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石化巨人:綠巨人浩克 衝出新生活

煤、石油、天然氣等化石燃料等不可再生能源日益枯竭,潔淨的綠能還需要一段時間才能接替,這段過渡期如何因應?政府有一套做法,請拭目以待。
 
 
生質能源最吸引人的地方在於「循環利用」(圖片來源:種子發)
▲生質能源最吸引人的地方在於「循環利用」(圖片來源:種子發)
 
從化石能到綠能

 

記得國中生物課本提到,把組成生命的化學物質混合在一起,並不會產生生命現象,原因無他,缺少能量的流動。我們的日常生活就是因為有了能量的導入而變得五彩繽紛。

 

能源指的是人們可利用的能量的總稱,講得更精準一點,能源是指比較集中的能量,可直接或透過轉換提供人們所需的光、熱、動力的能量資源。就能量來源的角度,能源有3類:太陽能及其衍生的能源型式,如化石燃料(煤、石油、天然氣)、水能、風能、生質能等;地球自身蘊藏的能源,如地熱能與核能(鈾能);地球與其他天體相互的作用力,如潮汐能。

 

工業革命以後,能源需求大增,開採使用大量煤、石油、天然氣等化石燃料,從而產生能源是否會用完的問題。因此從能源使用的結果來分類,可分為不可再生能源(如煤、石油、天然氣、鈾等)與可再生能源(如太陽能、水能、風能、生質能、地熱能、潮汐能等)。

 

煤、石油、天然氣、鈾等物質因能量密度高、方便大量開採等因素,成為最廣泛使用的能源,也為人們物質生活的進步做出不可磨滅的貢獻。但這些能源有難以克服的缺陷,其一是資源的有限性,總有枯竭的一天;其二是環境的危害性,從開採運輸到使用造成溫室效應,空氣、水體、土壤的汙染,威脅人們的永續生存。因此必須尋求新的可永續使用又不危害環境的能源,這些能源統稱為綠色能源(簡稱綠能)。

 

綠色能源的類型

 
明潭水力發電廠(南投縣水里鄉)及風力發電機(新竹縣香山鄉)
▲明潭水力發電廠(南投縣水里鄉)及風力發電機(新竹縣香山鄉)
 
綠色能源開發的目的是建構於人類社會永續發展之上,因此必須同時滿足3個條件:資源是豐富的,可長期支持社會經濟發展的需要;使用是清潔的,不會對環境造成傷害;成本是人們可接受的,可以發揮經濟效益。目前全球有5種綠色能源技術可達到商業化或接近商業化的水準,它們是水電、太陽能應用、風力發電、地熱應用與生質轉化技術,略述如下。

 

水電 水電是運用水位的落差推動發電機以產生電力。透過太陽熱力使低處的水蒸發,然後在高處凝結提高了水的位能,因此可以視為間接的太陽能。雖然建造水壩的投資額高、使用壽命有限,並且對生態影響頗大,人們對於水電是否該歸屬於綠能仍有所爭議,但由於技術成熟,目前依然是應用最廣泛的可再生能源。

 

在使用靈活性方面,於用電離峰時段可利用剩餘電力把低處的水移至高處作為用電尖峰發電用,因此水電是最佳的調節性能源。在各項優缺點並存的情況下,並未積極推廣水電,多年來維持提供全球能源需求量的3%,未再增加。

 

加油站屋頂的太陽能電板(花蓮市)
▲加油站屋頂的太陽能電板(花蓮市)

 

 太陽能的應用 主要是利用其光與熱,可以用光電轉換的方式發電,如太陽能電板;也可儲存其熱能作為加熱或發電用,如屋頂的太陽能熱水器。太陽能的特點是覆蓋面積廣、無害、取之不盡,用之不竭,但能量密度較低、受地形和天候影響是其主要限制,目前全球太陽能發電約占總發電量的1%。

 

風力發電 空氣流動產生的動能稱為風能。空氣流速越高,其動能越大。用風力發電機可以把風的動能轉化為有用的電力,方法是透過傳動軸把轉子的旋轉動力傳送至發電機。風能是定期存在的,可以穩定供應,不會產生汙染,更不會排放二氧化碳,受到各國政府重視。

 

在大量研發投入下,相關技術逐漸進步,使風能成本降低,是發展最快的綠色能源。但風能能量密度低、設備體積龐大、投入成本高是必須克服的缺點。目前風力發電約占全球總發電量的3.5%,但在部分風場適宜的國家如丹麥,風力發電量已占總用電量的42%。

