大都市影響千里之外的氣溫

本文由 台灣中油股份有限公司 委託，泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加，各國紛紛宣布淨零排放（Net Zero Emissions）的目標，聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術（Carbon Capture Utilization and Storage，簡稱 CCUS）」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼？ 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存，進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段，也就是將二氧化碳抓下來，並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳，可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢？現在已經能主動把二氧化碳抓下來！？抓下來的二氧化碳又去了哪裡？》。 

至於捉下二氧化碳之後，該存放在哪裡呢？科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯，地底可不只有石頭跟蜥蜴人，只要這些石頭中存在孔隙，就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在，我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

封存的地質條件也很簡單，第一，要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」，通常是砂岩。第二，有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石，用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」，常見的是頁岩。只要儲集層在下，蓋層在上，就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存？ 

臺灣由東往西，從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽，都有深度達 10 公里的廣大沉積層，並且砂岩與頁岩交替出現，可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點，有個很直接的作法，就是參考石油、天然氣的儲存場域就好，也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間，重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田，主要集中在西部的苗栗與臺南一帶，在 1959～2016 年，累計產了 500 億立方公尺的天然氣，和超過 500 萬公秉的凝結油。 

而至今這些枯竭油氣田，適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田，不只是封閉型背斜構造，更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後，從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式，已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層，進行小規模的二氧化碳注入，作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測，驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

更多詳細內容及國際 CCUS 案例，歡迎觀看影片解惑！ 

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放？這怎麼可能？

2023 年 11 月，台電和中研院共同發表去碳燃氫技術，說是經過處理的天然氣，燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒，減碳方式百百種，就是這個聽起來最怪。但仔細研究後，好像還真有這麼一回事。這種能發電，又不產二氧化碳的巫術到底是什麼？大量使用天然氣後，又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的？

去碳燃氫是什麼？

去碳燃氫，指的是改良現有的天然氣發電方式，將甲烷天然氣的碳去除，只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前，我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

最近不論台灣、美國或是許多國家，都提升了天然氣發電的比例，但天然氣發電真的有比較好嗎？

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告，若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料，並以燃燒率百分之百來計算，燃料每釋放一兆焦耳的能量，就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣，則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳，大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中，不只有碳元素會提供能量，氫元素也會氧化成水並放出能量。

除了碳排較低以外，煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質，燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ，或是溫室效應的另一主力氧化亞氮（N2O）。具體來說，產生同等能量下，燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然，也別高興這麼早，天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體，一但洩漏問題也不小。關於這點，我們放到本集最後面再來討論。

燃燒天然氣還是會產生二氧化碳？

雖然比較少，但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式，不才是我們的終極目標嗎？別擔心，為了讓產生的二氧化碳量減到最小，我們可以來改造一下甲烷。

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下，甲烷就會和水蒸氣反應，變成一氧化碳和氫氣，稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上，都是用此方式製造的，也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳，還可以在銅或鐵的催化下，與水蒸氣進一步進行水煤氣反應，變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純，只有氫氣與二氧化碳，因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少，也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼？

即便我們能將甲烷蒸氣重組，但只要原料中含有碳，那最終還是會產生二氧化碳。那麼，我們把碳去掉不就好了？去碳燃氫，就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣，而留下來的碳黑，也就是固態的碳，可以做為其他工業原料使用，提升附加價值。

在氫氣產業鏈中，我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫，而搭配碳捕捉技術的氫，則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫，例如搭配太陽能或風力發電，將水電解後得到最潔淨的氫，則稱為綠氫。而介於這兩者之間，利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫，則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫，重點是如果真的不會產生二氧化碳，那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術，聽起來應該也不會太難吧？畢竟連五◯悟都可以一分為二了，甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳？

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢？

很簡單，加溫就好了。

只要加溫到高過攝氏 700 度，甲烷就會開始「熱裂解」，鍵結開始被打斷，變成碳與氫氣。

等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解，划算嗎？

甲烷裂解確實是一個吸熱反應，也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式，一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量，才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後，會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對，直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況，中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電，與先去碳再燃氫的方式相比，發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳，發電量下降了，但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢？

