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煤炭–浴火重生的能源

近年來,在國際原油價格持續攀升、全球石油開採量停滯不前、煉油產能不足、全球氣候變遷等警聲中,煤炭這個能源老兵,能否在本世紀中持續扮演穩定經濟發展的角色?
 
 
 
如果課堂上老師提問道:「是一種能源,在固態、液態與氣態三態中都可以用來產生能量,而美國是蘊藏這種資源的王國,這是哪一種礦產?」看完這篇文章,你就會知道答案是煤炭喔!煤炭在固體狀態,可以直接燃燒產生熱能;經過氣化製程變成氣態時,可以用來發電;經過液化過程後則可以替代石油,成為運輸工具仰仗的動力燃料。

全球蘊藏量豐富且地理分布較原油普遍的煤炭,為何過去50年來卻不如石油一般舉足輕重呢?首先,是因為自工業革命以來,煤炭開採作業所產生的人身安全問題隨著工業的發展愈形嚴重,每有災情往往犧牲數以百計的人命。礦區開挖所造成的生態與景觀衝擊,以及燃燒煤炭所形成的空氣污染,都是人們希望竭力避免的沉重負擔。

此外,石油是液態物質,無論在運送或使用上(尤其是在運輸工具的使用上)都較固態的煤炭方便許多。因此,雖然石油蘊藏分布區域極度不均,產量與價格容易受人為操縱,一有波動往往造成全球經濟震盪,蘊藏分布較均勻的煤炭,在近50年來仍明顯不如石油一般地呼風喚雨。

事實上,今日人類仍然大量使用煤炭做為能源。如果把所消耗的石油、天然氣、煤炭、核能、水力等能源,換算成統一的油當量單位,然後比較其全球消費總量,會發現煤炭仍高居世界所需能源的第2位,僅次於石油。這幾十年來,它除了默默地提供全世界40%以上的電力(若僅比較各種不同的發電能源,則煤炭遠勝石油高居第1位),經過煉焦爐煉製的焦炭,更是現代化所需的鋼鐵工業不可或缺的重要原料。

近年來,國際原油價格持續攀升,中國與印度等人口眾多、幅員廣闊的新興國家的經濟大幅發展,全球石油開採量停滯不前,煉油產能不足等警訊,讓世人十分擔憂未來的能源供應是否可以滿足國家安全與發展所需。於是,在全球氣候變遷的警聲中,煤炭這個能源老兵極可能在本世紀中仍踏著穩健的步伐向前邁進。

煤炭簡史

Coal:A Human History一書中,作者弗律茲(Barbara Freese)提及,美國著名詩人作家愛默生在19世紀美國東北燃煤經濟如火如荼開展時,曾經這樣寫道:

每一籃裝載的是動力、是文明
煤炭像是可攜式的氣候
使熱帶暖流得以長驅直入寒冷的拉布拉多和極區
它不假他人載運著自己行遍天下
瓦特與史蒂芬生低聲向人們耳語
訴說著半盎斯煤炭可以拉動兩噸重物一英里之遠的神奇
煤炭載運著煤炭
經由火車、經由汽輪
讓加拿大像加爾各答一般的溫暖
有了它的舒適慰藉
工業從此獲得無窮的動力向文明邁進

姑且不論愛默生先生如何忽略燃煤所造成的負面生態環境,上述文句的字裡行間確實充分地表達了煤炭對工業文明的貢獻。

人類最早利用煤炭的紀錄始於中國6千年前的新石器時代,人們把油黑光亮的煤炭視為一種飾品,雕琢並穿戴。大約在2千5百年前,中國民間開始利用煤炭煉銅鑄幣。

英國大概是最早利用煤炭的西方國家。西元第4世紀之前,和新石器時代的中國人民一樣,歐洲人把煤炭視為黑寶石,經雕刻磨光後一度成為時尚配飾。之後,羅馬人入侵不列顛,曾經利用燃燒煤炭取暖並提供鑄造加熱所需。到了13世紀,由於人口愈來愈多,用來取暖、加熱而且可以當做建材與原料的木材,因森林遭受過度砍伐而漸形匱乏,人們因此不得不轉向這個燃燒時會冒出濃煙,並且產生令人刺鼻氣味的黑色化石。

