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依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

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焦點專欄

日本氨燃料應用於 火力發電之發展狀況

  • 發佈日期:2022/9/13
  • 資料來源:本站
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一、背景

近期國際減碳趨勢興起,各國紛紛訂定淨零碳規劃與期程,在檢視各應用部門減碳進程之際,可取代傳統化石燃料的燃料類,例如氫氣相關燃料逐漸獲得重視。

由於氨與氫雷同,經過燃燒之後沒有二氧化碳排放,且在常壓下以-33℃即可液化保存,不僅運儲成本相較於液氫低廉,也可利用現有肥料產業相關之基礎建設,甚至也可利用天然氣相關基礎設施,近期利用氨作為氫氣載體的呼聲遂日益增高。

二、日本政府對於氨應用之現況

為達2050年淨零碳目標,進一步減少碳排、提升再生能源占比,日本將氨作為燃料更加活用是未來選項之一。2021年5月,日本經產省(NEDO)將氨納入「綠色成長戰略」的14項淨零碳發展領域之中,欲藉此達成2050年氫或氨能發電10%占比的目標,故對於氨的相關應用,除了目前降低既存的肥料產業碳排放量之外,日本更欲利用氨作為燃煤火力發電以及船舶等中大型運輸載具的燃料。下圖1為日本現對於氨燃料產業發展的藍圖規劃:

資料來源:日本經產省(2021) 圖1 日本政府氨燃料產業發展藍圖

另一方面,作為新型低碳/零碳燃料,日本早於2014年即開始研發並有部分研究成果,相關研究可分為以下三大計畫:

1.戰略性創新創造計畫(SIP)

2014年日本內閣府啟動之戰略研發計畫,第一期(2014~2018)進行11項課題之補助研發之中,能源類占三項,計畫中的能源載體課題以促進氫氣社會早日實現為目標,進行氨、有機水合物、液化氫等載體之生產、利用技術,且其中氨相關研發投入經費最多。

此計畫與氨燃料相關的技術之一為利用去碳氫氣之氨製造、儲存、輸送相關技術開發,意即過去氨之製造以天然氣為原料,改採以零碳氫氣為原料。氫氣來源以太陽光發電之電力電解水製造,在低溫低壓下以新型釕觸媒合成氨,並作為47kW渦輪發電機之燃料測試。本案由日本氣體化學廠日揮主導,並結合產總研福島再生能源研究所之場域,於2018年實證完成。

2.氫氣社會構築技術開發事業

此計畫由NEDO下次世代電池與氫氣部負責推動,利用去碳氨燃料之燃氣輪機聯合循環(GTCC)系統技術開發計畫,由三菱日立電力系統(現三菱電力)投入500MW的氨燃料大型氣體渦輪機之機制研究。該計畫直接以氨當燃料,且利用GTCC機組之渦輪機排熱(550℃)將液體氨分解為氫氣與氮氣,再送進渦輪機燃燒發電,以探索氨利用比例、氨分解壓力,以及氨分解溫度。

本案於2019~2020年延續於NEDO於2018年的研究。研究方向為使發電成本低於其他零碳發電技術之條件模擬、氨分解裝置性能檢討,以及20%之氨分解氣體混燒之NOx驗證。而三菱電力於SIP與NEDO研發計畫結束後,已於2021年3月提出新的氨燃料發電技術開發計畫。

3. 碳循環、次世代火力發電等技術開發

NEDO(環境部)自2019年起實施二階段氨燃料研發計畫,其中較有代表性的為液態氨直接噴霧氣體渦輪機系統研究開發,由IHI延續SIP計畫之成果,於2019~2020年間於NEDO支援下,與東北大學、產總研進行混燒比例擴大之實證。過去為提高氨燃料混燒比例,蒸發器、控制閥等附帶設備需大型化而拉高成本,因此以液態氨直接噴霧機制可解決此問題。

此案計畫期間已達成混燒率70%且穩定燃燒、NOx抑制成功之成果。目標為2025年達成專燒商業化。另外,IHI同時實驗藍氨之取得管道。並於2020年8~10月與日本能源經濟研究所(IEEJ)、沙烏地阿拉伯石油公司(Saudi Aramco)合作藍氨之供應。

除此項目之外,基於前期IHI之成果再擴大,NEDO另於2021年補助「1GW級燃媒火力混燒20%氨燃料之實證研究」計畫,目標由原本的10MW燃媒鍋爐機組擴大至1GW之實證,目前已完成混燒20%的示範運轉,且示範結果顯示混氨機組發電效率較純煤燃燒機組僅減少3%,且尾氣NOx排放濃度 <150 ppm,故有其發展空間。

本案由IHI負責實證用之燃燒器之設計與開發,JERA提供碧南火力電廠(愛知縣)4號機為主要試驗場域,並提供液氨儲槽、氣化器等附屬設施建設、及氨之取得。另外,JERA已提出「JERA零排於2050」之願景規劃,挑戰2050年國內外事業實質零碳排。未來在確保經濟合理性下,將以導入綠色燃料以求發電時零碳排放。以上各項相關技術發展請見下表1。

表1 日本目前主要氨燃料應用發展狀況整理
     資料來源:工研院產科國際所(2022/03)
三、氨混燒發電技術問題

雖然氨燃料技術已進入示範驗證階段,仍有以下挑戰需要克服:

四、結論與建議

氨為日本納入未來邁向淨零碳的重點脫碳技術之一,以其燃燒發電可作為低碳大型發電的選項,尤其在氣體渦輪發電上,可作為氫氣發電的過渡燃料,或是在燃煤鍋爐發電上,可以混燒模式降低原有碳排放量。

日本將液態氨直接投入燃燒,分解為氫氣再燃燒之方式,目前因經濟效益不足已放緩。不過液態氨之供應鏈原本就已存在,也可利用天然氣的運儲技術與基礎設施,適合作為中期(2030~2040年)發電選項。鑒於我國火力發電廠短期難以退場,氨混燒或專燒技術可以既有機組改造,在不擴增機組的情況下達成減碳效果。另外,氨碳混燒可達一定的減碳功能,且適度降低我國對天然氣之需求,故氨燃料混燒技術可待日本或其他國家實證完成後導入。

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