m能見度出現小時數
金門高中師生們對數據的討論觀點
一、班次取消與誤點之比較 比較分析後發現，低於能見度天數和飛機的停飛、延誤、起飛次數沒有絕對的關係。假設某月有10天小於等於能見度標準，但低於能見度小時數卻只有10小時，而另一個月只有3天是符合標準的，但卻有18個小時，而結果呈現的是有18個小時的那個月飛機停飛、延誤的次數較多，起飛的次數較少，所以可以得知是低於能見度小時數和飛機的停飛、延誤、起飛有相關性，而且當小時數越多時，停飛、延誤次數也隨之增加，起飛次數則隨之減少(表5)。
表5.2019年2月及3月之能見度小於等於900m天數小時數及班機取消、延誤次數
由表5發現，在能見度小於900m天數只差1天的情況下，兩月間能見度小於900m的小時數相差了8小時，航班取消次數也相差16次，延誤次數相差1次，由此可知，小於能見度天數與飛機運行無太大關係。表中低於能見度小時數和延誤次數之間的關係又更明顯，推測應為航空公司在小於起降能見度標準的情況下，所採取的步驟應都是先延誤起飛，且不到與標準相差過多和持續很長時間的情況時，應也會繼續延誤起飛的指令。再根據歷年第一季立榮航空班機取消率及延誤率知，2011年起取消的比例明顯較2010年前低，但延誤的比例卻稍有提升（圖5），可以推論因為降落標準降低，讓原本會被取消的班次可以再多等待以順利起飛。
圖5.歷年第一季立榮航空班機取消及延誤率
二、各年各季起霧時數
前述小於等於能見度標準的小時數，亦可看成起霧時數，因此由歷年第一季750m、900m、1200m的起霧小時數（低於能見度標準）（圖6）發現2010年時能見度標準由1200m調降至900m時，其小時數有明顯的差距，而2019年底，由900m調降至750m則沒那麼明顯，因此對於2020年起飛機取消的比例是否能再明顯下修？還需要持續記錄觀察。
圖6.歷年年第一季起霧時數
圖7.歷年第二季起霧時數
因為起霧的時數每年還是會有明顯的波動，因此金門高中師生們觀察第二季的起霧時數，發現在2006、2008、2010年，及下修標準後的2012、2014、2016年起霧時數是較為接近的，把這些年第二季的取消率做整理就可以明顯觀察出下修標準後，在相同的起霧時數下，取消率會有明顯的下降（圖7, 圖8）。
2009年和2017年兩年起霧時數為何驟減，學生們推測可能是聖嬰現象導致，但搜尋發現這兩年聖嬰現象並不嚴重，因此仍無法得知造成歷年第二季班機取消率下降的因素。
圖8.歷年第二季起霧時數飛機取消率
探究學習內容－表達與分享
此探究與實作活動在這部分要做個結論：
一、藉由2005年至2019年資料的統整得知，低於能見度標準的小時數和飛機的延誤、停飛次數呈現正相關，和起飛次數則呈現負相關。
二、2006、2008、2010年和2012、2014、2016年，這幾年起霧時數相當的第二季資料比較，發現能見度標準下降的2011年起，飛機降落的能見度標準調降使班機的運行更順利；但能見度調降的標準如何被制定出來的?這可能將是下一步可以持續探究與討論的方向。
建議 金門高中學生從生活中觀察並發現問題、探究可能原因，在老師的引導下進行資料蒐集、分析、試圖找出規律模型，此思維與架構已經踏在探究與實作學習的路上，雖然分析、論證和建模的部分尚未發現規律性，因此不易提出具體的結論與預測，但研究主題與生活密切相關，研究發想具有創意，十分值得肯定。(本作品學生在2020年參加The GLOBE Program 2020 GLOBE International Virtual Science Symposium獲得最高榮譽4顆星回饋，參考網址：https://www.globe.gov/web/national-kinmen-senior-high-school/home/contact-info)
致謝 本文感謝金門高中師生提供金門地區第60屆中小學科學展覽會作品(高級中等學校組環境學科類別，作品名稱：金門航空站能見度與班機取消率之探討)予以分享探討，特此感謝。
參考文獻 1.教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：國民中小學暨普通型高級中等學校─自然科學領域。台北，台灣：教育部。
2.陳育霖（2016）。教育現場為什麼需要探究與實作課程？。科學研習月刊，55(2)，19-27。
3.Lederman, J. S. (2009). Teaching scientific inquiry: Exploration, directed, guided, and opened-ended levels. National Geographic Science: Best Practices and Research Base, 8-20.