煤炭大規模的開採利用,始於18、19世紀的工業革命。英國科學家瓦特發明改良式的蒸氣引擎,大幅提升蒸氣機的能量轉換效率,促進了製鐵與機械工業的快速發展。同樣是英國科學家的史蒂芬生把蒸氣機與鐵道結合,讓以煤拉煤的境界隨著鐵軌的鋪設而無遠弗屆,成為以大量生產為目標的工業革命最重要的原動力。

工業化社會必備的鋼鐵工業、陸上運輸的鐵路動脈,以及往來各大洲進行原料和產品貿易的海運汽輪,無不與煤炭息息相關。因此煤炭蘊藏量豐沛的英國,在1830年的煤產量高占全世界總量的五分之四,鐵產量則超越當時所有其他各國的總和。倫敦於是得以在19世紀中葉,舉辦全世界首屆世界博覽會,驕傲地向世人介紹進步的技術與生產能力,以及遍及全球的市場。一塊塊沉默的黑玉,燃燒了自己轉化為動能與熱能,締造了所向無敵並且維持日不落帝國的世界強權一直到19世紀末期。

著名發明家愛迪生,於1882年在美國紐約設置全世界第1座發電廠後,煤炭的命運又與現代人類文明最關鍵的指標「電力」緊密維繫,一直到現在。

在清朝中英戰爭後,歐美船艦東渡漸增,臺灣也曾因擁有煤礦蘊藏且地處航線要衝,而成為外國覬覦的目標。光緒年間,沈葆禎大力推動的規模化煤礦開採作業,更讓臺灣成為全中國第1個擁有機械設備採礦的地區。

爾後,第一次世界大戰爆發,由於東亞與南亞地區的煤炭供應不足,當時已因甲午戰爭戰敗而割讓給日本的臺灣,便成為日本重要的採煤重鎮,煤炭年產量於1919年首次突破100萬公噸。第二次世界大戰時期的1941年,則達到約290萬公噸。根據歷史記載,臺灣煤炭年產量最高紀錄是333萬公噸,發生在第一次世界能源危機時期的1976年。

在第一次世界大戰前夕,煤炭仍然維持其世界能源供應霸主的地位,全球75%以上的動力由煤炭推動,石油僅占不到五分之一。當時無論是家庭取暖、工業用途、海運貿易汽輪、海事軍事用途等能源需求,都必須仰賴煤炭。1911年9月,邱吉爾擔任了英國海軍大臣,為了讓戰艦在海上航行速度加快以克敵致勝,決定把英國海軍傳統使用的煤炭燃料改變為石油。這項歷史性的新戰略,可謂近代能源霸主易位的濫觴。

20世紀初期,陸地、海運、航空等交通運輸工具,逐漸採用石油製品為動力燃料,不僅能源效率較高、燃燒污染較低,而且便於運銷配送。再加上原油的開採作業比起煤礦,對人身安全的保障以及礦區生態環境的維護有極大的改善,世界能源供應霸主的權杖終於在1960年代拱手讓給石油。然而,由於煤礦蘊藏量遠勝石油,石油世紀之後,煤炭對於人類文明活動的角色到底是就此退位?還是將東山再起?

