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燃煤發電也可以減碳!淨煤與CCS技術

2016/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 1753

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撰文/鍾嘉雯
受訪/國立清華大學化學工程學系 談駿嵩教授

在臺灣2015年的發電量中,台電火力發電量占比78.4%,其中燃煤就占了35.7%,高居首位!煤炭價格穩定低廉,在發電與燃料方面都占據重要地位,但火力發電產生大量污染,不可不防,在再生能源占比仍低的情況下,降低煤的污染便極為重要。本篇封面故事專訪能源國家型計畫減碳淨煤主軸中心召集人、任教於清華大學化學工程系的談駿嵩教授,說明減碳淨煤技術的關鍵。

2015年台電系統發購電量2,191億度, 其中火力發電量占比達78.4%,燃煤35.7%、燃氣35.1%,已占所有發電量7成,另汽電共生亦幾乎全部用燃煤;所以煤的重要性,不言可喻。同樣是進口能源,天然氣比煤炭更乾淨,為什麼還需要用煤?

用煤之必要,淨煤之必要

使用能源時,必須考量能源安全、能源成本與減少碳排放量。什麼是能源安全?我國能源97.8%仰賴進口,煤炭安全存量法定30天,天然氣法定儲槽天數15天,因此,煤炭之安全調度相較於天然氣更為穩定與安全。談教授認為煤炭便宜、存量久與來源穩定是其優勢,對缺乏能源的臺灣使用天然氣並不那麼看好,「發1度電,煤的成本約新臺幣1.2元,天然氣雖然降到2.7元,還是煤的2倍多。」

而關掉燃煤機組改成燃氣機組,也成為一個選項。國際能源總署(International Energy Agency, IEA)提出更換燃料以減少CO2排放,但是電廠無法直接從燒煤改成燃氣,若重裝新機組,經過審查,需1年左右方可上線,但若新建機組,可能就要花8年以上,將緩不濟急。

從能源安全與能源成本考量,燃煤電廠都是目前無法取代的選項。「燃煤電廠之改善要從幾個著眼點去看,第一個,提升他的發電效率;第二個,發展淨煤技術,都是持續用煤、又能減碳的好方法!」談駿嵩教授點出能源使用的關鍵。

數字會說話,提升發電效率就靠超超臨界

如何讓煤炭能夠零碳排放?談教授拿出了零碳排放的產業結構圖(圖2),在煤炭燃燒排出CO2之前,燃燒前排放的「新燃燒系統」是第一步。以「超超臨界粉煤發電」為例,目前台電公司使用次臨界燃煤發電機組,發電效率約為35.5%,若逐步汰換為超超臨界燃煤發電機組(Ultra-Supercritical Combustion, USC),在燃煤品質與發電量相同的前提下,發電效率直接提高至45%,每部800MW USC機組每年可減少48萬至56萬噸的CO2!

「燃煤電廠的目標是將CO2排放量降到燃氣電廠的標準,如果發1度電,目前使用燃氣約新臺幣2.7元,產生450公克CO2;使用燃煤約1.2元,產生780公克CO2,1 萬度電的差距就是15,000元及3.3 噸CO2。即使我們高估一點,花2千元來捕捉1 噸CO2,最多也不超過7千元。因此使用燃煤電廠,每發1萬度電還多出8千元可以發展再生能源跟碳捕捉技術。」談教授以此數字說明使用與研發淨煤及捕碳技術的好處。

除了USC,新燃燒技術還包括:

一、氣化複循環發電(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC):IGCC屬於潔淨發電,且可以燃燒裂解產生氫氣。

二、化學迴圈程序(Chemical Looping Process, CLP):利用氧化還原反應,先將金屬氧化物與燃料反應後變成CO2、H2和還原後的金屬,再將還原金屬送進另一反應器與氧反應成為金屬氧化物,兩步驟持續循環、形成迴路,產物只有CO2和水,沒有污染。

三、富氧燃燒(Oxy-fuel Combustion):使用純氧代替空氣做為燃燒燃料過程中的主要氧化劑,可降低燃料的消耗,並可減少燃燒所產生的氮氧化物(NOx)量。

四、燃料電池三複循環發電(Integrated Gasification Fuel Cell, IGFC):整合IGCC與燃料電池,發電淨效率預估可提升至48~49%以上,且具有碳捕捉功能。

五、超臨界CO2渦輪發電系統,此系統之熱電效率較傳統的朗肯循環(Rankine Cycle)高出至少10%,但所需體積遠小於朗肯循環。

以上技術各具特點及潛力,但仍處於試驗階段,尚未應用於大型發電。

CCS─碳捕捉與封存

新燃燒技術再努力發展,仍舊會產生CO2。將電廠與工業廠排放的CO2分離捕捉、運輸、封存甚至再利用,可能將發電廠的碳排放量減少85~90%,是最接近實用與商業化的減碳技術。

碳捕捉有吸收、吸附、薄膜和冷凝等方法,吸收分為物理及化學吸收法,目前最廣為使用的即是化學吸收法,美國能源部訂出化學吸收法技術的四項目標:一、碳捕捉效率高於90%;二、增加之發電成本不超過35%;三、再生能源耗用小於2.0 GJ/ton CO2(歐盟對化學吸收法訂定之2015年目標值);四、減少吸收劑散失於環境中所造成的污染。

