不鏽鋼在綠能產業的應用

不鏽鋼是一種耐腐蝕、強度高、不需在表面披覆塗料或施作裝飾性鍍膜/防蝕鍍膜，就能擁有亮麗/抗腐蝕表面的金屬材料，因此在綠能環保領域中有著受人矚目的應用。

根據再生能源發展條例(超連結是行政院 法務部，中文網頁) 的定義，再生能源是指太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、非抽蓄式水力、國內一般廢棄物與一般事業廢棄物等直接利用或經處理所產生之能源，或其他經中央主管機關認定可永續利用之能源。但是綠電的範疇比再生能源更廣，只要二氧化碳排放量為零或趨近於零，且產出為電力的形式，都可稱為綠電。

讓我們從汽車及綠電的角度出發，了解不鏽鋼在綠能環保的應用。

不鏽鋼在新世代汽車領域的運用

循環經濟(Circular Economy)講求的，是一個可恢復且可再生的產業體系，相較於線性經濟中，商品「壽終正寢」的概念，循環經濟講求的是「再生恢復」。消除廢棄物並使得資源能夠更有效率地被利用。

其概念也能應用在汽車產業與整體交通現況，協助人類尋求「移動」與「永續利用」這個看似矛盾問題的解決之道。汽車從製造、使用到生命週期的結束 (也就是從 設計生產 到 終端廢棄 的過程) 都可納入循環經濟思維。透過新科技的輔助、材料的再利用與再生，打造節能智慧高效、節能的車輛，透過高能源使用效率的交通工具，達到與環境共存，永續發展的目標。

請參考:1.循環經濟是什麼?- 推動循環經濟—創造經濟與環保雙贏(超連結是行政院 中文網頁)

                 2. 打造高效低耗能運輸系統(超連結是工研院 工業技術與資訊月刊 313期2017年11月號 中文網頁)

●在 燃油/電動 汽車車身的領域中:

考慮到資源永續利用並減少對環境產生的衝擊，新世代的純電動輕型商用車已經放棄使用會有生鏽問題且機械強度較低的鍍鋅鋼板製造車身，而採用不鏽鋼打造車身。例如 Tesla Cybertruck 純電動輕型商用車。

註:  何謂外骨骼？

外骨骼(exoskeleton)這個詞彙，源自 έйω (希臘文: 外部)和 σκελετός (希臘文: 骨骼)組合而成的複合詞，是形容「由堅硬的外殼保護柔軟的內部組織」的物體。因此，外骨骼生物是形容「由堅硬的外殼保護柔軟的內部組織」的生物，例如螃蟹、惡魔鐵鎧甲蟲(超連結是中文資料)。

而運用在醫療領域的外骨骼機器人，亦稱外骨骼輔具。是藉由機械構件的堅硬特性，搭配精密的電子控制技術，輔助患者做到自身無法達成的動作，例如這段新聞影片介紹的內容(超連結是中文新聞影片)。 

若是應用於非醫療領域，例如協助人類搬重物，則類似這段新聞影片介紹的內容(超連結是中文新聞影片)。

相對於「外骨骼」的名詞，是內骨骼（endoskeleton）。內骨骼是指「由柔軟組織包覆於堅硬的骨骼上」的物體。例如人類，就是一種內骨骼生物。

●在電動汽車的電池領域中:

1. 電池在充放電的過程會產生熱量，金屬外殼的熱傳導性質優於碳纖維與各種工程塑膠。請參考: 常見的金屬、非金屬材料的導熱係數表(超連結是日文網站)。

2. 汽車在碰撞事故中，要避免電池受到劇烈擠壓，以免起火爆炸。鋼鐵材料的強度優於鋁合金或鎂合金等輕金屬。

3. 汽車是戶外交通工具，電池殼件要能抵抗潮濕環境引起的生鏽問題。不鏽鋼抵抗生鏽的能力優於鍍鋅鋼板。

考慮到以上三項因素，碳纖維、鋁、鎂及其合金等輕金屬就被排除了。剩下有機塗料保護的鍍鋅鋼板與不鏽鋼材料。

但是用有機塗料保護的鍍鋅鋼板製造電池外殼時，在製造過程中，會有碳排放的問題。預計於2023年試行、2026年正式上路的「碳邊境調整機制」（Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）的法案，對於碳排放有較嚴格要求。關於歐盟的CBAM法案，請參考: 歐盟CBAM及『淨零碳排』專區簡介(超連結是經濟部 國際貿易局，中文資料)  。在車商背負銷售業績的壓力下，電動汽車製造商不會選擇降低自己產品市場競爭力的材料來製造電池外殼。

因此，可以使用耐候性能優異、散熱性佳與強度高，並且能夠百分之百回收再利用的不鏽鋼，製造電動汽車的電池外殼防護鈑件。

為何要選用能同時滿足以上條件的材料，來製造電動汽車的充電電池外殼?(超連結是中文新聞影片)

無論在內燃機汽車或電動汽車中，都會有 "輪拱(wheel arch)" 的設計:

不鏽鋼在綠電領域的運用

根據再生能源發展條例(超連結是行政院 法務部，中文網頁) 的定義，再生能源是指太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、非抽蓄式水力、國內一般廢棄物與一般事業廢棄物等直接利用或經處理所產生之能源，或其他經中央主管機關認定可永續利用之能源。但是綠電(綠色能源/綠能/ green energy)的範疇比再生能源更廣，只要二氧化碳排放量為零或趨近於零且產出為電力的形式，都可稱為綠電。

再生能源是指可永續利用之能源形式，例如: 太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力和非抽蓄式水力。但是綠能是指那些能夠在不造成額外的環境污染和碳排放的情況下，提供淨零能源的技術和方法。（淨零，Net Zero: 指的就是溫室氣體排放「接近」零值。）

核能發電是否應該被歸為一種綠電的形式，目前世界各國仍處於爭議階段。一些國家將核能發電視為一種清潔能源，但在2011年日本福島核災影響下，也有許多國家將核能視為一種危險的能源形式。

歐盟執委會於2022年提出歐洲綠色協議（The European Green Deal）(超連結是中文網頁)，將核能與列為「綠色能源」。歐盟對於核能發電的認定，將被寫進《歐盟分類法》的施行細則當中，關於歐盟分類法的說明。這項法案已於2023年元旦正式生效。

而再生能源的種類，除了本網站介紹的太陽能發電與風力發電之外，還包含慣常水力、生質能及廢棄物、地熱。關於這些再生能源種類，本網站分別以影片說明。

●水力發電:

水力發電利用水位的落差，在重力作用下衝擊水輪機葉片，再帶動發電機。是一種由位能轉換為動能，再將動能轉換成電能的能量形式。

與其他可再生能源一樣，非抽蓄式水力發電在運作時無污染物排放。但是缺點是水庫會使上游土地被水淹沒，導致棲息地零碎化，破壞生物多樣性。也會因大壩的攔截效應，使下游的沉積物會大幅減少，肥沃的沖積土壤將會減少。大壩也會阻礙水中生物遷徙，阻礙繁殖。若發生旱災致使水流減小時，就會發生供電不足的情況，可參考環境資訊中心網頁:大壩對環境的影響(超連結是中文網頁)。

●地熱發電:

2015年底巴黎舉行聯合國《氣候變化綱要公約》第21屆締約國大會(UNFCCC COP21)，國際再生能源機構(IRENA, International Renewable Energy Agency)推動38個國家與20個業界夥伴成立「全球地熱聯盟」(Global Geothermal Alliance)，目標在2030年前達成全球地熱裝置發電容量增加5倍，由目前的13 GWe增加至超過65 Gwe。(1GWe即100萬kW電功率)。

地熱能源是一種獨特的發電資源，同時具備與風力、太陽能相同之潔淨、再生特性，且地熱發電的容量因子（Capacity factor）高達0.75，而可視為基載電力。地熱發電因此成為台灣能源產業發展之重要考量。

