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系統識別號 U0002-0604201514554600
中文論文名稱 太陽能薄膜蒸餾與傳統逆滲透海水淡化系統生命週期評估之比較
英文論文名稱 A study on the comparison of life cycle assessment of seawater desalination technology with solar membrane distillation and conventional RO process
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 103
學期 1
出版年 104
研究生中文姓名 唐晟哲
研究生英文姓名 Chen-Jhe Tang
學號 601480634
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-01-26
論文頁數 118頁
口試委員 指導教授-高思懷
委員-李育明
委員-胡憲倫
中文關鍵字 太陽能  生命週期評估  史特靈引擎 
英文關鍵字 Solar energy  desaination system  Gabi  life cycle assessment(LCA) 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 隨著民眾環保意識抬頭,企業紛紛開始追求永續發展。永續發展定義為「人類的發展能夠滿足當代的需求,且不致危及到子孫滿足其需要的能力」,而談永續發展,須對產品的整個生命週期對於環境的衝擊,作全盤考量。
本研究對太陽能薄膜蒸餾海水淡化廠做生命週期評估,分析在建造階段原料之使用與淡化過程對環境的衝擊,並找出各單元中對環境負擔較大者,提供研發團隊修正之參考。
本研究使用生命週期評估軟體GaBi 6 來計算Eco-indicator 99的衝擊指標,模擬全太陽能薄膜蒸餾海水淡化系統(SE)、傳統逆滲透海水淡化系統(RO)以及混和能源薄膜蒸餾海水淡化系統(HE系統)三種情境,以生產100m3/day之淡水為功能單位,評估建廠階段所需原料與營運階段所造成的環境衝擊。
結果顯示在建廠階段使用原料方面三種系統衝擊大小順序為SE系統最大、HE系統次之而RO系統最小,主要原因為海水轉換效率,SE與HE系統為10%,而RO系統為30%,因此SE與HE系統所需設備及廠房皆較RO系統為大,且SE與HE系統所需使用之太陽能史特靈碟型盤需要極大的土地面積。在營運階段方面以RO系統衝擊最高、HE系統次之、SE系統最小,主要原因為能源使用,台灣目前電力來源以燃煤發電為主,由於開採煤礦在化石燃料因子的衝擊有顯著影響,發電過程排放硫、氮等氧化物,導致可吸入無機物增加。
太陽能碟型盤使用原鋁製作,整體衝擊以SE系統最大、HE系統次之、而RO系統最小,其原因為RO系統在營運階段之衝擊雖遠大於SE、與HE系統兩廠,但SE系統與HE系統在建廠階段碟型盤引擎與廠房大小以及桶槽需求量使用原料皆大於RO系統(約3倍),導致SE與HE兩系統整體衝擊大增,其中以可吸入性無機物、化石燃料以及氣候變遷最為明顯。
如使用回收鋁製作碟型盤,SE系統與HE系統之衝擊將大幅下降,在整體衝擊上RO系統衝擊最高為、HE系統次之,SE系統最低,主要原因為RO系統整廠能源來自台電所提供之電力,造成人體健康衝擊項目極大所導致。
關鍵字:太陽能、海水淡化系統、Gabi、生命週期評估
英文摘要 Owing to the rising awareness of environmental protection, sustainable development is being required and meets the needs of enterprises. Sustainable development is the development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs. All impacts to environment should be considered comprehensively into the life cycle assessment of one product.
The aims of this study: (1) evaluate the life cycle assessment of thin film solar distillation desalination plant, (2) explore the environmental impacts of raw material use during the construction procedure and the impacts to desalination process, and (3) provide more useful environmental loading analyses to further studies.
The software, GaBi6, was used to calculate the impacts of Eco- indicator 99. GaBi6 provided modules to model these three cases: whole solar thin film distillation desalination systems (SE), reverse osmosis desalination systems (RO), and thin film distillation desalination systems mixing energy (HE). Each of cases was hypothesized that 100 m3 of fresh water produced per day to evaluate impacts on construction procedure and operating procedure.
The results showed the impacts in orders on entire construction procedure were following: SE > RO > HE, which reflected the differences of seawater transfer efficiencies. The transfer efficiencies of SE and HE were the same as 10%, while that of RO was 30%. In other words, larger instruments, plants, and land-use were required in SE and HE rather to RO. On the operating procedure, the impacts in orders were RO > HE > SE, owing to the “energy use”. In Taiwan, most generations of electric powers were by coal-fired. As a result, fossil fuels increased the emission of sulfur and nitrogen oxides, and raised the risk of inorganic substance-intake.
