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效率与减碳并进 火力仍为主流发电技术
 

【作者: 王明德】2018年05月24日 星期四

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能源问题一直是全球各政府的重点政策,在经济发展与环境保护两端的议题拉扯下,各国都希望能找出平衡点,不过在目前技术下,各类型发电技术对环保问题都仍难以完全克服,因此目前只能期盼技术继续精进。


就技术面来看,目前全球主要的发电技术有3种,包括火力、核能与再生能源(太阳能、风力),这3种方式中,火力发电是现在电力的主要来源,占全球发电量超过1/3,火力发电的来源包括煤、油、气等3种,其中燃煤是主流,占全球总发电度数约为40%,天然气次之,约为20%,石油近年大为降低,主要应用于交通运输,大约只有5%;再生能源是第2大电力来源,生产的电力度数约占20%,其中水力发电约为16%,风力、太阳能、地热、海洋能总和则在3%左右;至于核能则是第3,目前全球共有440核座能机组,台湾有6座,共生产全球13%的电力。


电力技术研发须兼顾环保

由于各种模式的电力产生都必须借助自然能源,因此资源的多寡决定了国家的能源政策,以水力发电为例,挪威、巴西、尼泊尔等国的水力发电占有90%以上的发电量,纽西兰占80%、加拿大也有50%,不过水利资源丰沛的国家终究只是少数;以能源来说,蕴藏量最丰富且最为平均的仍是煤矿,目前包括美国、中国、印度、澳洲、南非等,都是煤矿出口大国,这些国家国内的燃煤发电也占有90%以上,不过燃煤带来的碳排放也是这些国家目前急欲解决的问题。至于台湾,由于能源极为匮乏,天然气、煤、铀等都必须靠进口,目前进口能源占使用量的99%以上,是目前全球人口超过1千万的国家中,自产能最少的。


就如前文提到,目前的电力技术发展必须兼顾环保,在此前提下,减碳成为新世代能源技术的必要设计,而观察目前各国对发电技术的倚赖程度,火力发电在可预见的未来仍会是主力,因此要在经济与环保中取得平衡,火力发电技术的改善势在必行。



图1 : 火力电厂排放烟气中的碳比例过大,要完全去除难度非常高。(source:Financial Tribune)
图1 : 火力电厂排放烟气中的碳比例过大,要完全去除难度非常高。(source:Financial Tribune)

火力发电可分为两类,一种是纯发电,也就是一般人所知的发电厂,另一种则兼具发电与供热用途,也就是汽电共生厂,纯发电的火力发电厂又分为传统型火力电厂与复循环发电厂两大类,传统型火力电厂的原理是透过石化燃料的燃烧提供热能,将锅炉中的水煮沸蒸发为540℃~620℃的水蒸气,再将水蒸气引入汽轮机中膨胀做供转换为机械能,以此转动机内叶片带动发电机发电。


传统与复循环火力发电

传统火力发电是由热能转换为电能,因此可用卡路里来换算,1度电大约是860大卡,一般发电技术会以能量转换的消耗率来计算发电效率,传统火力发电是将石化原料燃烧产生的热能转换为水蒸气,这部分是热能之间的转换,因此效率极高,可达到90%左右,但是下一步透过水蒸气膨胀转换为机械能,其效率就会降低,要提高这部分的效率,就必须让水、汽的温差加大,目前全球火力发电厂的效率大约为43%,寒带国家的则会略高,而现在各国政府与产业在火力发电技术的首要工作就是提升效率,因为提升效率意谓用更少的燃料发出更多的电,如此不但可以省下发电成本,也减少了碳排放。


前面提到,传统火力发电厂要提升效率,必须扩大水、汽的温差,现在的作法是希望可以将水蒸气的高温提升到接近700℃,不过高温对锅炉材质带来严苛考验,因此现在耐热材料的研发,是电厂设计者的艰难课题。


除了传统火力电厂外,另一种火力发电技术是复循环发电,这种发电方式是先在气涡轮机中燃烧天然气,进而带动发电机发电,不过在气涡轮机中燃烧的天然气会排出高温烟汽,因此会将此烟汽导入废热锅炉,这部分就像传统火力发电一样,利用烟汽热量加热锅炉中的水,使之产生水蒸气,再将水蒸气印进气轮机,利用膨胀推动叶片,带动发电机,这整道流程中包括气涡轮机与汽轮机两处都会发电,因此称之为复循环发电,复循环发电由于利用了天然气的热能,因此发电效率高于传统火力发电,在固定环境条件下,效率可达60%。


