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Dec. 26 2022

去碳燃氫技術:為淨零的未來撐出改變的機會!

  • 陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。 圖|研之有物

    陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。 圖|研之有物

  • 碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。 圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會)

    碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。 圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會)

  • 只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。 圖|研之有物

    只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。 圖|研之有物

  • 如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。 圖|研之有物(資料來源|Science)

    如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。 圖|研之有物(資料來源|Science)

  • 化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。 圖|研之有物(資料來源|chemorphesis)

    化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。 圖|研之有物(資料來源|chemorphesis)

  • 上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。 圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

    上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。 圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

  • 2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。 圖|Korean Journal of Chemical Engineering

    2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。 圖|Korean Journal of Chemical Engineering

  • 中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。 圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

    中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。 圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

  • 中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。 圖|研之有物

    中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。 圖|研之有物

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採訪撰文|廖英凱
責任編輯|簡克志
美術設計|蔡宛潔

 

把天然氣轉變成氫氣

氣候變遷是全球議題,為了降低碳排放,發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電,雖然排碳量較燃煤發電低,仍屬高碳排的發電方式,若未來要達到 2050 淨零排放,勢必要開發更多的低碳電力。中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員,他與團隊應用天然氣催化裂解的理論,突破各種技術限制,打造出「去碳燃氫」(methane pyrolysis)裝置,使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放,目前成果已接近歐盟需求,並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。 圖|研之有物

陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。 圖|研之有物

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題,已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年,國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要,以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的綜合評估報告指出,人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時,IPCC 則將標準加嚴,人類需在 2050 年時達到「淨零排放」,亦即「人為溫室氣體的排放量,扣除透過碳匯碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年,世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下,2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動,宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下,啟動了「Alpha 去碳計畫」,院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣,真的可能嗎?先來看看過去科學家怎麼做吧!

去碳燃氫:使天然氣邁向淨零

為能達到降低碳排的能源轉型,又需兼顧產業發展的用電需求,臺灣目前的能源規劃,預估在 2025 年時,再生能源發電量占比約 15.2%,其餘則為 45% ~60% 的燃氣發電與 25% ~40% 的燃煤發電所組成,到 2050 年時,樂觀理想情境中再生能源發電量占比可逾 60%,剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣(甲烷)的理論排碳量,約只有燃燒煤炭的一半,但每燃燒 1 噸的甲烷,仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放,這與淨零排放的目標,仍有相當大的差異。因此,當代天然氣的運用,必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說,降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略,其一是「碳捕捉、再利用與封存carbon capture, utilisation and storage, CCUS)」,方式是將燃燒後的二氧化碳,捕捉下來再利用,如應用於綠藻養殖、水泥製造等,或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造,或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。 圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會)

碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。 圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會)

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合,要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破,且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議,發展進度緩慢。

另一種策略方向,則是「燃料轉換」,將化石能源的天然氣,全部或部分替換為零碳的能源,例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」(註1)作為燃料;利用大量的無碳電力,電解水後分解為氫氣和氧氣,再將氫氣做為燃料;或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑(hydrogen carrier)」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式,是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑(carbon black):

只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。 圖|研之有物

只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。 圖|研之有物

其核心原理為,若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量,就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷,而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年,M. Steinberg 發現當溫度夠高時,甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升,而提出「甲烷熱裂解」(thermal decomposition of methane, TDM)技術,該技術是將甲烷處於高於攝氏 700度 的高溫環境,使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存,不會增加大氣中的二氧化碳,也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值,近二十餘年來,許多針對 TDM 的研究,引入了各種催化劑,作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑,將合金加熱成熔融態,當甲烷氣體通過液態合金時,即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長,則甲烷熱裂解的程度越高,例如以1公尺長的管柱環境,利用不參與反應的攝氏 1175度 熔融錫金屬,則可轉化 78% 的甲烷;利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金,則可在 攝氏1065度 達成 95% 之甲烷轉化

如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。 圖|研之有物(資料來源|Science)

如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。 圖|研之有物(資料來源|Science)

為什麼需要催化劑?為了降低化學反應的難度。

化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。 圖|研之有物(資料來源|chemorphesis)

化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。 圖|研之有物(資料來源|chemorphesis)

理論與現實的差距

以裂解方式生產氫氣的技術,有可能會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,即認為到 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,以及 15% 來自於水電解產氫。

因此,2021 年 3 月起,在廖俊智院長的主導下,中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」,目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法,以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊,也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置,試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而,儘管催化性熔融金屬的理論可行,在實務運作上此方法卻有其瓶頸,陳洋元研究員的團隊發現,當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時,熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去,使得學理上雖可高效率地裂解甲烷,但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。 圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。 圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

體認到催化性熔融金屬的限制後,陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑,就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中,即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中,研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳,來調控碳的催化活性

2013 年,韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計,其概念是將高溫管柱中,裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑,使甲烷通過高溫碳粒時,被催化裂解為氫氣和碳,再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。 圖|Korean Journal of Chemical Engineering

2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。 圖|Korean Journal of Chemical Engineering

雖然概念裝置已提出逾十年,但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質,因此隨反應時間增加,實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此,該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳,關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳;如何能延長集塵設備與濾網的更換週期,以須確保裝置能不間斷的長時間運作;以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

中研院的 Alpha 去碳計畫:局部比例的以氫代氣

面對過去研究的基礎與限制,中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置,且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器,使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上,也並非追求極致的甲烷轉換率,由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應,如在空氣中的燃燒速度,甲烷為 0.38 公尺/秒,但氫氣則高達 2.9 公尺/秒,這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此,目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組,而多以在甲烷中混合 10% ~30% 的氫氣,達到局部比例的減碳,因此在裝置設計上,須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例,使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。 圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。 圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電,以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算,每噸天然氣燃燒,可提供 9300 度的發電量,並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後,將氫氣與天然氣混燒,因氫氣的燃燒熱較低,且需額外提供裂解所需的能量,此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量,但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳,並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說,以大潭燃氣電廠為例,若將 30% 的甲烷裂解,產生氫氣與天然氣混燒,最終是以減少 20% 的發電量為代價,換得 30% 的減碳效益,以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯,混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前,將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機;和針對廠房、工商業用途使用的 1~2 MW 商用燃氣機組;以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合,以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作,目標在 2025 年以前,推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置,使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

撐出臺灣淨零排放的機會

面對氣候變遷的威脅,世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式,然而多數國家在有限的自然資源條件下,風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國,相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月,歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」,其中針對燃氣發電廠的規範,是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料;或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量,才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電,較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠,碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放,若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術,則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放,幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒,排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理,至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣,能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術,能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的基載電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而,去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量,這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化,如增加更多的天然氣進口量,興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺,以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害,使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術,可能不是淨零未來的唯一選項,但傾力推動這項技術,才有機會在邁向淨零未來的過程中,爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。 圖|研之有物

中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。 圖|研之有物

註1:生質甲烷的概念是,透過微生物分解農業生產的有機物質,由此生產甲烷,這種有機物的碳,是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳,比天然氣還要減碳。

 

本文轉載自《研之有物》,一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。

FEB. 2023

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