台電月刊 - 打開電力新視野

淨零排放新技術 混燒氫氨有效降低碳排量

714期

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今(111)年環境月最重大、且令人振奮的消息,便是台電與西門子能源公司簽署「混氫技術合作備忘錄(MOU)」。在2025年前,將於興達發電廠複循環機組的3號氣渦輪機,展開5%混氫的示範發電。

當世界各國都為了節能減碳而努力,開發不同的技術降低碳排放,現階段做為臺灣電力最大供應者的台電,與各主要先進國並進,運用多種工具與技術,規劃淨零排放路徑,努力達成2050淨零目標。

三個面向同步開展 邁向淨零

「2050淨零排放」是一項需要全體總動員的大工程,因此在中央有跨部會組織,台電則有董事長或總經理主持的「電力淨零排放推動會報」,各部門分工合作,以期能在2050年時達成最終目標。

在台電,淨零排放路徑從三大面向著手,在供應面,從電源供應端提高再生能源發電占比、減煤增氣、發展碳捕捉及封存技術等,而燃煤及燃氣發電又可再以替代燃料(如氫、氨、生質能)取代,進一步減少碳排放。

在電網面,則提升基礎建設,優化電網效率並做好能源管理。最後,在需求面,台電則提出具體方案引導用戶改變用電行為,提出足夠的誘因,讓用電大戶能將部份生產行為移轉到離峰時段。設定短、中、長期目標,在不同的面向搭配最新減碳技術,多管齊下,才能在2050年達成目標。

混燒氫氨 與世界同步

世界先進國的碳排量大多來自製造部門、運輸部門及能源部門,而在能源部門類別下的電業,又以火力發電為主要的排碳源,因此改善火力發電過程的碳排量是首要之務。

目前國際上降低火力發電碳排量的技術,以混燒替代能源為主,未來國際發展替代氣、煤之替代燃料主要以氫、氨為主流。比較歐、美、日做法,可發現天然資源和地理位置是混燒氨或氫的關鍵選擇條件。

以歐盟來說,北歐諸國有極佳的天然資源可以發展再生能源,而跨國電網則讓這些再生能源所產生的綠電可以流向歐洲主要工業國。美國亦是相同情況,除了自身國土面積大,可在主要城市外大量建置再生能源機組,北方的加拿大也有充足的水力發電可轉供美國。因此在節能減碳方面,這些國家不需要單打獨鬥,甚至還有多餘的綠電可以電解水以產氫,再加上有足夠的儲氣空間,因此這些國家的研究方向大多著重在燃氣混氫。

相較之下,島國的日本是獨立電網,必須自行生產所需電力,能源仰賴進口、國土面積不大、再生能源亦不足。俗話說「生食都無夠,哪有通曝乾」,日本的再生能源直接供電,無法再有多餘電力可自行生產氫或氨,再加上境內還有不少運轉中的燃煤機組,因此專注在混氨的研究,預計於2050年達到20%的混氨發電。

臺灣許多條件上都與日本相似,在能源供應方面則希望達到多元化,因此混氫和混氨都積極嘗試,除了4月與西門子簽署混氫技術MOU之外,預計於今年底也將和三菱簽署混氨技術MOU。

無碳排混燒 需要前期改造準備

目前台電各種發電方式的占比,以火力發電為最高,約占近80%,火力發電可再分為燃煤、燃氣及燃油三種,其中燃煤及燃氣合計又占了約98%,因此減少燃煤及燃氣的碳排量,將成為台電邁向淨零排放至為重要的一步。

綜合研究所資深研究專員楊明偉博士長期研究以氨和氫做為替代燃料的技術,「氨的熱值和煤相近,可以用1:1的方式混燒,而氫的熱質雖較天然氣高,但密度低,因此同體積下,氫的熱值較天然氣低,但同為氣體可以做不同比例的混燒。」由於氨和氫都沒有碳分子,因此混燒後即可降低碳排。例如因為氨與煤的熱值相近,以20%的氨與80%的煤混燒可以得到與專燒煤相同的發電量,但因為氨的分子中沒有碳,因此發電過程可減少排碳量。

而同體積的氫所能產生的熱值較天然氣低一些,因此需要更多的氫才能達到原本燒天然氣同樣的發電量,「從研究的角度來說,燃煤混氨及燃氣混氫的技術完全可行,甚至未來有可能完全取代傳統的化石燃料。如果能夠專燒無碳的氨和氫來發電,屆時將可實現無碳排的理想。」楊明偉補充說明。

混氨及混氫技術確實可大幅降低發電過程中的碳排放,然而在此之前,台電仍有許多的前期準備工作,例如需要全面檢視現有設備屆時是否還能使用、有哪些機組已不符效益需要淘汰、是否需要建新的電廠,以及新購置的機組與未來需求是否相容等。此外,燃氣混氫的技術與安全性需求更高,現有輸送管路及閥件等都需要一併檢視。換言之,在供電技術轉型的路上,要做的準備工作著實不少。

興達電廠 混氫規劃完善

混氫技術現階段規劃於2025年底前混入5%的氫氣試燒,「興達機組改裝由原廠西門子能源公司負責,包含元件製造、運輸、交貨及安裝,大約就需要2年半的時間。」發電處策劃組機組改善課專員陳亭宏表示,2年半期間內,除了等待西門子能源公司交貨外,台電也必須逐一檢視相關的外部環節,例如運氫槽車停放的空地、氫氣管線和既有管線的設置與組裝等,待一切就緒後,利用機組歲修或定檢停機時,接上管線便可進入實際混氫的測試階段了。

