燃燒熱與碳排量

原始設計者:張雲鳳

火力發電是我國比例最高的電力來源，火力發電藉著燃燒化石燃料如煤或天然氣獲得化學能。 然而燃燒過程中產生的二氧化碳是溫室效應增強的元兇，我們要如何選擇釋放出有高熱量，但是低碳排量的能源呢? 為了減少二氧化碳的排放，我國火力發電已逐年增加天然氣的比例，減少燃煤的比例。 為什麼天然氣的二氧化碳排放量低於燃煤呢? https://www.cna.com.tw/news/aipl/201810120226.aspx

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1.現象說明

天然氣是一種主要由甲烷組成的氣態化石燃料。 燃燒熱為物質與氧氣完全燃燒時，所放出來的熱量。由各物質的莫耳生成熱來計算得知: 例如:

根據統計我國2010~2015年 燃氣與燃煤發電，每獲得一度電，燃氣釋放出0.431公斤的二氧化碳，燃煤則釋放出0.965公斤的二氧化碳

圖片來源: https://www.eventsinfocus.org/issues/1881

2.探究問題

• 2.1 燃燒熱的計算方法。
• 2.2 莫耳燃燒熱與碳排量的比較。
• 2.3 找尋何種化學物質效益最高。

3.實作項目

• 3.1 列出化學物質燃燒熱反應式

• 3.2 計算各物質的莫耳燃燒熱

利用下表的生成熱來計算各物質燃燒熱

參考答案

• 3.3 燃燒熱與碳排量(每獲得一度電)的比較:

試計算(假設沒有能量損失)每個物質燃燒每獲得一度電之二氧化碳排放公斤數

參考答案:

1度電 = 1 kWh = 1×10 3 Js-1 ×3600 s = 3.6 × 103 kJ

CH4 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為1436.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為 0.110 kg。

C2H6 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為780.3 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.203 kg。

C3H8 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為740.5 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.213 kg。

C 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為393.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.402 kg。

H2 不產生任何二氧化碳，就可釋放出可用熱量為 286.0 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.0 kg。

C2H5OH產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為683.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為 0.232 kg。

因此每一度電所排放的二氧化碳公斤數(由小至大)

氫氣(H2) < 甲烷(CH4) < 乙烷(C2H6) < 丙烷(C3H8) < 乙醇(C2H5OH) < 煤(C)

4.分析與結論

• 4.1 試比較前述分子之氫碳比例，觀察並說明這個比例與二氧化碳排放率之關係。

參考答案:

氫氣(H2) :氫比例100% 、碳比例 0%。

甲烷(CH4) :氫比例80% 、碳比例 20%。

乙烷(C2H6) :氫比例75% 、碳比例 25%。

丙烷(C3H8) :氫比例72.7% 、碳比例 27.3%。

乙醇(C2H5OH) :氫比例66.7% 、碳比例 22.2%。

煤(C) :氫比例0% 、碳比例 100%。

由上面數據可得知，當氫比例於化學物質中較高，碳比例較低，就可以減少碳排放量。

• 4.2 想想看，為何現階段能源不以氫氣為主要能源呢?試著比較其優劣。

5.教學目標與評量

• 5.1 了解燃燒熱意義與計算。
• 5.2 認識化學物質與碳排量的關係。
• 5.3 找出碳氫比例與碳排量和燃燒熱交互關係。。

6.參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] Standard heat of formation :https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%87%E5%87%86%E6%91%A9%E5%B0%94%E7%94%9F%E6%88%90%E7%84%93

[2] 天然氣簡介 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E7%84%B6%E6%B0%94