容量因子（Capacity factor）是發電廠的平均發電量除以滿載額定容量(發電廠設計 發電量的最大值)。容量因子是介於0到1之間的一個數值，不同類型發電廠的容量因子會有很大差異。

一般而言，核電廠通常24小時均以以滿載額定容量運行，容量因子接近1。停機維修時，容量因子便是0。以風力發電時，風力太小以至於無法驅動風機時，容量因子也是0。若是以太陽能發電時，到了入夜後，容量因子還是0。

可參考: 臺灣能源期刊【第3卷 第4期】我國地熱能環境效益潛能及近年國際成功策略比較 (超連結是經濟部能源署中文網頁)

●生質能及廢棄物發電:

生質能指利用生質物(biomass)經處理後產生之能源，「生質物」是指任何來自動物、植物、藻類...等的有機物質，依據型態大致可分為以下三類：

1.氣態生質能：

例如沼氣發電，沼氣發電是利用廚餘、污泥、動物糞便等作為原料，進行厭氧發酵，經發酵後產生的氣體主要成分為甲烷。

2.液態生質能：

常見包含生質酒精、生質燃料，生質酒精是利用甘蔗、玉米等作為原料，經過發酵作用轉化成酒精。生質燃料則是以大豆、油菜籽、動物脂肪等進行轉酯化反應（Transesterification），變成運輸工具可使用的燃料。延伸閱讀: 何謂轉酯化反應? (超連結是中文影片)

3.固態生質能：

廢紙、廢木材、廢纖維、污泥、農業廢棄物...等，經過篩選程序，去除不適合燃燒的物質後，作為工業鍋爐燃料以產生蒸氣發電、或是提供熱源。

●核能發電:

核反應的過程中不會產生空氣污染物，如二氧化碳、氮氧化物和硫化物等。這意味著核能發電不會對大氣造成污染，也就是說對全球氣候異常的現象，不會產生負面影響。事實上，核能發電的碳排放量比燃煤、石油和天然氣等傳統的發電方式都要少得多。

核能雖然不屬於可再生能源，因為核燃料的採礦、加工、運輸等過程都會產生廣泛的環境影響。但是從生命週期角度來看，核電應屬綠電。根據台電核發處核心組的資料，核能電廠內，大量使用不鏽鋼材質的零件。其使用壽命均可超過60年。這是美國西屋公司的AP1000第 3+代核電廠(超連結是英文影片)，核子反應爐內的控制棒（Control Rod）為封在不鏽鋼管內的毒性物質(種類見下表Table 1 與Table 2 )。不鏽鋼材料除了應用在爐心部分，也會應用在蒸氣渦輪機的部分。位於墾丁地區的核三廠是由不同迴路(二次迴路)的高溫、高壓水蒸氣推動的蒸氣渦輪機，其工作原理則可參考下方影片(超連結是英文影片)。

位於新北市的核二電廠又稱為國聖發電廠，是屬於沸水式核子反應爐(Boiling Water Reactor，BWR)，而在屏東縣的核三電廠屬於壓水式核子反應爐(Pressurized Water Reactor，PWR)。這二座核能電廠的核反應爐爐心與蒸氣渦輪機，均有不鏽鋼製造的零件。下方連結是核二廠使用的沸水式核子反應爐(Boiling Water Reactor，BWR)與核三廠使用的壓水式核子反應爐(Pressurized Water Reactor，PWR)的簡單構造比較圖。用繪畫圖形簡單的解釋BWR與PWR的差異。(超連結是英文解釋影片)

核子反應爐爐心的控制棒（Control Rod）封在不鏽鋼管內(例如#304不鏽鋼管)，是因為不鏽鋼能抵抗流經燃料棒的高溫、高壓水造成的應力腐蝕(SCC)問題。

這二個表格取自【Comprehensive Nuclear Materials】這本書的3.17節。表格內容說明核二廠使用的沸水式核子反應爐(Boiling Water Reactor，BWR)與核三廠使用的壓水式核子反應爐(Pressurized Water Reactor，PWR)，爐心的控制棒葉片設計製造廠商與使用的材質。