4.Minner, D. D., Levy, A. J., & Century, J. (2010). Inquiry‐based science instruction—what is it and does it matter? Results from a research synthesis years 1984 to 2002. Journal of Research in Science Teaching, 47(4), 474-496.
5.NGSS, Lead States. (2013). Next generation science standards: For states, by states. In. Washington, DC: The National Academies Press.
6.National Research Council. (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press.
7.NASA. The globe program.
8.Windschitl, M. (2003). Inquiry projects in science teacher education: What can investigative experiences reveal about teacher thinking and eventual classroom practice? Science Education, 87(1), 112-143.
丁于真
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所/研究生
李育賢
國立金門高級中學/教師
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所/副教授
廢物利用：生質物氣化技術的前世今生
文/吳耿東
前言
生質能（biomass energy 或 bioenergy）的基本觀念來自利用反應過程的二氧化碳淨排放被視為零；當植物行光合作用，吸收陽光、二氧化碳及水分後，產生氧氣，並促進了植物的生長；而後再將植物取之作為燃料，在產生能源利用的過程中，其所釋放之二氧化碳再回到大氣中，形成一沒有增加二氧化碳淨排放的循環，因此，生質能被列為再生能源的一種（吳耿東，2008）。依我國「再生能源發展條例」（行政院，2019）第三條第二項的定義，生質能指「農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源」；但在第三條中屬再生能源的「國內一般廢棄物」（即家庭垃圾）與「一般事業廢棄物」（如工廠廢料）亦屬於廣義的生質能源，在國際上一般則以其組成為「生物可降解」（biodegradable）的部分作為認定標準。經由上述如農林植物等生質物（biomass）或廢棄物轉換為生質能的技術中，相較於國內較常見的垃圾直接燃燒的焚化發電或是養豬場的畜牧廢水沼氣發電，本文將介紹一項既古老又新穎的生質物氣化技術，在國內雖已研發超過20年，但目前在臺灣仍處於萌芽的階段。
壹、氣化技術的內涵
氣化程序是指在高溫下進行非催化性的部分氧化（partial oxidation）反應，將含碳的固態物質（如生質物、廢棄物或煤炭等）轉換成氣態燃料，即所謂的「合成氣」（syngas），主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等，可直接做為鍋爐與發電機組之燃料，產生所需之蒸汽及電力（吳耿東、李宏台，2001）；合成氣亦可經由觸媒反應合成生質燃油（biofuels）或化學品，圖1即是生質物氣化的流程圖。簡單的說，氣化就是把固體燃料先轉換成像瓦斯的氣體燃料，再進行利用。為什麼要這麼做呢？為什麼不直接燃燒呢？主要的目的還是在提昇燃料應用的能源效率。想像有一塊木頭及一根火柴，木頭容易點著嗎？如果木頭換成一瓶酒精呢？如果換成一桶瓦斯？顯而易見，大家都常聽過瓦斯氣爆的新聞，就知道氣體燃料的威力（當然也相當危險，請勿任意進行此類實驗）。一般固體燃料的能源效率約為15%~20%左右（如垃圾焚化爐），氣體燃料的能源效率可達35%以上；當然，轉換的過程中也會損失能源，約在5%左右，整體而言，能源效率提高了一倍。
圖1. 生質物氣化流程圖