Besides, solar disks were manufactured by Aluminum, so the total environmental impacts were in sequence of SE > HE > RO. In the case of operating procedure, the impacts of RO were far more than these of SE, or HE.
In the case of construction procedure, the solar disks, plant-size, and tankages of SE, or HE were about three times than these of RO. The contributions of inorganic respiratory, fossil fuels, and climate change were the most significant impact items to environment.
Once the Recycling aluminum applied in the solar disks of SE or HE, total impacts decreased significantly. The total environmental impacts were in sequence of RO > HE > SE. The risks of human health were raising by means of the electric power produced .
論文目次 目錄
圖目錄 III
表目錄 VI
第一章 緒論 1
1.1緣起 1
1.2目的及內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 水資源現況 4
2.2薄膜蒸餾技術 4
2.2-1 薄膜蒸餾技術介紹 4
2.2-2薄膜蒸餾的特徵與優點: 7
2.3太陽能現況 8
2.4史特靈引擎介紹 12
2.5生命週期評估 16
2.5-1生命週期評估介紹 16
2.5-2生命週期評估模式與軟體應用 20
2-5-3 生命週期評估之相關研究 26
第三章 研究方法與流程 27
3.1生命週期盤查資料及假設 27
3.2 研究方法與流程設計 30
3.2-1參考系統特性 30
3.2-2模擬情境條件 31
第四章結果與討論 49
4.1盤查分析 49
4.1-1三系統建廠階段原料使用特徵化與標準化 49
4.1-2三系統建廠階段原料使用權重化 61
4.1-3三系統營運階段特徵化、標準化 68
4.1-4三系統藥物影響 77
4.1-5三系統營運階段權重化 83
4.2 三系統衝擊評估 89
4.2-1建廠階段原料使用評估 89
4.2-2營運階段評估 96
4.2-3三系統整體評估 102
4.3成本分析 109
4.3-1 建廠階段原料使用土地成本分析 109
4.3-2電力成本 109
4.3-3單位產水成本 111
4.3-4討論 113
第五章結論與建議 114
參考文獻 116

圖目錄
圖2.1薄膜蒸餾原理 5
圖2.2直接接觸薄膜蒸餾法 6
圖2.3空氣間隙薄膜蒸餾法 6
圖2.4氣體掃掠薄膜蒸餾法 7
圖2.5真空薄膜蒸餾法 7
圖2.6平板式集熱器構造圖 9
圖2.7真空管集熱器原理 9
圖2.8聚焦式集熱器原理 10
圖2.9熱儲存槽內含熱交換器 10
圖2.10熱儲存槽內不含熱交換器 11
圖2.11熱儲存槽內含分隔板 11
圖2.12史特靈引擎運作流程 12
圖2.13 α型史特靈引擎 13
圖2.14 β型史特靈引擎 13
圖2.15 γ型史特靈引擎 13
圖2.16史特靈引擎運用光線示意圖 14
圖2.17史特靈引擎模組 15
圖2.18生命週期評估衝擊 17
圖2.19生命週期評估基礎架構 18
圖2.20 Eco-Indicator 99 衝擊性評估模式之流程 21
圖3.1研究範圍 27
圖3.2 SE系統系統界限 28
圖3.3 RO系統系統界限 29
圖3.4HE系統系統界限 29
圖3.5全太陽能海水淡化系統 32
圖3.6RO海水淡化系統 32
圖3.7混和能源驅動薄膜海水淡化系統 33
圖3.8前處理架構圖 35
圖3.9SE海水淡化系統架構圖 36
