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超超臨界是什麼?如何增加火力發電的效率?──煤的旅程(二)燃燒過程篇

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/11/16 ・3285字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

  • 文/陳柏宇

上一篇我們討論了使用煤炭的前置處理,歡迎來到第二道程序「燃燒過程」。燃燒的過程,怎麼變「乾淨」?

燃燒的過程,怎麼變「乾淨」?圖/pixabay

讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法,有三個主要的方向:

1. 讓煤或固體燃料燃燒得更完全。
2. 提高能源轉換效率、讓生產單位電力所使用的燃料減少。
3. 完全改變原本的燃燒方法。

粉煤機讓煤變小,比較好混

第一個讓燃燒過程更「乾淨」的方法,增加燃煤燃燒效率

可以開始想像一下國中理化或是國小自然教的內容:當反應面積增大的時候,反應可以比較完全。因此在燃燒前,我們會將煤炭送進粉煤機變成粉煤(pulverized coal ),除了燃燒效率提升外,黑煙或是廢氣的產生也可以減少許多。如前文提到的,不同煤種會有不同燃燒特性,也是在這個階段進行「配煤」,搭配出最適合的比例。

新技術流體化床讓固體變流體,燃燒更完全

上頭講到的讓粉煤進入鍋爐內燃燒,燃燒可以比較完全沒錯。但大家應該知道粉塵這種東西易燃易爆炸,會導致鍋爐裡的溫度非常高,長期下來對於鍋爐影響甚鉅,爐壁甚至會有結渣問題,氮氧化物也會偏高,真的很麻煩。

因此,讓我們用完全不一樣的流體化床fluidized bed)概念取代傳統像燒金紙那樣通通丟進一個桶子裡開始燒的運作方式,在  1970 年代左右,流體化床fluidized bed)的應用逐漸成形。

流體化一詞是用來描述固體與流體接觸時的一種運動狀態。將固體放在有氣孔的容器中,當有氣體透過孔洞噴吹快速進入容器中、速度逐漸加快時,固體顆粒將會開始懸浮、分離,並且可以自由的運動或轉動(可以想像成吹麵粉裡的乒乓球),這時這些固體的性質開始接近濃稠的液體。繼續講原理可能還要一萬字,所以就先在這裡打住囉。

說到流體化,目前最能體現這項技術的大概只有貓星人了!Image credits: guremike

這樣一來有甚麼好處呢?

相比傳統鍋爐(固定式),流體化床的固體顆粒可以均勻分布於爐內、氣體與固體間的熱質傳較高、一次燃燒的總物量相對較大、操作溫度不高比較穩定等等。破碎後的煤中加入生質物料、甚至是破碎廢棄物混燒等,流體化床都相對會是個比較好的選擇。

除了燃燒效率之外,流體化床對於污染也有幫助。例如對於高含量硫份的物質,例如前兩年都吵很兇的生煤、石油焦,可以在燃燒時就先加入石灰石,讓他們一起激情翻騰燃燒,大幅減少硫氧化物的排放量。另外,流體化床爐溫較傳統的燃燒爐低,製造出的氮氧化物的濃度也就相對較低。

目前這樣的爐體在台灣並不多,除了永豐紙業、以及台汽電外,還有台塑真的拿來燒石油焦。國際間規模也因為爐體設計上的問題,使流化床鍋爐的功率(目前最大 460 MW)仍略小於傳統鍋爐(600 MW以上)。未來如果往循環經濟的方向前進,這是必須進步的技術。

提升發電效率:「超超臨界」到底是甚麼?

大家現在對於「超超臨界」這個名詞大概不陌生,但要知道超超臨界是甚麼,我們需要先來簡單了解一下火力發電的運行,整個過程可不只是燒煤而已喔。簡單來說就是蒸汽機的原理:用煤火燒水變成水蒸汽,透過水蒸汽的高壓推動渦輪機再帶動發電機,出力完畢的水蒸汽冷凝後再加熱進入新的循環。

細節版在這裡:
1. 工作流體(多數為水)先被壓縮,在壓力下成為高壓流體,溫度也跟著上升。

2. 高壓流體來到鍋爐進行加熱,高壓流體吸收了外部熱源成為過熱蒸汽。

3. 過熱蒸汽膨脹後,推動渦輪機發電;蒸汽的溫度和壓力降低,成為濕蒸汽。

4. 濕蒸汽然後進入冷凝器,被冷凝成為飽和液體,並重覆回到第一步驟。

恭喜你,已經看完了工學院都知道的「郎肯循環」(Rankine Cycle)。那超超臨界到底是甚麼啦?先來看一張圖,這是水的三相圖,就是水有三態,固態、液態和汽態的意思。

水的三相圖。(圖:泛科學重製)

以上為一般的循環,而如果把水加壓加壓再加壓 (250 bar 以上)、加溫加溫再加溫(600℃ 以上),它就會突破我們稱之為臨界點的境界(上圖的粉紅色點點)。從此時起,變成具有液態、汽態特性的流體。然後把上面講的郎肯循環拿來解釋一下,如下圖。