前面提到，當固體燃料轉換為氣態燃料的過程是一種「部分氧化」的反應，而所謂的部分氧化就是提供反應的空氣量比完全燃燒所需的空氣量少。當碳氫化合物完全燃燒時，會產生二氧化碳及水，這時候的理論空氣量也就是化學計量空氣stoichiometric air），但在實際操作上，會比計量空氣（即100%）多出20%~50%，以確保可以燃燒完全。氣化則是使用了15%~40%左右的計量空氣，也就是造成燃燒不完全，但我們通常以空氣等值比（equivalent ratio，ER）表之，或稱空燃比、空氣因子，當ER為1時即為完全燃燒，氣化反應的ER值則通常在0.15-0.4之間。而大家所熟知的不全完燃燒，如瓦斯中毒事件，就是產生對人體有危害的一氧化碳。是的，氣化程序所產生的氣態燃料就是一氧化碳，還有氫氣、甲烷及二氣化碳等，因此稱為合成氣；上述除了二氣化碳外，其他如一氧化碳等皆是可燃的氣體燃料。氣化的主要反應是一種吸熱反應（endothermic reaction），所需的熱量則是來自放熱反應（exothermic reaction）的燃燒，所以氣化合成氣中才會含有二氧化碳，因此整個氣化過程可以說是「要先燃燒自己，才能照亮別人」。
一般氣化反應的程序主要可分為四個階段，第一階段為乾燥反應（drying），以蒸發反應物（即原料）所含之水氣，溫度約為100–150oC，在此階段，反應物並未被分解。第二階段為裂解反應（pyrolysis），係對反應物進行熱分解，溫度約為150–700oC，會產生氣體、揮發性焦油（tar）或燃料油及焦碳（char）殘留物。第三階段為氧化反應（oxidation），即是對裂解產生之焦碳、焦油及氣體進行氣化或部分氧化，為一種燃燒放熱反應，溫度約為700–2,000oC。第四階段為還原反應（reduction），在缺氧的狀況下進行高溫的化學反應，但因是吸熱反應，所以溫度較氧化反應階段為低，約為800–1,100oC。此部分的熱源可以由氧化（燃燒）階段來提供（吳耿東、李宏台，2001）。
以氣化技術處理生質物或廢棄物具有不少優點，除了上述提及以固體燃料先轉換成氣態燃料（合成氣）再利用，可以提昇能源效率外，還可有效回收及利用生質物或廢棄物所蘊藏之能源，而且進料彈性大，用途廣。氣化反應為部分氧化，所需空氣量較直接燃燒時少，除塵設備投資低，可大幅降低PM2.5，氮氧化物及二氧化碳產生量較少，污染較少；更重要的是，反應為部分氧化，剩餘氧量很少，可避免戴奧辛前驅物氯酚之產生。此外，一般生質物氣化的爐爐體構造簡單，操作相對容易（吳耿東、李宏台，2001）。
貳、氣化技術的前世
根據記載（Tata Energy Research Institute，2000），氣化技術始於17世紀中葉的歐洲，1669年Thomas Shirley首次以碳氫化合物進行了較粗略的氣化實驗；30年後，Dean Clayton由煤的熱裂解實驗得到合成氣。在歷經近百年的發展，Robert Gardner於1788年獲得了第一個關於氣化的專利，而1792年英國人默多克（William Murdock, 1754-1839）首次點燃合成燃氣供作屋內照明，此後氣化的合成氣即被用於烹飪及取暖等。1807年位於倫敦的Pall Mall道路以煤炭氣化產生的「town gas」（即煤氣）點亮了整條街道的街燈，如圖2所示（Rowlandson, 1809），成為全球第一條以合成氣街燈照明的街道，此後town gas的生產使用一直持續增加，並盛行於1850年代的倫敦，之後才被天然氣及較便宜的化石燃料（fossil fuel）所取代，但迄今仍可在倫敦找到這些煤氣燈座，目前也還有極少部分的煤氣燈仍在使用，例如位於倫敦西敏寺附近的史密斯廣場聖約翰堂（St. John's Smith Square）門口的街燈（如圖3所示），當然現在已經改用瓦斯作燃料了，並由英國天然氣公司（British Gas）負責維護。當時的合成氣（一氧化碳及氫氣）又稱為「水煤氣」（water gas），主要是由煤炭加上高溫的水蒸汽進行氣化反應而生成的，所以才有此稱謂，這個反應又稱為水煤氣反應（water gas reaction），屬吸熱反應：