石油世紀之後

石油在國際能源市場上呼風喚雨近50年,當時序邁入21世紀時,也就是1970年代兩次石油危機的20年後,國際石油價格再度狂飆。這20年間,由於以已開發國家為主的「經濟合作暨發展組織」(OECD)所設立的國際能源署,在能源資訊分析與分享、能源技術推廣與各國能源供需間折衝溝通上的努力,發揮了一定的作用,使得國際油價持平穩定20載。

那麼,這次石油價格飆漲的背景為何呢?不外是因為中國和印度等幾個人口眾多新興國家的經濟起飛,全球煉油設備來不及擴張造成產能不足,以及國際原油蘊藏量逐漸枯涸的傳言甚囂塵上等三大因素,而金融市場的操縱與人們預期恐慌的心態則是墊高油價的推手。

由於油價的大幅波動嚴重影響國際間的經濟活動,全球的科學家、政府領導者與企業家們繼70年代石油危機之後,再度熱烈討論尋找石油替代能源的可能性。自工業革命以來,雖然化石能源帶給人類全新的文明生活,但也為地球帶來前所未有的生態浩劫。人們對於下一世代的能源世紀都存有一份保護地球的期許,於是把希望寄託於以風力、太陽能及生質能為主的再生能源,與以氫能為主的潔淨能源。

風力與太陽能雖然沒有匱乏之虞,卻有隨著天然條件間斷性供應的先天缺點。生質能成本具有競爭力,卻必須防範與農業政策在水資源與土地上的競合失衡。氫能雖非天然資源,但是來源眾多,可由天然氣重組、電解、煤炭氣化、高溫水分解,甚至微生物產氫等方式生產,而被許多能源專家寄予厚望。國際能源署在其最新出版的氫氣與燃料電池前景報告中預測,在技術發展最順利的情況下,2050年全球的運輸工具將有30%以上改以氫能為動力燃料。但是,這是半個世紀以後的最佳情境。

因此,在這個亟思向石油世紀說再見,氫能世紀卻還來不及整裝待發的過渡時期,人類注定還得和煤炭和平共存至少半個世紀。由於蘊藏豐沛且全球分布均勻,從經濟發展最重要的兩大前提—能源安全與穩定供應著眼,似乎真的別無選擇。

進退維谷的人類

雖然石油自從第二次世界大戰後,逐漸取代煤炭成為能源霸主,生活在21世紀的人們所消耗的各類能源中,煤炭所貢獻的比率仍高於四分之一強,其中約三分之二是用來做為發電燃料。僅就人類文明的關鍵指標「電力」來分析,全世界有近40%的電力由燃煤發電廠供應,中國、印度、澳大利亞等國燃煤發電所占比率更高達70%以上。

根據國際能源署預測,2030年全世界的煤炭使用量將比現在高出50%。在發電應用方面,雖然國際間為因應氣候變遷問題,努力把天然氣發電量在2030年增至現在的3倍,煤炭仍會是主要的發電能源。

近幾年來,隨著全球溫度逐年上升,氣候變遷的議題受到眾人矚目。事實上,在人為可以改善的範疇裡,解決氣候變遷最關鍵的手段之一,就是把燃煤發電廠所排放的二氧化碳量降低至最少程度。各種燃料每單位發電量所產生的碳排放量,以煤炭最高,大約是天然氣的1.7倍、石油的1.25倍。據估計,由人類行為所排放的二氧化碳,最大的單一來源就是燃煤發電廠。煤炭燃燒時所排放的懸浮粒子、硫氧化物、氮氧化物、汞等物質,比起石油與天然氣也都較高。

雖然科學家們為創造下一個全新能源世紀正努力不懈地研究開發新技術,但是生活在21世紀的人們,只要追求經濟發展與物質文明的潮流不斷,仍然很難逃脫對煤炭資源的倚賴。那麼進退之間,人類下一個問題就是,如何利用科技研發來讓燃煤乾淨一些?