 

地熱應用 地熱能源起源於地球行星的形成和礦物質放射性衰變,並以熱能的方式存在於地球內部的熔岩中,高溫的熔岩使附近的地下水加熱,這些加熱了的水最終會滲出地面為人們使用。人們很早就開始利用地熱資源,甚至發展出獨特的溫泉文化。目前地熱能量的應用依溫度高低分為兩個層次,高溫部分主要用於發電,低溫部分則直接用於沐浴、炊煮或暖氣。地熱有來源穩定和使用安全的優點,但設備必須耐腐蝕且要挖深井取用,技術難度相當高。

玉米製造的生質酒精(左)與黃豆製造的生質柴油(右)
▲玉米製造的生質酒精(左)與黃豆製造的生質柴油(右)
生質能轉化 上述4種綠能都有必須立即使用的特性,生質能則屬於「儲存型」的綠能。生質能是太陽光以化學能的形式儲存在生物材料中的能量,是透過光合作用直接或間接把二氧化碳還原成生物材料。因此各種生物材料氧化產生能量時,若不計算操作過程的排放(如種植、施肥、運輸等),其二氧化碳可說是零排放。為適合現有動力機械的使用習慣,生物材料通常透過生質轉化技術(如熱解、液化、汽化、酯交換、生物發酵等)轉變為酒精、生質柴油或沼氣而達到大量供應的目的。

 

生質能源最吸引人的地方在於「循環利用」,排放的SOx、NOx很少,並且可直接利用在現有動力機械上,因此值得大力推廣,目前約占全球能源需求量的10%。但生質材料需大面積種植、運輸成本高,以及轉化技術複雜等都是亟待解決的問題。

 

上述5種是可直接利用的能源,都有機會達到資源豐富、使用清潔,以及成本合理的目標。除此之外,所謂「最乾淨的能源就是節能」,凡是能提升能源使用效率與降低汙染的作為,都屬於廣義的綠能產業。

 

我國發展綠能的政策與規畫

 

從上述對綠色能源的描述,可以發現能源成本過高及自然資源分散是綠能產業發展主要的障礙。成本過高會限制市場的擴大,而資源分散造成市場太小又會使成本無法降低,兩者互相引導形成惡性循環。因此綠能產業發展之初往往透過政策的導引誘發「學習曲線」產生,意即當產量增加,製造成本就會下降,政府往往以補貼及公共建設為工具,達到擴大市場的目標。例如政府會以高於市價收購太陽能或風力發電,以及強制在汽油或柴油中加入一定比率的生質燃料。

 

參考國外綠能發展的經驗,綠能政策要有效推展必須有3項特質:

 

明確的目標─例如政府明確宣示在民國114年綠色能源的使用必須達到20%;巨大的投入─例如政府長期以較高的躉購費率保障收購離岸風電;優惠的政策─例如政府對綠能設備採購給予稅額扣減優惠。

 

為積極發展我國綠能產業,行政院於民國103年8月6日核定「綠色能源產業躍升計畫」,集中資源聚焦推動太陽光電、LED照明光電、風力發電、能源資通訊等4項主軸產業。結合我國資通訊、半導體、機電、材料等產業厚實基礎及優勢,以製造業服務化的思維,朝下游拓展系統服務業發展,並擴大海外系統輸出能量,快速嵌入全球分工布局,創造綠能產業成長新動力。

 

未來在政府推動及各界攜手合作下,估計至民國119年整體綠能產業將達兆元產值規模,創造逾10萬人的就業機會。同時擴大國內綠能設置,提供年發電65.9億度及節電43.9億度貢獻,達成發展多元能源供應及降低依賴進口能源的目的。

 

現在就得開始做

 

面對環境惡化,綠能的發展刻不容緩。但不可諱言的,廉價的化石燃料短期內仍是能源使用的主流。許多研究報告推測至少得等到民國119年,綠能的成本才有機會與化石燃料匹敵。在這個過渡期,除了努力發展綠能外,是否有過渡的能源可以兼顧綠能的潔淨與化石燃料的低成本,讓人們仍然能以合理的代價維持便利的生活水平?天然氣就是合理的選項。

 
液化天然氣接收站運行示意圖
▲液化天然氣接收站運行示意圖
 
雖然天然氣也屬於不可再生的化石燃料,但產生的二氧化碳與空氣汙染物比煤、石油減少許多;比操作危險性高的核能,天然氣的安全性也高了許多;發電成本比起昂貴的綠能,天然氣顯得便宜許多。綜合評估的結果,天然氣可說是廣義的綠能,在能源轉型的過程中是適宜的過渡能源。