全球第一個氣化爐則成型於1812年，係使用油作為燃料；到了1840年，世界首座商業用途的氣化爐建於法國，1878年首次成功地將合成燃氣用於引擎發電，1901年蘇格蘭人J. W. Parker更利用合成燃氣作為汽車引擎燃料，從此氣化技術便進入了一個新的紀元（吳耿東、李宏台，2001）。第一個工業化應用的氣化爐則始於1926年，德國Rheinbraun公司建置了世界第一個流體化床（fluidized bed）的氣化爐，即温克勒高溫氣化爐（high-temperature Winkler gasifiier，HTW），並以褐煤（lignite）為原料，生產合成氣作為鐵礦（iron ore）的還原氣體（reducing gas）。氣化技術及其應用在廿世紀初有相當不錯的發展，但不敵石油工業的興起，逐漸衰退，然而在兩次世界大戰中卻因石油的短缺而再次蓬勃發展，尤其是在第二次世界大戰時，氣化技術十分熱門（吳耿東、李宏台，2001）。
圖2. 1807年倫敦Pall Mall道路以煤炭氣化產生的合成氣點亮街燈（Rowlandson, 1809）（圖片來源：紐約大都會藝術博物館）
圖3. 倫敦史密斯廣場聖約翰堂門前的煤氣燈（圖片來源：取自：谷歌街景，2020年11月）
在1985年著名電影《回到未來》（Back to the Future）的最後一幕，瘋狂科學家布朗博士開來了一台迪羅倫（DeLorean）DMC-12跑車（您可以在環球影城看到這部車），他打開後車後的反應器，然後說：「我需要燃料！！！」 （I need fuel!!!），並將一堆香蕉皮、垃圾、啤酒等等置入反應器中（如圖4），然後車子就飛起來了！這個「反應器」就是一個標準的氣化爐概念，雖然在電影中，這個反應器還標示了「核融合」（fusion）的字樣。這個概念在現實世界中是真的，所不同的是，我們的車子不會飛。
在二戰期間，因為戰爭導致石油的短缺，當時很多運輸用的柴油車均加掛一個氣化爐，以木炭或木材作為原料，將其氣化後之合成氣則注入柴油引擎機，作為車輛的動力，例如，1939年（昭和14年）日本頸城自動車株式會社在二戰期間所生產的「薪車」（見圖5(左)）（日本頸城自動車株式會，2021）；員林客運公司也曾在二戰期間改裝原有的巴士為木炭車（見圖5(右)）（文化部，2018）。或許您也注意到了，那時候的柴油車怎麼沒有想到要使用生質柴油（biodiesel）呢？事實上1893年柴油引擎發明時，是使用花生油去驅動的，但直接利用這些植物油的缺點是分子太大、黏度過高。二戰期間確實有人使用過桐油代替柴油，但現代大量使用生質柴油是1980年代後才開始的，所以，當年的木炭車反而較為盛行。或許您還有一個疑問，使用汽油的汽車呢？在缺油的二戰期間就直接使用酒精代替了，也有人在情急不得以之下，把酒直接加入了汽車油箱；而今世界各國也開始添加生質酒精於汽油中供汽車使用，即酒精汽油（gasohol）。
圖4. 電影《回到未來》的場景 （圖片來源：環球影業，取自：網路電影資料庫（IMDb））
圖5. 二戰時期的木炭車
（左）1939年日本的「薪車」（圖片來源：日本頸城自動車株式會社，2021）
（右）員林客運公司的木炭車（圖片來源：文化部，2018）
以氣化合成氣直接作為車輛燃料，一直是一項未竟事業；1979年因伊朗革命造成第二次石油危機，油價在當時由每桶美金15元漲到美金39元（1981年2月）（EIA, 2021），於是可取代柴油的氣化技術再度復活，圖6即是1981年時掛氣化爐的柴油車（National Research Council, 1983）；即使在現代，仍有人在努力發展這種掛氣化爐的車子（Kurkela, 2010），如圖7所示。只是隨著油價的下降，這類車子就會被束之高閣。想像一下未來，當石油用罄之際，您也許買得起雙B的車子，但沒有汽柴油可用時，每天要開車出門，您必須倒一桶垃圾在您車子的氣化爐，沒有垃圾時，還需向鄰居借個一桶，屆時的垃圾都是寶貝。當然，受限於氣化爐的尺寸及重量，這個技術在短期內仍難以完全商業化，您現在不需太擔心，今晚就想開始囤積垃圾，那樣環保局會先來開罰單的。
如前所言，二戰之後，氣化技術的應用再因石油及天然氣的充裕而急遽下降，在 1950年代裡是一項被遺忘的技術。氣化技術的再次興起是在1970年代之後，肇因於能源危機，也使得煤炭氣化再度受到重視。而於此同時，因歐洲伐木等事業帶來環境的問題，使得氣化技術開始利用木屑等農業廢棄物，即生質物（biomass）作為氣化原料，開啟了廢棄物氣化技術的發展，更大量地被應用於能源較缺乏的發展中國家。在歷經近40多年的發展，現今廢棄物氣化技術已被認為是極具潛力的代替能源之一，可同時解決環境污染及能源短缺問題（吳耿東、李宏台，2001），表1為綜整氣化技術的發展歷程（吳耿東，2003）。
