工業生態學(IE) 生物地理發生學/ Biogeomorphology

生物地理發生學/ Biogeomorphology

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這門課的名字很長，生物地理發生學討論的是生物加上環境的因素對於水文循環的影響，我沒有水文學的背景，但是因為之前在生態顧問公司工作有遇到相關的課題，所以希望利用這個機會充實一些知識。這門課的範圍包含風與水的侵蝕作用對地景的改變、生物在草原與出海口溼地對水文的影響、森林對於水文循環的影響。上課的學生只有三個人，老師決定用更加互動的方式上課，每次上課前會提供相關的論文，一個人閱讀一篇，在上課時簡報論文內容，一起分析優缺點以及討論文章的獨創性，小班制的教學，老師能有效的提供每個人建議，這個經驗增加我對於論文分析的能力。以下是分享幾個新概念。

森林的功能有兩個新的想法。一般來說森林能保護坡面，因為樹木的葉子能夠減少雨水對於土壤的沖刷，樹木的根部能夠固定土壤增加穩定性並且吸收水分，但是當根部無法支持坡面上樹木和土壤的重量時，會導致坡面崩塌，這個狀況會在樹木根部淺，森林還在生長的時候發生，大規模的坡面植樹更需要注意這點。另外一個新的觀點，區域降水受到鄰近海洋季風影響大於森林面積的影響，Bruijnzeel (2004) 解釋在泰國北部(Nam Pong)雖然森林面積從80%減少到27%，但是夏季季風降雨，使整體降雨量並沒有減少。

目前的水文模型對於生物所造成的影響還沒有辦法有效的評估，若只按照水文學的理論所建立出來的模型比起根據經驗法則所建立出來的模型，因為經驗法則才能相對有效評估生物的影響，準確度差了許多，舉例來說推估河川的含沙量，河川底棲動物的活動會影響到底泥的穩定性，因為難以評估生物的活動狀況，理論評估的結果與實際狀況可能會有很大落差。

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作業討論複層式混植樹木與竹子保護裸露的坡面

Bruijnzeel L.A. 2004. Hydrological functions of tropical forests: not seeing the soil for the trees? Agriculture Ecosystems and Environment (104) 185-228.

混植坡面復育的報告 英文

工業生態學(IE) 都市環境與設施的規劃/ Urban Environment and Infrastructure

都市環境與設施的規劃/ Urban Environment and Infrastructure

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全球的都市人口逐漸增加，都市對於水、能源、物質、交通的依賴也越來越大，同時需求增加的各種資源成本也越來越高，減少都市對資源的依賴是這一門課的學習目標。課程內容包括都市中水、能源、物質、交通的設計，同時也提到智慧電網、政策執行、生活品質考量等相關的內容，最重要的一個環節是如何整合這幾項議題做整體的考量。

課堂的作業是規劃一個在鹿特丹的港區內實際案例，原本一塊港口的腹地(Keilehaven)，因為港口向外遷移，將重新規劃作為住宅區使用，都市規劃位置鄰近鹿特丹與臺夫特，有許多學生與年輕就業者的需求。當地主管單位對都市更新的態度是除非有妥善設計的永續計畫，否則他們也不會進行變更。期末的報告，是各組將整合水、能源、物質、交通的設計和當地主管機關討論。

上課的內容，除了概念原則性的介紹，還有許多實際量化的評估，評估的結果能增加對規劃的政策或是住宅節能效果的瞭解，但是究竟要花多少經費卻沒有提到，導致我們的設計常常採用效果最佳的方式，卻不知道實際執行的阻力，經濟上的阻礙，可能是推動上的一大阻力。

課堂上有多充滿驚奇的案例，荷蘭的社區(EVA Lanxmeer, Culemborg)，設計灰水回收系統(灰水指較乾淨的污水，廁所污水以外的水，如洗澡水)作為園藝用水、廁所使用乾溼分離(尿液與糞便分開處理)、儲存雨水作為灰水或是過濾後作為飲用水使用，尿液不需經過複雜的處理可以作為農業肥料，糞便與廚餘經過發酵產生的沼氣可以作為發電使用，發酵後的產物(slurry)也可以作為農業的肥料，水、能源、農業的整合，是非常令人羨慕的成效。