在近二十幾年內，科學家嘗試使用各種材料作為催化劑，來提升反應效率。最常見的方式，是將特定比例的合金，例如鎳鉍合金，加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金，與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實，鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下，轉化 95% 的甲烷。

中研院在 2021 年 3 月，啟動了「 Alpha 去碳計畫」，進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現，盡管在理論上行得通，但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣，熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體，不斷從表面冒出，需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此，即便理論上可行，但熔融合金的催化方式，還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎？

有趣的是，找了好一大圈，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊，你卻不知道它正在等你的那個催化劑，碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年，才有韓國團隊，嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

他們在高溫管柱中，裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現，在 1,443 K 的高溫下，能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一，因此整個裝置除了碳鋼容器以外，只有碳與氫參與反應，不僅成本低廉，要回收碳黑也變得容易許多。

目前這個裝置需要加緊改良的，就是當碳不斷的積蓄，碳粒顆粒變大，反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料，會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後，我們回頭來談談，在去碳燃氫技術逐漸成熟之後，我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主，還是雙面刃？

去碳燃氫後的第一階段，還是會以天然氣為主，只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺，氫氣則為每秒 2.9 公尺，有著更劇烈的燃燒反應。因此，目前仍未有高比例氫氣的發電機組，氫氣的最高比例，通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連，使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠，使用 5 % 氫氣的示範計畫，並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計，光是 5 % 的氫氣，就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

但隨著天然氣的使用量逐步提高，我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應，是不可忽視的！

根據 IPCC 2021 年的報告，若以 20 年為評估，甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍，以 100 年為評估，效果為 29.8 倍，是僅次於二氧化碳，對於溫室效應的貢獻者第二名。這，不可不慎啊。

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏，加上運輸時的洩漏，如果沒有嚴格控管，我們所做的努力，很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究，發現從 2012 到 2018 年，全球的甲烷排放量增加了 60 % ，從煤炭轉天然氣帶來的好處，可能因為甲烷洩漏而下修。當然，我們必須相信，當這處漏洞被補上，它還是能作為一個可期待的發電方式。

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明，以長期來看，由煤炭轉為天然氣，確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒，天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源，千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜，為什麼不直接發展綠氫就好了？

確實，綠氫很香。但是，綠氫的來源是電解水，而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水，因此若要大規模發展氫能，通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外，綠氫本來就是屬於一種儲能的形式，在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前，當然直接送入電網，還輪不到拿來產綠氫。

相比於綠氫，去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排，並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備，就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然，除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等，都還沒介紹呢！

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外，也可以觀看這個介紹白氫的影片，一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它，會是下一個能源救世主嗎？

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參考資料

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• https://www.scimonth.com.tw/archives/…

馬斯克的「氫能愚蠢說」被打臉了嗎？

馬斯克曾多次斷言發展氫能是個愚蠢的決定，更說氫氣不會自然出現在地球上。

然而今年 7 月，美國新創公司 Koloma 從比爾蓋茲與其他投資者手中，獲得了總計 9100 萬美元的融資，準備開採地下氫氣。今年 9 月，地質學家更是直接在法國的地底下發現大量氫氣，總量估計有 4,600 萬噸。
而且比起需要搭配綠能或是熱裂解設備才能製造的綠氫與灰氫，這些氫氣價格將會十分低廉，難道，氫氣的時代要到來了嗎？為了環保，我們得挖呀挖呀挖？

地球上真的還有氫氣嗎？

這張照片就能證明地底中含有氫氣？

這拍攝於澳洲的珀斯盆地，大大小小的圓圈被稱為仙女圈，在仙女圈內沒有植物生長，甚至向內凹陷形成鹽湖。當科學家調查這些仙女圈，他們意外發現土壤中竟然含有氫氣。氫氣與仙女圈之間的確切關係還未知，有人推測可能氫氣抑制了植物或是微生物菌落的生長，使得該區光禿甚至土壤流失。

