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效率與減碳並進 火力仍為主流發電技術
[作者 王明德]   2018年05月24日 星期四 瀏覽人次: [1566]

能源問題一直是全球各政府的重點政策,在經濟發展與環境保護兩端的議題拉扯下,各國都希望能找出平衡點,不過在目前技術下,各類型發電技術對環保問題都仍難以完全克服,因此目前只能期盼技術繼續精進。


就技術面來看,目前全球主要的發電技術有3種,包括火力、核能與再生能源(太陽能、風力),這3種方式中,火力發電是現在電力的主要來源,佔全球發電量超過1/3,火力發電的來源包括煤、油、氣等3種,其中燃煤是主流,佔全球總發電度數約為40%,天然氣次之,約為20%,石油近年大為降低,主要應用於交通運輸,大約只有5%;再生能源是第2大電力來源,生產的電力度數約佔20%,其中水力發電約為16%,風力、太陽能、地熱、海洋能總和則在3%左右;至於核能則是第3,目前全球共有440核座能機組,台灣有6座,共生產全球13%的電力。


電力技術研發須兼顧環保

由於各種模式的電力產生都必須借助自然能源,因此資源的多寡決定了國家的能源政策,以水力發電為例,挪威、巴西、尼泊爾等國的水力發電佔有90%以上的發電量,紐西蘭佔80%、加拿大也有50%,不過水利資源豐沛的國家終究只是少數;以能源來說,蘊藏量最豐富且最為平均的仍是煤礦,目前包括美國、中國、印度、澳洲、南非等,都是煤礦出口大國,這些國家國內的燃煤發電也佔有90%以上,不過燃煤帶來的碳排放也是這些國家目前急欲解決的問題。至於台灣,由於能源極為匱乏,天然氣、煤、鈾等都必須靠進口,目前進口能源佔使用量的99%以上,是目前全球人口超過1千萬的國家中,自產能最少的。


就如前文提到,目前的電力技術發展必須兼顧環保,在此前提下,減碳成為新世代能源技術的必要設計,而觀察目前各國對發電技術的倚賴程度,火力發電在可預見的未來仍會是主力,因此要在經濟與環保中取得平衡,火力發電技術的改善勢在必行。



圖1 : 火力電廠排放煙氣中的碳比例過大,要完全去除難度非常高。(source:Financial Tribune)
圖1 : 火力電廠排放煙氣中的碳比例過大,要完全去除難度非常高。(source:Financial Tribune)

火力發電可分為兩類,一種是純發電,也就是一般人所知的發電廠,另一種則兼具發電與供熱用途,也就是汽電共生廠,純發電的火力發電廠又分為傳統型火力電廠與複循環發電廠兩大類,傳統型火力電廠的原理是透過石化燃料的燃燒提供熱能,將鍋爐中的水煮沸蒸發為540℃~620℃的水蒸氣,再將水蒸氣引入汽輪機中膨脹做供轉換為機械能,以此轉動機內葉片帶動發電機發電。


傳統與複循環火力發電

傳統火力發電是由熱能轉換為電能,因此可用卡路里來換算,1度電大約是860大卡,一般發電技術會以能量轉換的消耗率來計算發電效率,傳統火力發電是將石化原料燃燒產生的熱能轉換為水蒸氣,這部分是熱能之間的轉換,因此效率極高,可達到90%左右,但是下一步透過水蒸氣膨脹轉換為機械能,其效率就會降低,要提高這部分的效率,就必須讓水、汽的溫差加大,目前全球火力發電廠的效率大約為43%,寒帶國家的則會略高,而現在各國政府與產業在火力發電技術的首要工作就是提升效率,因為提升效率意謂用更少的燃料發出更多的電,如此不但可以省下發電成本,也減少了碳排放。


前面提到,傳統火力發電廠要提升效率,必須擴大水、汽的溫差,現在的作法是希望可以將水蒸氣的高溫提升到接近700℃,不過高溫對鍋爐材質帶來嚴苛考驗,因此現在耐熱材料的研發,是電廠設計者的艱難課題。


除了傳統火力電廠外,另一種火力發電技術是複循環發電,這種發電方式是先在氣渦輪機中燃燒天然氣,進而帶動發電機發電,不過在氣渦輪機中燃燒的天然氣會排出高溫煙汽,因此會將此煙汽導入廢熱鍋爐,這部分就像傳統火力發電一樣,利用煙汽熱量加熱鍋爐中的水,使之產生水蒸氣,再將水蒸氣印進氣輪機,利用膨脹推動葉片,帶動發電機,這整道流程中包括氣渦輪機與汽輪機兩處都會發電,因此稱之為複循環發電,複循環發電由於利用了天然氣的熱能,因此發電效率高於傳統火力發電,在固定環境條件下,效率可達60%。


