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【圖解】「去碳燃氫」夯什麼?為何中研院、台電都瘋?一文看跟天然氣差在哪

文章來源: 【圖解】「去碳燃氫」夯什麼?為何中研院、台電都瘋?一文看跟天然氣差在哪 | 能源環保 | 數位時代



「能源科技的創新將是台灣邁向淨零的關鍵。」蔡英文總統曾為中研院與台電合作的「去碳燃氫發電技術」站台說道。台灣約7成碳排來自發電,為推動2050年淨零排放的目標,發展低碳電力至關重要,其中氫能發電備受矚目。

目前台灣仰賴燃煤、天然氣發電,兩者占近8成的發電比例,雖然天然氣的排碳量較燃煤發電低,仍屬高碳排的發電方式。

匯聚頂尖科學家到中研院團隊致力研發把天然氣轉變成氫氣的技術,並應用到台電商用發電機。2023年9月,中研院聯手台電成功發出「去碳燃氫」的第一度電,為氫能發電跨出重要一步。



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優於傳統天然氣發電?

「去碳燃氫」字面上看似繞口,但若從化學式來看很容易理解。天然氣是由甲烷(化學式CH4)組成的氣態化石燃料,去碳燃氫是指在天然氣燃燒發電前,就先把碳(C)、氫氣(H2)分開,提早阻絕二氧化碳的生成,產製的氫氣可做為發電及工業使用,初期應用混氫燃燒發電;碳黑則可用於精密、高產值化工業生產原物料。

相較市面上95%製氫方式為「灰氫」,為天然氣搭配水蒸氣重組法,會產生二氧化碳副產物。換言之,低碳是去碳燃氫技術一大優勢。

不過代價是,為了把天然氣中的氫氣、二氧化碳分離,過程須耗費大量的能量。

去碳燃氫的裂解方式可分為電漿、熱能2種。熱裂解必須加溫到1000至1200度;電漿溫度大約1700至2000度。雖然電漿較為耗能,但它的技術成熟度高,產量也較多,目前中研院2種技術都有發展。


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氫能發電能有效減碳?

對台電來說,為了降低發電的碳排,台電在2022年4月與西門子能源公司簽署「混氫技術合作備忘錄(MOU)」,預計2024年達成高雄興達電廠燃氣機組混氫5%發電示範。以氫氣替代5%天然氣,每年可減少超過7000噸碳排放量。

之所以需要燒氫氣,在於氫的組成成分不含碳,燃燒後不會有二氧化碳的產生。不過初期燃氣機組並沒辦法大量混燒氫氣,現階段混燒氫氣比率為5%,主要是需要花時間調教設備;在氫氣的取得上,台電除了向氣體供應商購買外,中研院也提供少量的去碳燃氫原料。

最重要的是,氫氣要進入到機組燃燒,須符合氫氣的品質要求,例如氫氣純度要達到98%以上,中研院與工業氣體製造商聯華氣體合作,提升氫氣的品質要求。中研院永續科學中心執行秘書陳于高表示,「去碳燃氫將從實驗室進入工廠的生產規模,須顧慮到安全規範及生產效率。」

大家最在意的降低發電碳排,「去碳燃氫」的減碳效益有多大?去碳燃氫介於藍氫與綠氫之間,又稱為藍綠氫(turquoise hydrogen)。

藍氫是透過天然氣製氫,所產生的二氧化碳,再搭配碳捕捉技術,降低碳排量;綠氫則是透過太陽能、風能等再生能源,把水電解產生氫與氧,是真正的零碳排氫能。因此藍綠氫的碳排比藍氫低,但比綠氫高。

根據歐盟對低碳氫的認定為,每生產1公斤氫氣,產生的二氧化碳低於3.4公斤。對台電來說,只要是低碳氫都可以使用,主要仍視價格成本來採購,藍氫、藍綠氫、綠氫都屬低碳氫。

台電綜合研究所能源研究室組長周儷芬表示,「綠氫是目前公認最環保的氫能發電方式,但綠氫生產成本高,國內再生能源也不足;因此在取得綠氫前,各種氫氣來源台電都會評估。」不過,去碳燃氫要走到大規模商轉部署,首先得克服規模化的問題。


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商轉2挑戰:規模化、固態碳

興達混氫示範機組為91MW(千瓩),相較目前去碳燃氫所應用之65kW(瓩)混氫微型氣渦輪發電系統,規模差了1000倍以上,怎麼把規模放大、提升裂解效率,是中研院目前最大挑戰。

其次,還需要處理大量的固態碳。陳于高指出,固態碳用途多,可作為碳黑、石墨與備用能源,目前中研院已與多家業者洽談固態碳如何加值再利用。據官方估算,每噸天然氣可產生0.75噸碳黑,可帶來7,500元的碳黑收入。

周儷芬坦言,氫能發電還不是成熟的技術,處在摸索階段。根據國際預估,考量到成本與效益,氫能要到2035年後才會被大量應用。

但站在科研角度來看,技術必須提早10至20年展開研究,一路從實驗室走向產業化,過程還必須考量電網環境的變化,像是從傳統集中型發電走到分散式發電,哪種發電技術會在未來成為主流,台電綜合研究院如同扮演台電智庫的角色,「我們先導入評估,當未來公司在做選項時,我們可以提供國際電力的趨勢。」周儷芬說。



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左起為台電綜研所能源研究室組長周儷芬、台電綜研所研究專員李泰成、台電綜研所研究專員丁富彬。
圖/ 蔡仁譯攝影



勢不可擋!6年後可望年產3800萬噸

因應現階段氫的量還不足,但又有減碳壓力,台電另一方面也在試驗火力電廠碳捕捉計畫,將燃煤電廠所排放的二氧化碳進行捕捉再利用與封存,多管齊下研究各種減碳解決方案。

展望氫能的未來,中研院看好,以裂解的方式(指去碳燃氫)生產氫氣的技術,有望成為未來氫能發展最主流的方向。歐盟針對氫能發展的預估中,認為到2050年時,歐盟所使用的氫能會有55%來自於甲烷裂解,有30%來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組(灰氫),以及15%來自水電解產氫(綠氫)。

隨著各國對淨零排放的重視,刺激了對氫能的需求,目前全球共有41個國家政府制定氫能戰略,據國際能源總署(IEA)發布的「2023全球氫能回顧報告(Global Hydrogen Review 2023)」指出,到2030年低碳氫將大幅成長,年產量達到3800萬噸,目前低碳氫的生產在2022年約28.5萬噸,占比仍低。

雖然氫氣的技術還在發展,難以斷定哪種氫氣是未來主流,陳于高認為:「未來不排碳的氫就是好氫!」去碳燃氫成果被視為國內氫能發電一大突破,至今中研院院長廖俊智持續與去碳燃氫團隊每周開會討論,為後續落地商轉做準備。

台灣氫能與燃料電池學會理事長曾重仁提醒,混氫15%至20%對現有發電基礎機組的難度不高,他也期盼台電與中研院團隊可設定更有野心的目標。唯有將能源科技掌握在手中,才能提升台灣的能源安全,並推進淨零時程。



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