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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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?

圖為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。圖片來源:擷取自metichannel Youtube

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6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。

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。

圖為日本中部電力公司的碧南火力發電廠,也是目前規劃最早用來進行大規模氨氣「混燒」實驗的

火力發電廠。圖片來源:Wikipedia (CC BY-SA 3.0)

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。圖片來源:擷取自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】

日本經濟產業省資源能源廳(2021年1月15日),アンモニアが“燃料”になる?!(前編)~身近だけど実は知らないアンモニアの利用先

日本國立科學技術振興機構,アンモニアを燃やして発電

日本經濟產業省資源能源廳,第4節 燃料アンモニアの導入拡大に向けた取組

EverGreen(2022年3月1日),アンモニア発電とは?メリット・デメリットや課題について解説

日本經濟產業省資源能源廳(2021年1月29日),アンモニアが“燃料”になる?!(後編)~カーボンフリーのアンモニア火力発電

EMIRA(2021年6月2日),アンモニア発電とはどんな技術? ポスト炭素燃料開発のいま

EMIRA(2021年6月18日),既存燃料との併用から100%アンモニアへ! IHIが見据える次世代火力発電ビジョン

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