前處理與後處理碳捕捉技術

火力發電雖然是現在應用最大的發電方式,不過對環境的汙染也最嚴重,因此火力電廠的排碳捕捉與貯存就成為新世代火力電廠的設計重點(Carbon Capture and Storage;CCS),就目前的工程技術來看,CCS並非難事,其技術在碳捕捉方面有後處理、前處理2種主要方式,貯存則有地層封存與海洋封存2種方式。


後處理方式是用於傳統火力發電廠,傳統火力發電會將鍋爐中的煤與空氣中的氧結合釋出能量,其過程中就會產生二氧化碳,燃煤電廠在排出二氧化碳前,會經以空氣品質控制系統(Air Quality Control System;AQCS)濾除煙器中的硫、硝與懸浮顆粒,降低對環境的危害,AQCS是燃煤電廠的重要投資,其金額高達整廠總投資的1/3,由於這類做法是在煙器產生後才去除二氧化碳,因此稱之為後處理,後處理的問題是設備成本高,而且效率不彰,因此業界後來研發出前處理技術。


前處理技術主要是應用於IGCC電廠(整合煤碳氣化與複循環發電系統),IGCC中的CC(Combined Cycle)就是前面提到的複循環發電,若將煤在與空氣阻隔的高壓氧化爐中與有限的氧氣、蒸氣一起產生化學作用,就會出現合成氣(Syngas),合成氣的主要成分是一氧化碳與氫氣,一班IGCC廠就是以合成氣作為燃料轉動氣渦輪機,而若在過程中先燃燒合成氣,則會出現二氧化碳與氫氣,在這個階段先去除二氧化碳,再將氫氣導入氣渦輪機發電,這個過程就稱之為前處理,前處理的優點是去二氧化碳的效率較高且成本較低。


碳封存問題仍大

碳封存則是儲存由煙氣中回收的二氧化碳,其技術包括則有地層封存與海洋封存,地層封存目前證明可行的方式,是將二氧化碳打入廢棄油田中儲存,目前許多石油公司在油田的油源逐漸枯竭之際,就會將二氧化碳打入油井中,增加地表下石油的流動性,進而提升產量。



圖2 : 地層封存目前證明可行的碳封存方式,作法是將二氧化碳打入廢棄油田中儲存。(source: ScienceNews)
圖2 : 地層封存目前證明可行的碳封存方式,作法是將二氧化碳打入廢棄油田中儲存。(source: ScienceNews)

目前全球每年有超過4千萬噸的二氧化碳打入油田,不過這只是石油公司為了提升產能所衍生出的程序之一,碳封存在此並非主價值而是附加價值,至於海洋封存則是將二氧化碳打入超過3千公尺深的海底,由於在此環境下,二氧化鈦會轉換成液體,且比重大於海水,因此不會浮出水面重返大氣層。


CCS目前在技術面已然克服,封存的環境也已找到,不過整體推動仍有障礙,其障礙主要在於規模與成本,其次則是封存地點,規模與成本的障礙點在於現在電廠所排出的二氧化碳數量太大,即便火力電廠設有AQCS,但其排放煙氣中的碳比例過大,要完全去除難度非常高。



圖3 : 新世代的電力設計必須兼顧環保。(source:Greengage)
圖3 : 新世代的電力設計必須兼顧環保。(source:Greengage)

現在的做法是在電廠旁興建二氧化碳回收廠,但問題在於這個回收廠也必須具有一定規模,而且也會對電能消耗量也相當大,為了回收電廠所排放的二氧化碳,新的回收廠往往需要消耗原電廠1/3的電力;以美國為例,每年燃煤的二氧化碳排放量約為19億噸,以桶裝石油計算,等於每年要處理4千萬桶石油,台灣每年的二氧化碳則是1億5千萬噸,比每年石油使用量高出10倍。


目前全球光是為了捕捉封存每年燃煤發電所產生的二氧化碳,就大於每年的石油產量,而這還未計算二氧化碳打入地層或海洋後,對環境造成的影響。整體發展來看,CCS仍是短期間減少碳排放的主要方式之一,但若要根本解決碳排放問題,再生能源會是較佳的方式。


**刊頭圖(source: Royal HaskoningDHV)


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