表1. 氣化技術發展歷程（吳耿東，2003）
圖6. 1981年能源危機時期掛氣化爐的柴油車（圖片來源：National Research Council, 1983） （左）菲律賓馬尼拉的吉普尼（Jeepney）木炭車，使用20 kg木炭進行氣化可跑160 km
（右）美國邁阿密的林肯大陸豪華轎車（Lincoln Continental limousine），使用約50 kg的木材進行氣化可跑約137 km
圖7. 以氣化合成氣作為燃料的現代汽車
（左）日本岩國市的現代木炭車（圖片來源：フォートラベル株式会社（for Travel, Inc.），2007，取自：https://4travel.jp/travelogue/10187886）
（中）（右）掛有氣化爐的現代芬蘭車輛，以130 kg泥煤（peat）為原料，可跑130 km（圖片來源：Kurkela, 2010）
參、氣化技術的今生
化技術則大都運用於發電利用，或作為供暖及供應製程蒸汽的熱利用，除了以煤炭為原料，少數大型的氣化複循環（integrated gasification combined cycle，IGCC）發電廠外，以生質物為原料的氣化發電系統也逐漸蓬勃發展，特別是在歐洲地區。
以芬蘭為例，最受矚目的是位於芬蘭拉第（Lahti）凱米耶爾維（Kymijärvi）發電廠內的70 MWth循環式流體化床（circulating fluidized bed，CFB）氣化混燒（co-firing）示範系統，在全球生質物氣化發展中最為成功。此氣化爐建於1998年，主要使用之生質燃料包括樹皮、木屑、廢枕木、廢輪胎等，其所產生之低熱值、粗合成氣直接注入現存的138 MWe燃煤鍋爐進行混燒，可取代15%之煤炭燃料，每年可節省130萬歐元（約合新台幣3,600萬元），投資回收年限約九年（吳耿東，2010），並在商轉20年後，於2019年正式除役（Isaksson et al., 2019）。此外，位於芬蘭西部瓦薩市（Vaasa）的瓦斯基洛托（Vaskiluoto）第二電廠建於1982年，原是一座供應230 MW電力及175 MW地區供熱的汽電共生廠，每年使用32至60萬公噸的煤炭，已於2013年在其粉煤鍋爐旁增設一座140 MW循環式流體化床氣化爐，為目前全球最大之生質物氣化爐，其以木質生質物料源，產生之氣化合成氣即注入既有之粉煤鍋爐內，可取代原有電廠25-40%的煤炭，每年可減少23萬噸CO2的排放（Isaksson, 2015），如圖8所示。上述電廠採用氣化混燒方式是因為原有的燃煤鍋爐是屬粉煤（pulverized coal，PC）鍋爐，即把煤炭磨成粉末再噴入鍋爐燃燒，但生質物較難進行研磨，若欲進行生質物的混燒，則適合先將生質物進行氣化後，再以產出之合成燃氣注入鍋爐內進行間接混燒（吳耿東、李宏台，2002）。
圖8. 全球最大循環式流體化床氣化爐所在的芬蘭瓦斯基洛托氣化混燒發電系統
（左）發電廠全景（圖片來源：Partanen, 2013）
（右）140 MW氣化系統全景（圖片來源：Isaksson, 2015）
另外，隨著氣化技術的成熟，以及依循「循環經濟」理念的廢棄物處理方式，為接續已除役的芬蘭凱米耶爾維電廠，2012年在其原址建置了全球首座以「固體再生燃料」（solid recovered fuel，SRF）全氣化的凱米耶爾維第二發電示範廠（Kymijärvi II），如圖9所示（Isaksson, 2015），包括兩座CFB氣化爐，可提供50 MW電力及90 MW的熱能給拉第地區。
圖9. 芬蘭凱米耶爾維第二發電廠，為全球首座SRF全氣化發電示範廠（圖片來源：Partanen, 2013）
在國內方面，工業技術研究院曾於1999年至2004年在經濟部能源局的資助下，建置國內最大的900 kWth循環式流體化床生質物氣化先導系統（工業技術研究院，2004）；近來，在科技部「綠能科技聯合研發計畫」補助下，國立中興大學已建立一座100 kWe下吸式生質物氣化發電整合微電網系統（如圖10所示），屬商業化之原型系統，也是國內首座結合微電網的氣化系統，利用新式的小型下吸式氣化發電系統，將農業廢棄物轉換為可燃的合成氣後，直接進入新型發電機組進行發電，且無焦油及廢水問題；其所產生的電力經由充電區，進行可攜式熱插拔電池的充電，再將電池送至各小區域的微電網系統，供應個別社區電力之使用。此一技術之成功開發，不僅可大幅降低設置成本，並使生質能發電設施與微電網得以分離設置，增加分散式能源電力應用的廣度與深度（Wu et al., 2020; Wu et al., 2021）；正在進行推廣的這套系統不僅適用於國內的偏鄉地區，也適用於十分缺電的東南亞國家偏遠村落。