 

什麼是天然氣

 

天然氣又稱為「天然瓦斯」,是一種主要由甲烷組成的烴類化石燃料,除了甲烷外另有少量的乙烷、丙烷和丁烷,其外觀無色無味,比重約為空氣的60~75%,熱值約為每立方公尺9,000千卡,比起石油或煤等化石燃料,燃燒更清潔,產生較少的溫室氣體(CO2、CH4、O3等氣體)。天然氣的爆炸濃度是5~15%,但由於比重較空氣輕,漏氣時會往上飄散,濃度不易聚集到燃燒或爆炸的下限,屬於較安全的燃料。

 

天然氣的形成,一般認為是古生物遺骸長期沉積地下,受到壓力、外力或熱量的擠壓,轉化及變質裂解而產生的氣態碳氫化合物。早期天然氣是開採石油的副產物,因為儲存與運輸技術並不進步,未被廣泛使用,並沒有商業利潤,因此須在當地使用,未使用完的天然氣就白白地在油田裡燒掉。現今由於輸儲系統的進步,可把壓縮的攝氏–162度的液態天然氣透過槽車或輪船長途輸送,並於接收端氣化後再以管線輸送至使用者端。

 

天然氣以開採及分布方式區分為傳統天然氣及非傳統天然氣,傳統天然氣指來自於含油性天然氣礦產,常伴隨油氣產生,非傳統天然氣指頁岩氣、緻密砂氣、泥淖氣(沼氣)、煤層氣或煤礦氣等。早期非傳統天然氣由於開採不易,不具經濟價值,但目前技術已經成熟,煤層氣及頁岩氣已可商業化開採與應用。例如頁岩氣的開採可以利用水平井加多段壓裂技術、清水壓裂技術及同步壓裂技術。非傳統天然氣開發快速發展,使天然氣蘊藏及可用量不斷增加。

 

我國天然氣應用現況

 

為推動節能減碳工作,我國於民國94年全國能源會議呼應京都議定書降低溫室氣體排放的要求,訂定擴大天然氣使用的目標。為推動能源多元化,把擴大潔淨能源天然氣的使用列為辦理事項,規劃國內天然氣供需目標是「民國109年達1,600萬公噸,民國114年達2,000萬公噸」,目前天然氣使用量也朝這目標進行。

 

天然氣以超低溫、常壓方式儲存在十萬立方公尺的保冷儲槽中,配合市場的需要把液化天然氣轉化為氣態天然氣,並透過高壓的陸管或海管輸氣管線供給電廠或瓦斯公司使用,調度應用上相當靈活。

 

目前我國天然氣約98%依賴進口,自卡達、馬來西亞、印尼等產氣國進口液化天然氣,再於液化天然氣接收站氣化為氣態天然氣,經由輸氣管線送至各地供氣中心,提供發電業、工業、商業及家庭用戶使用。另有2%是自產天然氣,用於調整及穩定其熱值。近幾十年來天然氣使用量激增,在台灣主要用於燃氣發電(占80%)及民生、工業用戶使用,其中台電有5家燃氣電廠及民營燃氣電廠7家,民生用戶約350萬戶,大宗工業用戶約500家,且使用量逐年增加。

 

液化天然氣接收站與輸儲

 

我國目前有台中及永安兩座液化天然氣接收站,台中廠二期擴建計畫正進行中,預計於民國108年底擴建完成後,台中廠營運量可提升至500萬公噸∕年,兩廠合計約可達1,400萬公噸∕年。另外,規劃於桃園興建第三座接收站,這是配合「大潭電廠增建燃氣複循環機組發電計畫」於大潭電廠增建3~4部燃氣複循環發電機組的新增用氣需求而規劃,建成後天然氣市場用量將持續成長。

 

液化天然氣在生產端經一連串超低溫(攝氏零下162度)處理予以液化後,體積約縮小為原來的1∕600,並以船舶跨洋長途運輸,至接收端後再於接收站接收與氣化。接收站大都興建在沿海港口,主要是方便船舶停靠卸收,並以源源不絕的海水為熱源氣化天然氣。接收站主要任務包括卸收、氣化、輸儲等工作。

 

液化天然氣卸料設施─卸料區包括可供液化天然氣船靠卸的棧橋式卸收碼頭,碼頭包括卸料平台、服務平台等設施,卸收平台上裝置有數支卸料臂(其中一支是備用、一支是蒸發氣回氣臂),卸料臂都具自動緊急脫離控制系統,發生意外時可使液化天然氣船迅速與卸料臂脫鉤而駛離,避免危險產生。