前处理与后处理碳捕捉技术

火力发电虽然是现在应用最大的发电方式,不过对环境的污染也最严重,因此火力电厂的排碳捕捉与贮存就成为新世代火力电厂的设计重点(Carbon Capture and Storage;CCS),就目前的工程技术来看,CCS并非难事,其技术在碳捕捉方面有后处理、前处理2种主要方式,贮存则有地层封存与海洋封存2种方式。


后处理方式是用于传统火力发电厂,传统火力发电会将锅炉中的煤与空气中的氧结合释出能量,其过程中就会产生二氧化碳,燃煤电厂在排出二氧化碳前,会经以空气品质控制系统(Air Quality Control System;AQCS)滤除烟器中的硫、硝与悬浮颗粒,降低对环境的危害,AQCS是燃煤电厂的重要投资,其金额高达整厂总投资的1/3,由于这类做法是在烟器产生后才去除二氧化碳,因此称之为后处理,后处理的问题是设备成本高,而且效率不彰,因此业界后来研发出前处理技术。


前处理技术主要是应用于IGCC电厂(整合煤碳气化与复循环发电系统),IGCC中的CC(Combined Cycle)就是前面提到的复循环发电,若将煤在与空气阻隔的高压氧化炉中与有限的氧气、蒸气一起产生化学作用,就会出现合成气(Syngas),合成气的主要成分是一氧化碳与氢气,一班IGCC厂就是以合成气作为燃料转动气涡轮机,而若在过程中先燃烧合成气,则会出现二氧化碳与氢气,在这个阶段先去除二氧化碳,再将氢气导入气涡轮机发电,这个过程就称之为前处理,前处理的优点是去二氧化碳的效率较高且成本较低。


碳封存问题仍大

碳封存则是储存由烟气中回收的二氧化碳,其技术包括则有地层封存与海洋封存,地层封存目前证明可行的方式,是将二氧化碳打入废弃油田中储存,目前许多石油公司在油田的油源逐渐枯竭之际,就会将二氧化碳打入油井中,增加地表下石油的流动性,进而提升产量。



图2 : 地层封存目前证明可行的碳封存方式,作法是将二氧化碳打入废弃油田中储存。(source: ScienceNews)
图2 : 地层封存目前证明可行的碳封存方式,作法是将二氧化碳打入废弃油田中储存。(source: ScienceNews)

目前全球每年有超过4千万吨的二氧化碳打入油田,不过这只是石油公司为了提升产能所衍生出的程序之一,碳封存在此并非主价值而是附加价值,至于海洋封存则是将二氧化碳打入超过3千公尺深的海底,由于在此环境下,二氧化钛会转换成液体,且比重大于海水,因此不会浮出水面重返大气层。


CCS目前在技术面已然克服,封存的环境也已找到,不过整体推动仍有障碍,其障碍主要在于规模与成本,其次则是封存地点,规模与成本的障碍点在于现在电厂所排出的二氧化碳数量太大,即便火力电厂设有AQCS,但其排放烟气中的碳比例过大,要完全去除难度非常高。



图3 : 新世代的电力设计必须兼顾环保。 (source:Greengage)
图3 : 新世代的电力设计必须兼顾环保。 (source:Greengage)

现在的做法是在电厂旁兴建二氧化碳回收厂,但问题在于这个回收厂也必须具有一定规模,而且也会对电能消耗量也相当大,为了回收电厂所排放的二氧化碳,新的回收厂往往需要消耗原电厂1/3的电力;以美国为例,每年燃煤的二氧化碳排放量约为19亿吨,以桶装石油计算,等于每年要处理4千万桶石油,台湾每年的二氧化碳则是1亿5千万吨,比每年石油使用量高出10倍。


目前全球光是为了捕捉封存每年燃煤发电所产生的二氧化碳,就大于每年的石油产量,而这还未计算二氧化碳打入地层或海洋后,对环境造成的影响。整体发展来看,CCS仍是短期间减少碳排放的主要方式之一,但若要根本解决碳排放问题,再生能源会是较佳的方式。


**刊头图(source: Royal HaskoningDHV)


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