由表格資料顯示，目前已有多種不銹鋼材料使用於控制棒葉片。這些不鏽鋼的化學組成、物理性質與機械性質均已收錄於本網站資料庫。

核能發電領域中，本網站所提到的英文縮寫，其含意如下:

      ●BWR: 沸水式核子反應爐，Boiling Water Reactor，例如位於新北市的核二電廠(又稱為國聖發電廠)。

      ●PWR: 壓水式核子反應爐，Pressurized Water Reactor，例如在屏東縣的核三電廠(又稱為馬鞍山發電廠)。 

      ●CR: 控制棒，Control Rod。

      ●CRB: 控制棒葉片，Control Rod Blades。

如果讀者有興趣深入瞭解用於核能發電的控制棒材料，請參閱: 【Comprehensive Nuclear Materials】這本書的3.17節【Thermal Spectrum Control Rod Materials】(超連結是英文資料)

延伸閱讀 - 歐洲議會認為人類未來的綠色能源之一是核能

 ●這是2023年2月，歐洲議會議員Pernilla Weiss女士在歐洲議會的科學技術前瞻小組(STOA)「核能的可持續性和創新技術」研討會上開幕的致詞【影片】歐洲議會影片

● 這是2023年2月，Fusion for Energy的廣泛方式負責人Susana Clement女士，在歐洲議會的科學技術前瞻小組STOA)於「核能的可持續性和創新技術」研討會的演講，主題是【核能如何幫助歐洲實現綠色轉型？】(超連結是Fusion for Energy2023年3月的網站資料)

延伸閱讀 - 美國能源部影片: 核分裂與核融合的差異

核分裂(nuclear fission)與核融合(nuclear fusion)的差異(超連結是美國能源部英文影片)

在這三種再生能源 + 一種綠色能源中(1.水力發電、2.地熱發電、3.生質能及廢棄物發電、4.核能發電)，都是使用水流動的力量(第1種)或水蒸氣的力量(第2、3、4種)推動渦輪機葉片，渦輪機再驅動發電機，而產生電力的設備。

雖然這幾種發電方式都面臨了被工作流體腐蝕的渦輪機葉片或管路的問題，可是這些腐蝕現象的發生程度、環境都不盡相同，這些腐蝕現象包含了化學性反應、物理性損壞、電化學性反應、以及化學性反應或電化學性反應混合物理性損壞(環境輔助開裂，Environment-Assisted Cracking，EAC)。可參考:

中華民國防蝕工程學會 - 防蝕工程學刊【第6卷 第2期】腐蝕概論(超連結是中文論文) 

環境輔助開裂，Environment-Assisted Cracking，EAC(超連結是英文網頁)

不鏽鋼的強度比輕金屬材質高，部分的不鏽鋼種也較能抵抗這些綠色能源，引起的零組件失效問題。在這些發電方式中，可能使用到的不鏽鋼種類至少包含:

● AISI 304 (S30400)(18Cr-8Ni)不鏽鋼

● AISI 316L (S31603)不鏽鋼

● UNS S17400 (17-4 PH, Alloy 630)不鏽鋼

● UNS S20910 (22-13-5, 1.3964, XM-19)不鏽鋼

● 雙相不鏽鋼(Duplex stainless steel) <雙相不鏽鋼的最高工作溫度是多少?(超連結是英文網頁)>

● G115 耐熱不鏽鋼 <G115  耐熱不鏽鋼的化學組成(Table 1. Chemical composition of the consumable electrode (mass%).)(超連結是英文網頁)>

請參考: 工業技術研究院 - 工業材料雜誌 - 高效能地熱發電耐酸蝕金屬材料【391期2019年07月號】。

在台灣，太陽能發電及風力發電是所有再生能源中，發電量成長比例最高的前二名。根據再生能源資訊網的統計資料顯示(超連結是中文網頁)，2022年再生能源的總發電量是238億度，其中太陽光電與風力發電占比達59.7%。其中，在太陽能發電的部分，從2016年的8.7%上升至2022年的44.8%。而在風力發電的部分，從2016年的11.4%上升至2022年的14.9%。

