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發展再生能源在近年成為主流,如何降低對化石燃料的依賴,減少碳排量,已經成為共識。日本除了積極開發氫能等再生能源,也將目光轉往較少被討論的氨氣身上。到底氨氣發電有什麼特點?未來台灣也有機會發展這項技術嗎?
低碳生活部落格/文:張郁婕

氨氣發電是什麼?

「氨氣發電」是利用燃燒氨氣產生的熱能和動能推動渦輪機,進而產生電力的發電方式。
氨氣發電的原理和傳統上燃煤、天然氣等化石燃料一樣,差別只在於原料不同。因為氨氣的化學組成不含碳,所以燃燒氨氣不會產生一氧化碳或二氧化碳等含碳廢棄物。光是這點,氨氣發電就能徹底解決燃煤和天然氣發電廠為人詬病的碳排問題。
氨氣發電不會產生碳排量。既然這麼厲害,為什麼我們過去很少聽到呢?
事實上,氨氣發電還是一項未臻成熟的技術。目前還沒有辦法做到 100% 純燃燒氨氣(日文稱「專燒」),只能做到氨氣混合煤炭或天然氣的「混燒」。而且燃燒氨氣的過程雖然不會產生二氧化碳,但會產生對人體或環境有害的氮氧化物(NOx),須妥善處理。

重要到日本作為一種戰略資源,氨氣優點在哪?

和台灣一樣仰賴能源進口的日本,為什麼會開始研發氨氣發電?
在 2020 年制定的「新國際資源戰略」中,日本首次將氨氣視為有效對抗全球暖化、實現零碳排的燃料。隔年發表的「第六次能源基本計劃」,更將氨氣發電列入能源組合。然而,日本並非單純將氨氣定位成發電用燃料,而是視為補足氫能缺點的戰略資源。
(日本經濟產業省今年在美國參加國際綠能展示會時,製作的「零碳排火力發電廠」介紹影片片段。metichannel Youtube)
(日本經濟產業省今年在美國參加國際綠能展示會時,製作的「零碳排火力發電廠」介紹影片片段。metichannel Youtube
除了氨氣發電不會產生碳排外,日本看上氨氣還有幾個理由:氨氣的穩定性比氫氣好,不用擔心在運輸過程發生爆炸等意外。而且目前氨氣在製備、儲存、運輸方面已有完整技術,初期不需要耗費大量資金發展供應鏈。更值得一提的是,根據試算結果,氨氣發電的價格比氫氣發電更便宜[1]。
此外,氨氣透過化學反應能產生氫氣。所以發展氨氣供應鏈,也是拓展氫能來源,運至日本的氨氣可以進一步轉為氫氣,用於發電或作為燃料電池儲備。

氨氣發電邁向商轉的挑戰

話雖如此,氨氣發電邁向商業運轉還有很長一段路要走。氨氣發電在技術面有很大的突破,要歸功於日本内閣府在 2014-2018 年推動的「戰略創新創造計畫」(SIP),加速了相關研究的進行。
2014 年,日本的研究團隊成功利用 30% 氨氣混合 70% 煤油發電,創下全球首例。2018 年,日本再度以 80% 甲烷混 20% 氨氣發電成功。這些實驗室案例,讓日本對商用氨氣發電信心大增。
未來若能將既有的燃煤或天然氣發電廠,改為混合氨氣的「混燒」發電廠,再慢慢提升燃料中的氨氣比例,就能逐步汰換化石燃料。
不過,氨氣發電還是有諸多問題,這和氨氣本身的性質有關。傳統工業製氨的方式,是利用哈柏法結合氫氣和氮氣產生氨,但關鍵的原料——氫氣,目前製備的方式還是以化石燃料為主[2]。
如果要讓製氨過程達到「零碳排」,勢必得加速相關技術的研發,讓其他「零碳排」的製氫方法可以達到商業規模,或是利用碳捕捉與封存技術(CCS)儲存或回收再利用溫室氣體,才能降低二氧化碳對環境的影響。
至於前面提到,氨氣發電會產生氮氧化物(NOx)的致命缺點,目前相關實驗已經證實,使用既有的技術[3],可以將氨氣發電排放的氮氧化物濃度控制在 10ppm 以下,尚符合環保基準。而且實驗也證實,混燒 20% 氨氣所排放出來的氮氧化物,幾乎和單純燃煤的氮氧化物排放量相同。
對日本而言,氨氣的另一個優點是可以在國內生產、確保能源自主。2019 年的日本氨氣消耗量為 108 萬公噸,其中有 8 成都在日本生產。不過,日本目前的氨氣主要用在氮肥。如果想引進氨氣發電,勢必就要增加氨氣產量,不然就會排擠到肥料市場。所以,氨氣的供應問題會是氨氣發電進展到商用階段時,必須面對的一項課題。
(日本很明確的在影片開頭提到,發展這項技術的目的之一,是希望未來能輸出這項技術,協助其他仰賴能源輸入的東南亞國家。NEDO Channel Youtube)
(日本很明確的在影片開頭提到,發展這項技術的目的之一,是希望未來能輸出這項技術,協助其他仰賴能源輸入的東南亞國家。NEDO Channel Youtube

能源危機下,不可忽視的氨氣發電

為了加速氨氣發電的產學研究及商用發展,日本經濟產業省在 2020 年 10 月成立「引進燃料氨官民協議會」,直接讓發電業者、製造商面對面,討論氨氣發電的應用及發展,一口氣解決研發和供應鏈的問題。
日本最大的火力發電業者 JERA(捷熱能源),在 2020 年發表的淨零排放路線圖中,已規劃 2030 年前火力發電廠開始混燒氨氣,2040 年達成 100% 氨氣發電。日前 JERA 宣佈,2023 年將在碧南燃煤火力發電廠混燒 80% 煤炭與 20% 氨氣。這場實驗若能成功,將是氨氣發電的重大里程碑。
除此之外,日本經濟產業省也計畫用氨氣,作為 2025 大阪萬國博覽會的電力來源,展示 100% 氨氣發電的研究成果。
長期倚賴化石燃料進口的日本,頃全力朝向氨能發電,看上的不僅僅是低碳這個特性,更看上能源的自主與穩定供應。如果日本能在氨氣發電取得領導地位,未來還能對外輸出相關技術。畢竟俄烏戰爭的經驗已為世人敲響警鐘,能源自主在如今,越顯重要。
註釋
[1] 根據日本經濟產業省的試算結果,100% 純粹燃燒氫氣的電費,每度電為 97.3 日圓,100% 燃燒氨氣的電費,每度電只需要 23.5 日圓。
[2] 目前工業製備氫氣的方法有二:「甲烷+高溫水蒸氣 → 氫氣+一氧化碳」以及「一氧化碳+高溫水蒸氣 → 氫氣+二氧化碳」,兩者最終產物都會排放含碳廢棄物。
[3] 目前化石燃料的火力發電廠,就是使用氨作為觸媒,將發電過程產生的氮氧化物(NOx)還原成氮氣和水。
參考資料
全文轉載自低碳生活部落格,原文標題:日本看上新戰略資源 比氫氣更穩定、更便宜的「氨氣」發電

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    「低碳生活部落格」是由台達電子文教基金會所編輯,內容除了提供讀者生活上可行的減碳方案之外,也累積了多年的聯合國氣候變遷大會(COP)第一手資料,以及整理國際最新減碳趨勢報告。盡力做到深入淺出,兼具深度及廣度,希望成為台灣的低碳環境智庫之一,為氣候變遷議題貢獻一份心力。
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