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我們規劃的分散式水資源處理計畫

工業生態學(IE) 永續創新與社會調試/ Sustainable Innovation and Social Change

永續創新與社會調試/ Sustainable Innovation and Social Change

上學期的社會系統的政策管理最後有提到共同演化(Co-evolution)，概念是政策會影響社會運作，運作的結果會回饋到政策擬定，共同演化的概念延續到社會創新的課程。這一門課的兩個方向，第一個部份是討論新的永續創新科技要如何推廣到社會中，社會要如何改變，適應新的創新科技，兩個社會學的分析架構用於這個議題的討論：功能性分析創新系統(Functional Innovation System, FIS)和策略性的利基管理(Strategic Niche Management, SNM)；第二個部份是變遷管理(Transition management)，在瞭解推廣過程中發生的問題之後，以一個長時間的角度(大於十年以上)來看問題的核心，提出二十年後的願景，往回推建立這數十年階段性的目標，規劃時間長的優點是有充足的時間做改變，能夠從問題的根本開始考慮，提出給解決方案(Think out of box)，如果未來的規劃影響既得利益者，這個阻力因為有足夠的時間做調試，避免正面衝突。

這一門課的作業是研究永續創新案例，我們的題目是肯亞的沼氣(Biogas)燃料推廣。分析的工具是功能性創新系統(FIS)，它的理論是分析創新的過程組織結構是如何隨時間改變，而創新系統(Innovation system)能夠被成功推動，表示它的功能性指標已經蓬勃發展，例如足夠的資金與人材、充分的研究、相關的知識傳播網路已經成熟等等，由文獻的回顧與資料的搜尋可以觀察不同功能的發展狀況。肯亞沼氣燃料系統無法成功推廣，問題在於當地人沒有足夠的資金購買設備、沒有足夠的認證技師可以架設發酵設備(Biogas plant)，因此市場的發展腳步很慢，相關的產業無法帶動，也沒有國家整體性的推廣計畫，由於這幾項功能沒有被滿足，所以已經推廣四十年的肯亞沼氣燃料依舊成功。瞭解問題之後，應用變遷管理(Transition Management)的思考如何改善，如果有二十年的時間可以規劃沼氣燃料的使用，我們認為沼氣設備的建立，對肯亞有許多優點，分散式的設備讓幅員廣闊的肯亞不需要建設長距離管線設計，分散系統可以創造當地工作機會，設備的維護也需要人力，另外我們考慮未來的發展應該要讓這個系統的原料可以供應的更穩定，研發不同的原料使用(如農業廢棄物、家庭有機廚餘)、資金補助、市場建立、合格技師的認證制度，二十年後的肯亞將是家家戶戶都有穩定的沼氣可以使用，依據這個願景我們擬定了其中的階段性目標。值得一題的是變遷管理是希望能夠影響(stir)未來的發展而不是控制未來的發展， 藉由一次又一次利害關係人工作坊的討論，按照步驟由問題擬定、願景規劃、階段目標的設計，過程能夠讓不同組織之間瞭解彼此的立場，並且從中學習達成長遠的目標。


修改後的功能性分析架構(Adapt FIS)

工業生態學(IE) 永續科技的設計/ Design of Sustainable Technological systems

永續科技的設計/ Design of Sustainable Technological systems

這一門課主要包含的概念有產品生產的流程如何納入永續設計的想法、計算工廠使用物質與能量的平衡、水資源與熱能交換的優化(Pinch Technology)、綠色化學的概念、增強製成的效率(Process Intensification)。這門課特別之處是學習到一個產品從概念設計到量產完整的概念，和各階段可以改進的地方。

專案管理(Project Management)，其中重要的精髓就是專案設計的過程要盡可能回顧最根本的動機，因為細部設計定稿之後執行計畫能夠調整的幅度不大，要確定一開始的動機有被貫徹。

水資源與熱能交換的優化(Pinch Technology)是念工業生態學之前最想要瞭解的內容之一，它的內容以熱能交換為例，計算將多餘的熱供給需要加熱的部份，可以避免多餘的能量花在加熱與降溫的能源使用，同樣的計算邏輯也可以用在水的使用。上完之後會覺得有點遺憾，因為沒有一個完整的案例可以操作，雖然理論上是可以減少資源的使用，但是管線與熱交換的設備所需要的花費沒有被考慮，沒有辦法估計可以回本的時間，如果可以增加討論實際應用會面臨到的阻礙，例如成本考量、工廠的整體製成調整，對於未來使用這個概念會更有幫助。