潔淨煤炭可以多乾淨

潔淨煤炭技術(clean coal technology, CCT)應該是全面性的,也就是整個煤炭的生命周期都應該把其污染環境的傷害降至最低,包括開採時的生態景觀與河川地下水污染改善,燃燒時的污染物排放控制及溫室氣體的處置等。後者包括燃燒前的煤炭品質改善、煤炭燃燒設備效率的提升,以及碳捕捉與封存作業的實施等。

煤炭洗選技術 燃燒前的煤炭品質改善,一般稱為煤炭洗選技術。由於原始開採出來的煤礦含有許多降低燃燒效率的雜質,利用重力原理洗選分離出純度較高的煤炭以利燃燒,是目前較常用的煤炭品質改良方法。

煤炭氣化複循環 在燃煤設備效率提升方面,煤炭氣化複循環是最具潛力的發電技術。傳統的發電設備是燃燒煤炭把水變成蒸氣後,推動蒸氣渦輪,由發電機把機械能轉化為電能。其中,燃燒煤炭所排放的煙道氣,經過置於煙囪前的污染物去除裝置,以防止硫氧化物與氮氧化物等污染物質排放至大氣中。

至於煤炭氣化複循環設備,並不直接燃燒煤炭,而是在高壓高溫下利用氧氣與水蒸氣把煤炭氣化,形成氫氣和一氧化碳的合成氣。經由燃燒這種合成氣,推動氣渦輪發電機,而氣渦輪機所排放的廢熱氣再經由蒸氣渦輪機進行發電。這種發電方式不但發電效率高(約為50%左右),傳統污染物去除率也較高。

碳捕捉與封存技術 在全球未來幾十年內尚無法明顯改變目前的能源使用結構下,碳捕捉與封存技術的應用將是一個非常關鍵的發展。這項技術適用於大型固定式排放源,例如發電廠或工業製程,主要分為捕捉、運送與儲存三大步驟。

捕捉二氧化碳是把製程中的二氧化碳利用化學或物理等吸收方法加以濃縮,再經過加壓成高密度狀態,主要目的是便於輸送與儲存,目前捕捉的系統效率可高達85~95%。雖然效率可以再提升,但是需要耗用更多能源。

一般而言,有三種捕捉二氧化碳的方法,一是在燃料燃燒後所產生的煙道氣流中,利用液態有機溶劑把濃度約3~15%的二氧化碳吸收,這個方法可應用於傳統燃煤與燃氣(天然氣)發電廠。

第二種方法主要應用於煤炭氣化複循環設備中,當合成氣與水蒸氣進行反應產生氫氣與二氧化碳時,利用物理性或化學性吸附作用進行二氧化碳捕捉。

第三種方法是氧氣燃燒,利用氧氣取代空氣進行燃燒,使得煙道氣流中主要成分是水汽與二氧化碳,其中二氧化碳體積濃度高達80%。這時水汽可利用冷卻或壓縮方式移除,待其他污染物經過處理後,餘下的二氧化碳就可送出進行儲存作業。不過,這個方法仍處於研究發展階段。

最具潛力的儲存方法大約有三種:一是把二氧化碳灌注至一定深度且適合的地質層中;二是灌注至深海底層;三是供應工業再利用。部分技術已經成熟且應用於工業用途上,例如以輸送管進行二氧化碳運送、灌注至快乾涸油田進行激勵採油法與工業再利用等。無論是陸地上或海洋的地底層,需要的儲存技術與目前石油與天然氣企業在枯竭油田所大量運用的激勵型開採方式相仿,重點在於成本的考量與適當儲存地層的正確選擇。

然而,由於碳補捉技術最重要的目的是防止二氧化碳逸散至大氣中,所有製程的防漏措施與效率都需要進一步設計與不斷驗證,否則就失去對氣候變遷貢獻的意義。儲存也不例外,雖然IPCC在2005年的報告中指出,適當的地質儲存位址可使100年後的二氧化碳留存率高於99%。不過仍然需要嚴謹的實證與法規對於相關作業實施嚴密規範,才有可能把人們對於封存的二氧化碳在未來可能重返大氣的疑慮屏除。

科技的創新研發

美國是全球煤炭蘊藏量最高的國家,比率約占27%。也就是說,全世界四分之一以上的煤炭蘊藏在美國國土之內。基於能源安全及穩定供應的考量,美國能源部長久以來就持續進行一些規模不一的淨煤技術研究發展計畫,希望透過科技的創新研發,在提升人民生活與環境品質的前提下,繼續使用煤炭做為重要動力來源。一些成功開發的技術,由於受限於成本過高,在沒有適當的法令規範下,目前在自由市場體制下還無法順利付諸商業應用。