圖3.10RO海水淡化系統架構圖 37
圖3.11末端處理架構圖 38
圖4.1 SE系統對環境衝擊 78
圖4.2三系統總衝擊權重化比較 84
圖4.3三系統前處理權重化比較 85
圖4.4三系統淡化處理權重化比較 87
圖4.5三系統末端處理權重化比較 88
圖4.6三系統特徵化衝擊百分比 89
圖4.7 三系統標準化衝擊百分比 90
圖4.8 SE系統與HE系統建廠階段原料使用衝擊權重化比例圖 90
圖4.9 RO系統建廠階段原料使用衝擊權重化比例圖 91
圖4.10 三系統廠房建造特徵化之衝擊比例圖 92
圖4.11 三系統廠房建造標準化之衝擊比例圖 93
圖4.12三系統廠房設備建造特徵化之衝擊比例圖 94
圖4.13三系統建廠階段原料使用權重化衝擊比較 95
圖4.14 RO系統特徵衝擊百分比 96
圖4.15 RO系統標準化衝擊百分比 97
圖4.16 HE系統特徵衝擊百分比 97
圖4.17 HE系統標準化衝擊百分比 98
圖4.18 SE系統特徵衝擊百分比 99
圖4.19 SE系統標準化衝擊百分比 99
圖4.20三系統總衝擊權重化比較 100
圖4.21三系統前處理權重化比較 101
圖4.22 RO與HE兩系統電力成本趨勢 111
圖4.23三系統產水成本預估圖 112

表目錄
表2.1損害種類及原因 22
表2.2 Eco-Indicator 99 衝擊類別 23
表2.3 Eco-Indicator 99 損害評估之轉換因子 24
表2.4 Eco-Indicator 99 損害評估之常態因子 24
表2.5權重化轉換因子表 25
表3.1各系統建築物假設 39
表3.2桶槽參數資料 40
表3.3三系統各單元所需機台 41
表3.4三系統前處理水量表 42
表3.5三系統前處理機械設備耗能參數表 43
表3.6三系統前處理投藥量參數表 44
表3.7三系統海水淡化程序水量參數表 45
表3.8三系統海水淡化程序機械耗能參數表 46
表3.9三系統海水淡化程序藥品用量參數表 46
表3.10三系統末端處理水量參數差異表 47
表3.11三系統末端處理機械耗能參數差異表 48
表4.1 SE&HE系統建廠階段原料使用特徵化衝擊 50
表4.2 SE&HE系統建廠階段原料使用標準化衝擊 51
表4.3 RO系統建廠原料階特徵化衝擊 53
表4.4 RO系統建廠階段原料使用標準化衝擊 54
表4.5 SE&HE系統設備特徵化衝擊 55
表4.6 SE&HE系統設備標準化衝擊 56
表4.7 RO系統設備特徵化衝擊 57
表4.8 RO系統機台標準化衝擊 58
表4.9 SE與HE太陽能史特靈碟形特徵化衝擊 59
表4.10 SE&HE系統太陽能史特靈碟形盤衝擊標準化比較 60
表4.11 SE&HE系統建築物衝擊權重化 61
表4.12 RO系統建築物衝擊權重化 62
表4.13 SE&HE系統設備原料衝擊權重化 64
表4.14 RO衝擊權重化 66
表4.15 SE&HE系統太陽能史特靈碟形盤衝擊權重 67
表4.16 RO各流程衝擊特徵化 69
表4.17 RO系統各流程衝擊標準化 70
表4.18 HE各流程衝擊特徵化 72
表4.19 HE各流程衝擊標準化 73
表4.20 SE各流程衝擊特徵化 75
表4.21 SE 各流程衝擊標準化 76
表4.22 SE系統對環境衝擊 77
表4.23不使用次氯酸鈣的情況下SE系統所造成的衝擊 79
表4.24不使用鹽酸的情況下SE系統所造成的衝擊 80
表4.25不使用氫氧化鈉的情況下SE系統所造成的衝擊 81
表4.26各項藥物衝擊影響 82
表4.27三系統總衝擊權重化比較 83
表4.28三系統前處理權重化比較 85
表4.29三系統淡化處理權重化比較 86
表4.30末端處理權重化比較 88
表4.31三系統衝擊權重化比較 103
表4.32太陽能史特靈碟形盤之原料衝擊特徵化 104
表4.33太陽能史特靈碟形盤之原料衝擊標準化 105
表4.34 SE系統太陽能史特靈碟形盤之原料衝擊權重化 106
表4.35三系統各階段衝擊權重化整理 107
表4.36太陽能史特靈碟形盤之原料為回收鋁的情況下三系統衝擊權重化比較 108
表4.37台灣歷年電價 110
表4.38台灣三系統電價評估 110
表4.39台灣近年消費者物價指數 112



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