由於氣渦輪機對於熱質變化相當敏感,因此在初期的測試階段,將以小幅度、漸進式的混入氫氣。此外,氫氣來源及供應方式也是目前還待克服的難題。發電處策劃組組長金康強解釋,「目前氫氣來源會以國內氣體公司供應,並以槽車方式運送氫氣,以目前5%混氫規劃,1輛3,000立方米的氫氣槽車可燒約100分鐘,倘若以4輛槽車接力運送氫氣,預計可燒7個小時。考量未來可能的發展,除了引接方式外,目前也正研擬安全及法規等層面應如何調整。」

選擇興達發電廠做示範點,也正是著眼於現階段條件及未來發展的可能性。興達發電廠複循環機組的3號機外有一小塊空地,足以停放槽車並設置管線,未來要進口氫氣,也可以評估由未來規劃之接收站上岸。一旦需要進口,引接所牽涉的議題就更複雜了,「最好還是現地製造、縮短運送距離、不用儲存。」金組長表示,這是混氫技術最好的解方。

林口發電廠 未來混氨示範點

燃煤機組混氨是淨零排放的另一條重要路徑,以林口發電廠做為示範點,初期同樣以5%做測試。由於混氨技術在全球還沒有正式商轉的案例,電源開發處火力電源組楊喬然說:「三菱在日本的燃煤機組目前也在改造中,最快要到2025年才會開始混氨,所以我們會緊跟著日本的腳步,預計在2026到2028年之間投入混燒。」

台電現有的燃煤機組分別在林口、台中、大林、興達四處發電廠,台中發電廠的火力機組將逐漸除役,已規劃用燃氣機組取代燃煤機組,而林口和大林都是在89年後才上來的新機組,後續如再生能源占比提高,這些還在運轉中的燃煤機組便將陸續淘汰或轉為備用機組。

致力環保 台電投入鉅資降空污

使用氨和氫做為替代燃料,是為了減少傳統化石燃料發電的碳排放,自然也需要檢視氨和氫的生產及運輸過程是否產生新的碳排放。

氨和氫與傳統化石燃料最大的不同,在於它是工業產品。化石燃料存在於大自然之中,只要開採再經過運送,幾乎可直接用於發電,氨和氫則需要經過化學製程才能產出原料。陳專員表示,現階段,國內氣體廠能提供給台電的氫氣,是利用天然氣重組而成,只能算灰氫,若在製程中以碳捕捉技術減少碳排,則可以算藍氫,最理想的狀態,當然是以綠氫發電。

「氨和氫是被做出來的能源載體,不是燃料,所以製造的過程也希望不要產生碳排,最理想的狀態是使用再生能源的電力製造出氨和氫。」楊博士舉例,美國加州太陽光電發電量相當大,因此可以利用日間光電充足的時候,將多餘的電力製造生產氨和氫;澳洲也有充足的光電,能用以電解水產生氫氣。利用再生能源生產的綠氨和綠氫做為發電能源,產生的電力自然就是綠電了。

然而混合替代燃料是否減了碳又會造成其他污染物呢?根據日本的研究,燃煤中混氨的比例達20%時,其排放出的氣體和完全燒煤的氣體組成相似,而天然氣混氫組成更為單純,因為氫在燃燒後只會變成氣態的水,不用擔心更多的污染問題。至於氨,可能會在燃燒時形成少量的氮氧化物(NOx),「這也是我們正在研究和實驗的方向,例如改變進料的位置和溫度,就能降低燃燒過程中產生的NOx。」楊博士說。

為解決火力發電時產生的污染物排放問題,林口發電廠機組均已裝設數種後端裝置以減少污染物含量,包括選擇性觸媒還原系統(SCR),將NOx分解為氮氣及水,去除率可達84.7%;粒狀物去除系統(PRS),可有效去除煙氣中的懸浮微粒達99.92%;排煙脫硫系統(FGD)則抽水洗滌煙氣以去除硫氧化物,脫硫效率達95%以上。另外還有連續監測裝置(CEMS),24小時監測排煙狀況。

氮氧化物可以透過後端加裝的設備減低排放量,而混燒的好處則是顯而易見的,氨和氫這兩種替代燃料不僅無碳排,其產生的懸浮物質也比傳統化石燃料低得多。

先進減碳技術 達成階段性目標

在淨零排放的世界裡,再生能源發電為主力,火力發電則是以調度的概念存在,適時補上再生能源的不足。而在達到淨零的最終目標前,供電結構會一直調整與改變,運用不同的配比完成階段性的任務。

然而,截至目前為止,全世界發展出淨零減碳的各種方法,其實都是從既有的技術中研發,例如透過改善元件提升發電效率、設備再利用、儲能、產製原料等。到2030年時或許有機會可以達到減碳50%的目標,但是在2030年至2050年之間要真的達成淨零,楊博士說:「必須要有新的技術,或突破現有思考框架比較有機會。」以無碳的替代燃料混燒,再搭配後端碳捕捉與封存技術,已是目前最好也最先進的減排方法。

台電副總經理徐造華在對外溝通台電淨零排放路徑政策時常表示,自己是水力發電出身,過去要進入山區測量時,背上要背著裝有GPS的大背包,不過是20年左右的光景,現在GPS已經縮小到變成一張可以放在手機裡的晶片。徐副總認為,科技變化相當快速,也值得期待。當全世界都在力拚電力轉型的此刻,台電應跟緊世界的腳步,秉持大膽做夢、務實前進、妥善規劃的精神,思考如何前進,「台電能不能淨零,關乎臺灣能不能永續。」淨零排放是世界共同的未來,是臺灣的方向,也將是台電在本世紀必須完成的使命。

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