 

液化天然氣儲槽─一般可分為地下式儲槽及地上式儲槽二種。儲槽設計的容積以船舶容積及氣化量而定,一般標準儲槽容積是16萬公秉,儲槽的內含設備包括一級泵浦、控溫系統、起重設施、密度及液位監視系統、沉陷及傾斜監測、地震監測、儀控系統、消防系統等設施。

 

液化天然氣氣化器─氣化器是把液態天然氣氣化成氣體,一般分為開架式及沉燃式。開架式氣化設施是以海水為熱源,直接使液化天然氣氣化為天然氣,由於開架式氣化器不需燃氣,具有可靠性高、低運行費等特點,因而接收站大都用開架式氣化器。沉燃式氣化器是以天然氣為燃料加熱水浴,再氣化天然氣,沉燃式的特點是所占空間小,但運行成本高,需要以天然氣作為燃料,也會有廢氣排放汙染的問題,通常只作為調峰或開架式氣化器維修時使用。

 

蒸發氣再冷凝器─由於液化天然氣在儲存過程中產生大量的蒸發氣,一般處理的方式是直接排掉、直接輸出和再冷凝3種方式。其中直接排放由於有浪費能源及汙染大氣之嫌,除非緊急情況,目前已不採用;直接輸出是把蒸發氣壓縮到外輸壓力後,直接送至輸氣管網;再冷凝可採用液化天然氣管線冷凝蒸發氣,再以壓縮方式把蒸發氣降溫至液化天然氣溫度後再打入儲槽,借助液化天然氣冷能可避免能源浪費,降低生產耗損。

 

天然氣輸送至用戶端的方式主要有管道天然氣、壓縮天然氣、液化天然氣等三種方式。管道天然氣是透過高壓管道網路輸送至用戶終端;壓縮天然氣則把氣體壓縮至原來體積的1∕200,再以高壓槽罐車運輸;液化天然氣是透過槽罐車、油輪等運輸,再於使用者端安裝氣化器使液化天然氣氣化後運用。目前台灣的天然氣傳輸都以高壓輸氣管線輸儲,於液化天然氣接收站把氣化後的天然氣送至各配氣站或計量站供用戶使用。

 

台灣已建構環狀輸氣網路,陸上輸氣幹線長約500公里,並以永安至通霄全長約238公里的海底管線形成台灣中南部環狀輸氣網。另有一條台中經通霄至大潭長約135公里的海底輸氣管線,與中北部陸上管形成另一環狀輸氣網,整合成「8」字形環狀輸氣網路。未來也規劃於台中液化天然氣接收站設置液化天然氣灌裝場,以液化天然氣槽車載運供應至各地液化天然氣加氣站或地區液化天然氣衛星站供客戶使用,使天然氣應用更靈活。

 

液化天然氣冷能的利用

 

 

不同溫度範圍液化天然氣冷能可利用的項目
▲不同溫度範圍液化天然氣冷能可利用的項目

 

液化天然氣以船舶運送至台灣後,須再把它氣化利用。在氣化過程中,伴隨大量冷能(液化天然氣由攝氏–162度升溫至15度計算,可產生約230 kWh∕t的冷能)產生,把冷能回收再利用可避免冷汙染對海上環境的破壞,因此接收站都會配合國家節能減碳能源政策規劃液化天然氣冷能的利用,並增加能源使用效率。

 

台中及永安接收站都有液化天然氣冷能利用的設備,其應用領域主要分為:冷壓能發電、空氣液化分離、重烴分離、冷能冰水空調、蒸發氣預冷、低溫海水養殖等。目前沒有任何一種利用方式完全涵蓋–162度至15度溫度範圍,冷能利用應考慮不同溫層階梯的利用以提升績效,避免能源浪費。

 

面臨化石燃料造成的生存危機,全世界都動起來了,具有豐富性、清潔性與經濟性的綠色能源無疑是解決這波生存危機的一帖良方。雖然距離理想的目標仍有一段距離,可以利用現階段能接受的過渡能源─天然氣來支撐。我國是天然氣進口國,在天然氣應用上應整合天然氣進口、生產、輸儲及行銷系統的建構,同時增建及強化天然氣儲運設施,加強檢測與維護,尋求天然氣源,確保穩定供應及安全,以充分滿足國內市場需求。

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