我們知道氫氣是世界上最輕的氣體，一旦進入大氣，就會向上飄散，直至被拋至太空，離開大氣層。然而地球的大氣層中還是有少量的氫氣被束縛住，大氣濃度約為 0.55 ppm ，是臭氧的 13 倍。

但只要沒有進入大氣，還是被封在地底的氫氣因為不容易溢散，至今存量還很豐富。不只在澳洲，世界各地都觀察到了氫氣從地底向地表洩漏的情形。

第一炬奧運聖火至今還在燃燒？

位於土耳其奧林匹斯山山谷，就在希臘火神赫菲斯托斯的神廟廢墟上方，大大小小的火焰從土石間冒出，就好像赫菲斯托斯至今都還存在在該處一樣。該地的冒火處有十幾個，總燃燒面積高達 5000 平方公尺。

根據地質學家推估，這片火焰已經燃燒了 2500 年，根據史料比對，很有可能就是最早奧林匹克聖火的發源地。

地質學家調查了這股火焰的形成原因，發現從岩石中噴出的氣體，除了含有 87 % 的甲烷以外，還含有百分之 7.5 到 11 是氫氣。這股持續 2500 年間不斷冒出的氣體，根據地質學家推估，與石油、天然氣成因不同，並不是因為遺骸或微生物等生物原因才產生的。而是大地之母地球源源不斷提供給我們的，這又是怎麼一回事？

氫氣知多少：哪來這麼多地底氫氣？

地底的氫氣怎麼來？

這與岩石的變質作用息息相關，我們知道火成岩、沉積岩會在高溫高壓下產生變質作用，轉為性質截然不同的變質岩。而富含鎂與鐵的矽酸鹽類礦物，例如橄欖石、輝石，當他們在高溫環境下與水作用，會轉為蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦等礦物，這個過程稱為蛇紋石化作用。

這種作用是一種化學反應，會將大量的水吸入岩石，讓岩石的密度下降。在反應結束後，除了礦物特性產生變化以外，還會生成副產物，也就是氫氣。如果地層中又剛好有二氧化碳存在，就會在高溫的環境下進一步甲烷化，將氫氣與二氧化碳轉成甲烷。

目前科學家認為，大部分地層中非生物性原因產生的的氫氣與甲烷，多是由這樣的過程產生的。奧林匹斯山的聖火，推測也是這樣產生的。

而對於地質學家來說，也代表尋找天然氫氣這一目標，也可以從盲目搜尋，轉為限縮在尋找有經歷過蛇紋石化作用的地層上。

但除了蛇紋石化作用以外，大自然還有兩種生產氫氣的主要方式：深層蘊藏與水的輻解。

地球內的氫氣

在地底深處，推測蘊藏著大量氫氣。它們深達地底，甚至可能存在於地函與地核之中。

我們現在的技術當然無法直接來個地心探險開採這些氣體，但科學家陸續從美國、俄羅斯、東歐等地的岩石鑽探結果可以觀察到，在越深的地方氫氣濃度越高。因此地質學家推測這些氫氣可能來自更深的地方，並正從橄欖岩緩緩地擴散，進入靠近地表的岩層之中。

然而，因為我們還無法進入地底，因此即便我們知道它們存在，但對於這些氫的形成原因目前還未有結論。有些科學家放眼整個太陽系的形成過程，推測在原始地球形成時，整顆行星包含地核之中就有氫的存在。而也有人認為，地核中的鐵元素與水反應，形成氧化鐵與一氫化鐵兩種物質型態，將氫存在地核之中。

這個問題的解答，就等待地球科學家為我們帶來解答吧。而且了解這些元素存在於地核、地函的形式，也可以解開許多未知謎團，例如地核的詳細組成分、地函存在異常低電阻區的原因、改善地函動力學模型，以及找出哥吉拉到底在哪裡等等。