台灣的太陽能產業是由政府自2000年開始推動太陽能光電，但於2010年政府推動電力收購制度(上網電價制度，Feed-in Tariff)後（何謂上網電價 Feed-in Tariff ?，超連結是經濟部 智慧財產局，中文網頁），安裝量方開始顯著成長。

●2010年在屏東推出養水種電計畫，將太陽能光電板設置於魚塭中，讓它漂浮於水面上發電。

●2011年在「黃金十年」政策中提出「陽光屋頂百萬座」的計畫。

●2016年的裝置容量首度突破一千MW，達到1245.06MW 。

●政府目標於2025年，太陽光電累計安裝容量達20GW（20000 MW），其中屋頂型太陽光電目標是8GW（8000 MW），包括水域面積在內的地面型太陽光電是12GW（12000 MW）。

●2001年及2002年分別在雲林麥寮、澎湖縣白沙鄉中屯村、新竹竹北設置三處風場。

●2007年4月在彰化縣線西鄉彰濱工業區內設置彰濱工業區風力發電廠，每年估計約可提供1億3500萬度的電力，約可減少7萬噸的二氧化碳排放量，此工程是綠色電能發展史上的里程碑。

●2007年9月提出「第一階段設置離岸式風力發電廠方案」。

●2008年首次引進英國對發展離岸風電之可行性評估。

●2011年於「黃金十年」政策中提出「千架海陸風力機」計畫。

●2017年4月海洋風力發電公司之海洋竹南風力發電場第一期開始商轉，為臺灣首座正式營運的離岸風力發電場。

●2018年政府展開離岸風電大規模開發，公布「離岸風力發電規劃場址容量分配作業要點」，啟動離岸風力發電「遴選」與「競價」作業。

●2019年政府公布「離岸風力發電示範獎勵辦法」(超連結是法務部，中文網頁)，獎勵離岸風電開發。

台灣屬於高鹽、高濕、工業污染嚴重的氣候環境，對於太陽光電與風力發電的金屬結構腐蝕嚴重，而國內的EPC廠（EPC指的是大型工程總包公司(Engineering、Procurement、Construction)）喜歡引用的日規(JIS)，日規卻不能完全適用於台灣環境，這是因為忽略了台灣地區的空氣污染程度與日本不同。結果造成，常有設備尚未到達設計年限，就已鏽蝕損壞的情形。

金屬材料的大氣腐蝕環境測量標準，是依據ISO 9223(大氣腐蝕性分類)、ISO 9224(各腐蝕環境中腐蝕率指標值)、ISO 9225(污染量量測方法)、ISO 9226(標準試片腐蝕率量測方法) 四項標準規範，在選定之量測地點，量測一年期標準試片的: 腐蝕率、潤濕時間及總污染量。再依據國際標準組織 - ISO的大氣腐蝕環境分類準則，分為C1到CX等級。臺灣沿岸區域幾乎全為嚴重腐蝕等級C5，部分地區甚至達到最高的CX等級，詳細的數值區分範圍，請參考大氣腐蝕及防蝕技術應用研討會的投影片資料第四頁(超連結是中文資料)

目前的太陽能發電系統失效問題，有二個方面，一個是光電模組的劣化問題(超連結是英文網頁)，另一個是太陽能發電系統結構支架材料的腐蝕問題。

第一個階段:

第一代太陽能電池發展最長久，技術也最成熟。種類可分為單晶矽（Monocrystalline Silicon）、多晶矽（Polycrystalline Silicon）、非晶矽（Amorphous Silicon）。 

第二個階段:

第二代是薄膜太陽能電池。將化合物半導體，透過薄膜製程來製造太陽能電池。

第三個階段:

第三代太陽能電池與上個世代電池最大的不同是在薄膜製程中導入「有機物」和「奈米科技」。

第四個階段:

第四代太陽能電池則針對電池吸光薄膜做出多層結構。

此外，在風力發電的領域中，現行離岸風電的主要結構件是海洋用鋼為主，如，S355、S420、S460等。在水面下的零件，以下列防蝕方式進行:

漲退潮之間(飛沫區、潮差區)：用塗裝為主。浸沒區：以犧牲陽極或外加電流為主。水面上(大氣區)的零件，其防蝕方式則是以塗裝為主。不鏽鋼可以用來製作風力發電機的部分結構。由於風力發電機葉片對材料要求很高，不僅需要具有較輕的重量，還需要具有較高的強度、抗腐蝕性、耐疲勞性能，因此目前的廠商廣泛採用複合材料製造風力發電機葉片的主結構。但是不鏽鋼具有出色的耐腐蝕性和強度，可以在惡劣的自然環境下長期運作，因此很適合用來製造風力發電機葉片主結構以外的零件。

例如:

1.金屬中心在這一篇產業評析(超連結是中文資料)的第二部分-風力發電主要部件，所提到之部分風機零件、第三部分-不鏽鋼在風力發電機的使用占比。

2. HYPER-DUPLEX STAINLESS STEELS (超連結是英文資料)

在百慕達群島註冊的投資銀行 - Lazard 於2023年4月在Lazard's Levelized Cost of Energy Analysis (Lazard平準化能源成本分析 LCOE Version: 16，2023年4月，超連結是英文PDF檔案)  中第12頁，有一張圖比較了現行多種商業運轉技術發電的能源中，每產生1MWh (1MWh = 1000kWh =  1000度電) 的發電成本的降低幅度:

● 台灣使用的PV模組太陽光電 從2014年至2023年的發電成本降低了83%(聚光太陽能熱發電，Solar thermal tower，則是降低16%，超連結是中文網頁)。

● 風力發電(非離岸風電型) 從2014年至2023年的發電成本降低了63%。

● 核電發電 從2014年至2023年的發電成本降低了47%。

● 天然氣尖峰負載發電(Gas Peaking，超連結是中文網頁) 從2014年至2023年的發電成本降低了39%。

● 天然氣複循環發電(Gas Combined Cycle，超連結是中文影片) 從2014年至2023年的發電成本降低了15%。

● 地熱發電 從2014年至2023年的發電成本降低了8%。

● 燃煤發電 從2014年至2023年的發電成本降低了5%。

從2014年至2023年的發電成本建置成本逐年下降，代表各國政府、企業投入人力、資金，長期進行相關技術的開發工作。

雖然能源產業的發展，會受到:

1.能源產地限制發展(例如地熱資源不是地球的每個國家都有。)

或是

2.國際政治情勢影響(例如俄烏大戰期間，被炸斷的北溪二號天然氣輸送管路。)

但是，如果燃煤電廠的發展可期，美國的資金也是會大量投資中國大陸的礦區。問題是燃煤電廠已經不是發展趨勢主流，各國政府、企業【不會】投入大量人力、資金，推展相關技術的開發工作。所以燃煤電廠從2014年至2023年的發電成本只降低了5%。

從第12頁的統計結果顯示，1.PV模組太陽光電     2.風電     3.核電，這三種綠色能源是當今世界各國致力發展電業的主力。

無論是在太陽能發電的應用領域或風力發電的應用領域，都是不需考慮輕量化效益的領域，但是卻要考慮【機械強度】與【對環境的衝擊】。

不鏽鋼與其他材料相比，雖然不鏽鋼設備可能需要更高的初期建置費用，但其特性可提供較高的機械強度和長期的經濟效益，包括降低的維護成本和減少對環境的不良影響。長遠來說，是一項值得的投資，因為地球只有一個。

延伸閱讀

常見能源單位GW(百萬瓩)、MW(千瓩)、kW(瓩)、W(瓦)的轉換。裝置容量（installed capacity）與發電量（electricity production）的定義。(超連結是中文資料)