發電成本跟能源耗用,都是碳捕捉技術可努力的空間,至於效率提升,談駿嵩教授說起7月與前任美國能源部主任助理部長Dr. Der會談時提出的看法,認為更應該重視捕捉總量:「捕捉效率愈高愈困難,你要求碳捕捉效率高於90%,我可能1天捕捉1萬噸,但我效率低一點,捕捉量可以達到1萬2千噸,減碳量反而增加,豈不是更好?」至於吸附法主要是使用含胺化合物之固體吸附劑,其吸附力雖有限,但可解決吸收法所面臨的腐蝕問題且可再生,目前較適用於中小規模的碳捕捉。薄膜技術具省能源、低污染、操作又簡單等優點,但較難分離氮氣與CO2,在技術上仍須努力。

碳封存則有四種技術:海洋封存、陸地封存、礦物封存與生物封存。「歐盟在《倫敦公約》裡明定禁止海洋封存,為什麼?海洋本身是個很大的CO2儲存地,大部分的CO2都流到海裡,但如果人為打入CO2,CO2是酸性的,會改變海洋的酸鹼值,很可能影響到海洋的生態。」陸地封存則分兩種,一是打入鹽水層,將CO2注入1千至3千公尺深的鹽水層中,讓鹽水固定住CO2;二是結構封存,在原本含有油、氣及煤的穩定地層中,在取出油氣煤後,將CO2灌進去。談駿嵩教授以挪威為例,挪威已在北海將CO2打入海底的鹽水層裡封存,每年100萬噸,雖在海底,但仍算是陸地封存。至於礦物封存跟生物封存量仍舊有限,若科學家能確定光合作用的機制,未來就可將CO2轉換成化學與能源產品,仍值得發展。

只不過,碳封存在臺灣仍面臨一些難題,談駿嵩教授說明,「我們本來打算在永和山的天然氣場址試行封存,理論上在能生產油及氣的地層結構中注儲CO2是安全的,但民眾會擔心可能誘發地震,因此提供足夠的資訊再加上建立完整的監測系統,是在注儲CO2前必須要做到的。」

捕碳再利用─海洋牧場與植物工廠

CO2的利用其實很早就有,肥料產業將CO2做為肥料的成份─也就是尿素,全球有1億3千萬噸CO2做為生產尿素的原料。但全球要減的碳可不只1億3千萬噸!

CO2還能做什麼?近年來許多國家提出植物工廠或海洋牧場之概念,植物工廠藉由捕捉的CO2進行溫室栽培而增加植物生長的速率,談駿嵩教授提及之前一位日本大阪大學的教授,以植物工廠種植萵苣,賣給當地的速食店(Subway);而臺灣則有成功的蘭花養殖體系,雖然用掉的CO2不多,仍有發展空間。

海洋牧場則可將電廠及鋼廠所產生的飛灰或爐渣,其中含有藻類生長所需之礦物質如鐵、鈣、鎂等,做為海底人工魚礁或藻礁的基材以供海洋生物棲息。海洋牧場系統整合CO2及含氮、磷的廢水再利用,也可於魚礁或藻礁上培育巨藻以及培育可獲得高值化產品或製備生質能前趨物的微藻,系統運作所需之電力則可完全由再生能加以提供。

不過談駿嵩教授認為微藻應在可控制範圍內發展,「微藻未來是希望在室內培育,有人問,微藻有沒有可能變成無法控制的怪獸?有可能,所以我們也希望微藻能在可控制的系統裡培育。」基於臺灣的氣候很適合培育微藻,如再搭配已成熟的LED產業,即使在晚間沒有陽光時,以LED所產生的特定波長光線亦可以培育微藻,甚具發展潛力。

能源國家型計畫的捕碳進行式

能源國家型計畫目前已發展至第2 期,國內學研界透過計畫開發出CO2捕捉之自主技術,如化學吸收法搭配超重力製程、高鹼性工業廢棄物搭配超重力製程及鈣迴路製程等,同時促成中鋼、台塑、台泥、長春等公司投入技術研發並建立示範工廠,做為產學研技術合作之平臺,未來也有機會與國際競爭或技術輸出。

在CO2再利用方面,國內已有許多公司利用超臨界CO2做為綠色溶劑進行萃取,且為全球創舉,例如我國的五王糧食公司即為全球第1 家使用超臨界CO2純淨稻米的公司;另東聯化學及長春石化也是亞洲首例以CO2為原料並量產之化學工廠,每年共可消耗60萬噸之CO2,年產值達220億元,其他一些化學公司也開始投入CO2轉化生產化學產品之研發。此外,綠茵生技已在成功大學投資建立一總量300噸之開放式微藻培養池,是國內最大的戶外微藻培育平臺,台電、中鋼、台泥及華紙等公司則與學界合作開發,利用煙道氣中之CO2培育微藻,並研發微藻產製健康產品與生質能之技術。中鋼公司另與成功大學及海生館共同投入海洋牧場之研發。在再生能源100%發展之前,我國的淨煤與CCS技術,仍然要與國際看齊、向前邁進!


關鍵字:減碳淨煤,能源安全,能源成本,CCS

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