輻射也能產生氫氣？

地殼中的釷、鈾等放射性元素，在漫長的衰變過程中，會緩慢地將地層中的水分子鍵結破壞，形成氧氣與氫氣。例如一顆 1 MeV 的 α 粒子，平均足以讓 10 個水分子解離。而當岩石擁有更高的孔隙率， α 粒子會更有機會與水分子產生作用，會有更高的氫氣產量。

但其實，考慮到衰變的速度以及放射性元素存在於地底的超低含量，這個方式的效率並不高，而且實際上 α 粒子用來解離水分子的能量只消耗了 1 % ，剩餘的能量都還是被附近的岩層吸收，以熱的形式消耗掉。

除了產量不高以外，理論來說在輻射發生的地方，應該要能看到氫氣與氧氣同時存在，但目前實地調查的結果，都只有發現氫氣。氧氣是否進一步參與了其他反應，或是已經逸散，或甚至這個理論需要再做調整，還需要更多的研究。

好的，我們知道氫氣是怎麼產生的，那麼重點是，我們到底有多少氫氣能用呢？

地底有多少氫氣？

世界各地都有發現自然氫氣的存在。對了，雖然這張地圖看起來氫氣的發現地點都集中在北亞與東歐，但這只是因為目前的探勘都聚集在這邊，並不代表真實的氫氣分布。

這些來自地底的氫氣，我們稱為地質氫，如果用顏色來分類，則稱為白氫或是金氫。如果氫氣的開採規模能像天然氣一樣龐大，白氫的價格，預計會落在每公斤 1 美元。

相比之下其他的氫氣生產方式，例如我們上次提到，由蒸汽重組產生的灰氫，售價約為 0.9~3.2 美元。由綠能生成的綠氫則是 3~7.5 美元。因此，如果白氫正式被大量使用，將大幅降低現在的氫氣價格，甚至帶動氫氣運輸、儲存、發電機組等產業鏈的發展，連帶降低其他顏色氫氣的隱含成本。

比爾蓋茲與氫能產業

與馬斯克看衰氫能不同，比爾蓋茲不僅投資白氫的開發，也投資了不少氫能產業。

例如他就投資了西班牙公司 H2SITE ，一間致力於氫能運輸與氫氣製造的公司。因為現在運輸氫氣的成本是製造氫氣的三倍，如果能降低運輸成本，將有助於整個氫氣產業的發展。在開採方面，各國也都開始投入地質氫的調查與開採技術研發。

美國地質調查局初步估計，全球地底下可能藏有百億噸的氫氣等著被開發，能滿足全人類數千年的能源需求。當然，這個數字並沒有考慮到開發的困難度，只是單純地以全球存量作分析。

但也有人正打算轉個念頭，何不將熱水注入富含鐵的岩層中，促使更多的氫氣產生？類似於地熱發電會使用的增強型地熱系統，只是我們獲得的不是直接的熱能，而是氫氣。

什麼？氫氣也是溫室氣體？

話說回來，氫氣真的會成為救世主嗎？先等等，事情可能沒那麼簡單。

氫氣作為最輕的氣體，存在於大氣的壽命大約只有兩年。但氫氣在存在的這段時間中，會與大氣中的羥自由基和其他氣體作用，產生一系列的反應。造成的結果包含增加甲烷停留在大氣的時間、臭氧的增加、與平流層中水氣的增加。

因此，氫氣屬於一種「間接」溫室氣體，氫氣的一百年全球暖化潛勢 GWP 100 ，被評估為 11.6 ，也就是以 100 為區間進行評估，氫氣的溫室效應是二氧化碳的 11.6 倍。

此外，我們對氫氣的研究還太少，所以才到現在才發現它就在我們的身邊。而就跟我們上次提到的一樣，大量使用天然氣，就意味會有許多天然氣洩漏。而伴隨著氫氣被大量開採，一定會有更多的氫氣被釋放到大氣之中。這對我們的大氣是否會產生負面效應，甚至於弊大於利，都還需要更多研究。

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參考資料

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