增加製程的效率也是新的概念，隨著能源與原料的價格提高，工廠必須更有效率的使用資源降低成本，許多增加生產效率的方式被提出來應用，例如改變反應槽的設計，槽內添加許的小的隔間，增加催化劑與反應物的反應面積，反應槽體積就可以縮小同時擁有相同的效率；酵素的催化劑可以讓副產物的量降低，也讓反應可以在室溫下進行；利用微波加熱可以精準的提供能量給特定的化合物反應，減少額外熱能的使用。這些有潛力的方法，已經被使用在某些化工廠中(例如DSM)，隨著原物料的價格提高，將能夠刺激新製程的使用。

工業生態學的應用有許多優點，增加工廠的安全性、減少能源原料的使用、減少廢棄物的產生，但是至今為何沒有效的落實，有幾個關鍵性的原因：工廠的投資已經回本， 即使舊制程會比新制程產生更多污染， 只要工廠繼續營運，仍然有可觀的利潤，工廠不會想要做改善；新制程的研發速度過慢，無法應付市場的改變。政府必須扮演重要推手，給與工廠改善的動機，例如提高工廠放流水的標準、新制程的補助，將有助於減少工廠對於環境的污染。


工業生態學應用的範疇

工業生態學(IE) 地球系統 / System earth

地球系統 / System earth

光看這門課程的名稱，就知道這個主題包羅萬象，不只談全球暖化， 地球工程處理暖化問題(Geo-engineering or Earth system engineering)、氧、碳的循環、大氣與海洋的循環系統、系統中的複雜性、外來種入侵、基因改良作物、天然資源對發展的限制、道路對於生物棲地的切割效應、鯨豚的保育都包含在內。總體來講是在探討物理系統(Physical system)與象徵系統(Symbolic system)的交互影響。


工業生態學處理物理系統與象徵系統重疊的部份

自然資源對於再生能源發展的限制是容易被忽略的議題。試想如果有充足的經費，將所有非再生能源（燃煤與燃石油）發電的能源用最高效率的太陽能與風力發電取代，是否能夠解決能源問題？儘管再生能源發電表面上看起來是合適的發展方向，一旦設備完成架設之後，電力就能夠源源不絕的產生，暫且不討論每年實際能夠運轉的時間與能源穩定性，隱藏在高效率的太陽能與風力發電背後的是貴重金屬的使用尚未被重視。目前預估的貴重金屬蘊藏量並無法製作足夠的太陽能板與風力發電機取代非再生能源發電(Kleijn and van der Voet, 2010)。發展不需要貴重金屬的再生能源是須要被重視，利用充足的礦源作為太陽能板的主要材料，另外盡可能發揮貴重金屬的使用效率，例如回收電子器材內的貴重金屬，這裡也要注意回收過程能源的使用，如果投入的能源與資源大於採礦，也不是合適方法。

另外一個特別值得討論的是利用地球工程處理暖化問題，到底是否該使用？地球工程減緩溫室效應主要有兩個方向，減少地球吸收太陽光(Solar Radiation Management, SRM)與移除溫室效應氣體(Carbon Dioxide Removal, CDR)。減少陽光的吸收可以藉由增加沙漠對於太陽光反射、增加大氣中水氣或是空氣懸浮粒反射陽光(例如火山爆發釋放大量氧化硫(SO2)氣體，造成溫度降低的現象)；移除溫室效應的氣體可以利用森林固碳、海洋培養海藻吸收二氧化碳、或是直接將空氣中的二氧化碳以人工的方式固定在地殼中如碳捕捉(Carbon capture storage)。有人贊成使用地球工程，因為減緩地球暖化策略還沒有效進展，美國和中國兩個最大的排放國對於減量的程度都還沒有明確的共識，所以使用地球工程是目前迫切必須採取的手段。反對的人則是站在對於地球工程不可預測性的風險，全球都會受到影響，加上可能的不可回復性，例如採用增加二氧化硫在大氣層中的濃度，作為降溫的方式，可能因為錯估氣體施放量，造成地球溫度過冷，啓動冰河期的機制。我的看法是，地球暖化的程度還不知道，已經突破多少不可回復的臨界點還在評估當中 ，例如冰川的消失、北極的冰山融化 ，還剩下多少年會永久改變海洋或大氣循環。對於住在面臨暖化威脅地區的人，他們一定在乎地球工程一旦失敗，海平面上升的威脅，但是另一方面，如果明明知道能有效減緩的措施而沒有執行，不也是對這群人不公平呢？不能夠限制地球工程的發展，因為這是最後一道防線，能夠在發生最糟的狀況之前採煞車，及早研究衡量使用地球工程可能的衝擊，同時另外一方面更需要去瞭解現在暖化離最糟的情形還有多久，才能判斷啓動地球工程的時機。


Kleijn R., van der Voet E. 2010. Resource constraints in a hydrogen economy based on renewable energy sources: an exploration. Renewable and Sustainable Energy Reviews(14): 2784-2795.