面對國際社會的強烈呼籲以及國內部分州政府的自省,美國這個全球第一大溫室氣體排放國,開始有了一系列改善二氧化碳排放量的規畫。其中包括一項結合了潔淨煤炭技術、碳的捕捉與封存技術,以及其他降低污染與再利用技術的未來電廠計畫,希望經由大型發電廠的示範運轉,成功地把成本降至商業可接受範圍。目標是讓一種幾乎近於零污染排放的創新發電廠設計與設備,可以在二、三十年後受到發電業者的廣泛採用,藉以大幅降低溫室氣體排放量。

美國在2003年宣布進行的這項燃煤電廠零污染計畫,打算在10年內投注10億美元的研究經費,把所有最新發展的煤炭相關潔淨技術整合起來,興建1座發電容量是275 MW的實驗性零污染燃煤發電廠。這座發電廠不但可以供電,而且可以產製氫氣,氫氣是全球科學家們寄予厚望的潔淨能源,也是下一個能源世紀的最佳候選者之一。對於二氧化碳,則希望把90%以上的排放量捕捉並封存起來,每年預估捕捉量約在100萬噸左右。

另外,氣化製程所不可避免排放的硫化氫、氮氧化物等污染物,會經由純化製程分離出來,並且轉化為有用的肥料、土壤營養劑等副產品,最受爭議的汞污染物也會移除至最低排放程度。

「未來電廠」所運用的淨煤技術,囊括了本文所介紹的煤炭氣化複循環淨煤發電技術、碳捕捉技術、煤炭製氫技術、碳儲存技術等。預計在2007年選定興建位址,並在2012年正式運轉。

整個發電作業是利用氧氣與水蒸氣在高溫下把煤炭氣化,形成氫氣和一氧化碳的合成氣。把這合成氣與水蒸氣進行反應後,產生氫氣與二氧化碳。這時利用碳捕捉薄膜技術把二氧化碳分離出來,進行隔離與地下儲存作業,這是一個相當關鍵的技術與步驟。這項作業必須保證收集的二氧化碳,無論是在捕捉收集過程、運輸過程,甚至是灌注至地底封存之後,都不再有機會溢漏回大氣中,否則所有的辛苦都會白費。

與二氧化碳分離的氫氣則有許多用途,可做為發電用固定式燃料電池組的燃料、煉油廠製程原料、未來的燃料電池汽車所需的動力燃料等。

在可預見的將來,基於全球煤礦的豐沛蘊藏量,在價格與供應的穩定性上占有長遠的優勢,潔淨煤炭技術將是避免煤炭成為歷史能源的關鍵性技術。在石油、天然氣、核能與再生能源各有或共有蘊藏量不足、價格波動劇烈、健康危害、供應不穩定等無法滿足能源供應安全的疑慮下,煤炭未來除了在能源供應領域持續扮演重要角色外,煤炭氣化及液化的技術發展更有可能使煤炭成為化學品原料的來源。展望未來煤炭遠景,仍然如愛默生的詩文一般,充滿了無限的神奇與可能。一旦淨煤技術的研發與成本獲得突破,煤炭也許真有浴火重生的一天!

深度閱讀
  1. Hawkins D., D. Lashof and R. H. Williams (2006) What to do about Coal, Scientific American, Vol. 295 Issue 3, pp. 68-75.
  2. World Coal Institute, The coal resource-A comprehensive overview of coal, 2005.
  3. Grobbel C., J. Maly and M. Molitor (2004), Preparing for a low-carbon future, The Mckinsey Quarterly, issue 4, p 79-81.
  4. Carbon dioxide Capture and Storage, IPCC special report, 2005.
  5. Barbara Freese (2003) 煤礦—一段人類歷史(黃煜文譯),麥田出版社。
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