圖10. 國立中興大學生質物氣化發電微電網系統（圖片來源：Wu et al., 2020）
肆、氣化技術的未來
除了發電利用外，由氣化程序產生的合成氣（），可以再經由觸媒反應合成各種液態燃料（如汽柴油或航空用油）或各式化學品，成為氣化未來的發展重點之一，特別是在運輸用液態燃料的製造，即BtL（biomass to liquid）技術。過去這項由氣化延伸的應用技術中，最成熟，也最著名的就是費托（Fischer-Tropsch，F-T）合成技術。
F-T技術始於1920年代，由德國化學家費歇爾（Franz Fischer，1877-1947）與托羅普施（Hans Tropsch，1889-1935）在德國魯爾區穆爾罕（Mülheim, Ruhr）的煤炭研究所（Kaiser-Wilhelm Institute for Coal Research，KWI）利用一氧化碳及氫氣為原料，在鐵（Fe）、鈷（Co）及釕（Ru）基的觸媒作用下，成功地合成液態的碳氫化合物，即F-T燃料（柴油） (吳耿東等，2003)，並於1925年申請德國專利 （Fischer and Tropsch, 1925），開啟了由碳、氫元素合成長鏈碳氫液態燃料的新紀元，也引發了其他國家相繼投入研究，這項也算是有點古老的技術，但也影響了日後所有的化學合成反應。
在1930年代中期至1945年二次世界大戰結束前，德國即進行液態合成燃料（如柴油）之商業化的生產，總計建立了12座煤炭氣化廠（產製CO及）及九座F-T油品合成工廠（Stranges, 2003）。造成F-T技術之開發風潮，主要係德國本身並不產油，但卻擁有豐富的煤礦，使得德國科學家極欲反其道而行，雖不能取得原油進行汽柴油的精煉，但企望能藉由合成方式製造油品，於是大規模地將煤轉化為替代石油。而F-T技術的成功，使得在二次大戰期間急需油品的德國大量投入商業化開發，同時期的英、美、日等國亦加入競爭行列（吳耿東等，2003）。在二戰末期，因德國仍有油品可供戰爭使用，這使得同盟國十分緊張，於是美國中央情報局（CIA），以及英國軍情六處（MI6）（就是著名的007系列電影主角詹姆士龐德所屬的單位）均派員潛入德國，一探究竟，然後再由盟軍去轟炸這些F-T工廠，連費托兩位科學家所屬的煤炭研究所也在1944年被炸掉，後於1953年重建。
二次大戰後，F-T合成技術的發展除了在觸媒方面的改善外，製備原料也不限煤炭，天然氣亦是製備原料的重要來源。目前最大商業化規模的F-T燃料廠是在南非，Sasol公司早於1955年即在南非的Sasolburg建立一日產8,000 bbl的商業化F-T廠SASOL 1 Plant。這也有其歷史因素，因為南非因早年的種族隔離政策，導致受到一些經濟制裁，但南非產煤，可利用氣化及費托技術生產柴油，不受國際局勢的影響。
近年來全球因能源危機隱憂再起，使得這項古老的技術再度受到重視，並開始研發利用生質物或廢棄物作為氣化原料，進而產製F-T合成柴油，又稱之為「綠色柴油」（green diesel）（Boerrigter et al., 2003）。僅管費托技術十分成功，但當氣化原料由煤炭改為生質物或廢棄物時，因為生質物氣化合成氣中的氫氣與一氧化碳比例與煤炭氣化的合成氣組成不同，使得這項技術在目前的進展較為緩慢，但前景可期。
結語
以目前的發展現況，生質能氣化發電在臺灣要能成功推廣，必須同時整合（integration）法規（regulations）（含制度、獎勵措施等）、經濟（economy）（含成本效益）及技術（technology）的三個面向，亦即RETI法則（Wu et al., 2017），這亦適用於其他國家。另一方面，聯合國永續發展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）的第七項，即確保所有的人都可取得負擔得起、可靠的、永續的，及現代的能源，而生質物氣化這項既古老又新穎的技術，有機會成為這項目標的關鍵技術，且讓我們拭目以待！
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吳耿東
國立中興大學森林學系副教授