工業生態學(IE) 分析工具與方法學 / Analytic tools and methodologies

分析工具與方法學 / Analytic tools and methodologies

這一門課是工業生態學最主要的基本功，強調以系統性的思考分析產品、製程或是人類活動對於環境的影響。上課的內容主要是說明生命週期分析(Life-cycle assessment)與物質流分析(Material flow analysis)這兩個工具。

生命週期分析，生命週期是指從產品所需要的原料、運輸、製造、儲存、丟棄的這一連串過程，分析所需要的能源、原料量化成對於環境的衝擊，例如溫室氣體效應(Global warming potential)、優氧化影響(Eutrophication)、土地改變使用的影響(Land-use change)等。分析的第一步就是要定義功能性的單位(Functional unit)作為比較的基準，例如比較同樣大小厚度的紙袋與塑膠袋，哪一個對於環境影響衝擊大；一公升的廢食用油製成的生質柴油與石化柴油，何者對於環境衝擊大。另外一個重要的步驟是定義資料盤查系統的邊界，因為已經有許多生命週期的資料庫可以提供的資料，例如不同運輸工具的二氧化碳排放量、在美國生產一公斤玉米的原料消耗，所以要明確說明哪些資料是從研究的系統提供。

另外生命週期分析的作業是比較油菜種子(Rape seed)和牲畜糞便(manure)發電產生的衝擊，油菜種子油是學習如何使用網路上生命週期資料庫的資料，牲畜糞便的資料則是分析作業提供的資訊，作業的模練習對瞭解如何使用生命週期的分析軟體和資料的輸入有很大的幫助。

物質流分析(Material flow analysis)是瞭解界定的系統內物質輸入輸出的情形，以及是否有物質在系統內累積，作為政策分析的工具。物質分析(Substance flow)的作業是分析氮在農作物系統內的分布，氮的來源包括從大氣中以化學方法固氮作為肥料、牧草輸入、植物生長、動物消耗牧草、氮釋放到大氣與水中，分析的結果發現因為現在高比例的肉類食用須要大量氮源的輸入(如牧草或是大氣固氮)，另外大量氮源輸入也造成大量釋放氮到大氣與河川中，以氧化亞氮(N2O)會造成溫室效應，硝酸鹽(NO3-)會造成河川優氧化。同學提出改變飲食習慣的建議，減少肉類食用是最直接有效的方法，另外一個方式以昆蟲作為蛋白質來源，因為昆蟲不需要大量的牧草，轉換牧草變成蛋白質的效率比牛豬高很多，模擬飲食習慣改變後的結果都能增加對於氮的使用效率。



Why not eat insects, Marel Dicke, TED talks
http://www.ted.com/talks/lang/eng/marcel_dicke_why_not_eat_insects.html

工業生態學(IE) 再生能源/ Renewable Energy

再生能源 / Renewable Energy

隨著全球人口增加，能源需求也隨之提高，預估在21世紀末能源需求是目前的8-16倍，此外目前能源供應以非再生能源的石化燃料為主，在石化能源的蘊藏量逐漸減少的情況下，再生能源更顯得其重要性。課程的內容主要介紹各種不同再生能源的發電原理以及發電效率、電力系統的基本介紹，包括太陽能、風力、生質能、海洋溫差發電、核能、燃料電池不同能源類型。

多種能源原料輸入多種能源產品產出的概念是其中最特別的一個部份(Multi-sources Multi-product)，目的是以不同能源原料的組合發揮最大的效用，最簡單的例子是汽電共生發電，使用石化或生質燃料同時產生熱蒸汽與電能。應用在再生能源上，以風力發電與燃料電池兩種能源系統結合(Superwind)為例，風力發電不足時，可以使用燃料電池補充不足的部份，燃料電池可以快速啓動的特性很適合與能源供應不穩定的再生能源結合，當風力發電能源過剩，則可以將能源儲存於氫氣中，作為燃料電池的能源。應用在太陽能上，當太陽能板發電效率最高時也是太陽能板溫度最高的時候，溫度增加減少發電效率，若能結合太陽能熱水器的概念，利用水帶走熱能，得到的熱水可以用於需要熱水的功能，兩者結合能增加發電效率。

Superwind 概念圖

Superwind 的可行性研究報告 下載