左圖為普通機組的郎肯循環,右圖為與超臨界機組郎肯循環示意圖。(圖:泛科學重製)

左邊是原來亞臨界樣子,右邊是超臨界的樣子,因為上邊界明顯上移,中間圍起來的部分變多了,而中間的範圍其實就發電機轉換出電能的部分;所以超超臨界重點就在於在循環中提高輸出的效率。根據台電月刊提供的數據,主蒸汽壓力每提高 1 MPa,機組的熱效率可提升 0.13 ∼ 0.15 %;主蒸汽溫度每提高攝氏 10 度,機組的熱效率可提升 0.25 ∼ 0.30 %。效率更高、生產單位電力所使用的用煤量較少,也是減少污染重要方法。

這就是國際間目前講求的高效低排放(HELE)燃燒技術,概念上大概一百年前就存在了,只是礙於材料技術的發展,大約 70 年前才出現第一座超臨界機組(規模不大);大約十年前,才有第一座超超臨界。超超臨界機組整體發電效率比起亞臨界多上 6~10 %,整體的發電成本也相對減少。國際上,近幾年火力電廠的機組翻新,之前熱議的深澳電廠,也都採用這種方法。

而以目前的林口發電廠為例,該廠舊機組於 2014 年除役,1、2 號機改以超超臨界機組運轉,與其過往亞臨界機組相較,發電效率由 38% 提升為 45%,亦即在發電量相同的情況下,每年可減少 20% 排放,遠低於法規標準值(如下表),這也是為甚麼會有排放水準接近燃氣的說法出現。

台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。(資料來源:台灣電力公司)
台灣各燃煤機組氮氧化物106年平均排放濃度圖。(資料來源:台灣電力公司)
106年林口電廠排放現況。(資料來源:台灣電力公司)

從上圖來看,已經更新的林口電廠相較於台中或是興達電廠的排放有相當的區別,與燃氣電廠的標準也相當接近。另外,不僅止於發電效率高以及低排放量,因為工作流體的單相特性,鍋爐在飼水部分可以快速的做調節。也因此,升降載比傳統鍋爐也可以更加快速,打破了我們對於煤電的「基載」想像,或是配合空氣污染做及時的降載調節。

林口發電舊機組於 2014 年除役,1、2 號機改以超超臨界機組運轉,發電效率由 38% 提升為 45%。圖/Wikimedia

至此,我們還算順利的結束了第二道關卡「燃燒」。除了上面介紹較為成熟應用的技術以外,仍有許多讓燃煤更有效率的技術正在發展中,在未來幾年能源市場仍由煤炭主導的情況下,希望能讓燃煤發電朝更環保並保有競爭力的方向進展。

但是還沒結束喔,如果燃燒完後就直接排出,造成的污染還是很可怕。所以目前有哪些技術在處理燃燒後的廢氣呢?讓我們準備一起邁向下一關:燃燒後處理(post-combustion)啦。

參考資料:

  1. Power Technology:Lean and clean: why modern coal-fired power plants are better by design
  2. 蔡孟原(2010年6月)。循環式流體化床鍋爐。科學發展月刊,450期,pp.26-32。

本文由台灣電力公司委託/廣告,泛科學企劃執行

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首度解密電力研發基地!台電今起電幻 1 號所秀 25 項研究成果
PanSci_96
・2022/09/14 ・1529字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你知道台電有個電力研發基地嗎?台電綜合研究所因應電力研發試驗需求設立,至今已超過 20 年,平均每年進行近 400 項研究專案,是我國電力研究重鎮,今年更首次公開展出研究成果,舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」,今(14)日在板橋車站旁、全台首座綠能主題展館的「電幻 1 號所」盛大開展。台電表示,此次共展出 25 項電力研究成果,將電力專業知識轉化為與你我相關「看得懂的研究」,今日起免費展出至 10 月 14 日,歡迎民眾一同探索、揭開電力研發基地神秘面紗。

台電今日上午於電幻 1 號所舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」開幕活動,現場由中央研究院院長廖俊智、國家實驗研究院院長林法正及台電代理董事長曾文生等各界貴賓共同為展覽揭開序幕,並於希爾頓酒店舉辦「智能綠電新未來論壇」,邀請美國電力研究所(EPRI)、亞太能源研究中心(APERC)及彭博新能源財經(BNEF)分享國際電業趨勢,與產官學界進行深度對談。

台電說明,台電研發機構最早可追溯到1968年創立的「電力研究所」,隨研究需求及規模擴張,2001 年正式成立「綜合研究所」至今,扮演著支撐穩定供電、帶動能源轉型的電力核心技術關鍵研究單位,台電綜研所近年積極投入低碳能源與友善環境相關研究,並持續與美國電力研究所(EPRI)、彭博新能源財經(BNEF)等組織進行國際技術交流,以科學研究務實推動能源轉型。

台電指出,此次成果展以「綠潮」為主題,取自「綠」能與國際浪「潮」,突顯綜研所除致力綠能研究,更時刻與國際接軌。展覽共分為「Future、Power、Smart、Green」四大展區,展出 25 項電力研究成果,並第一次與YouTube影音平台訂閱超過 40 萬人、全台最大知識科普社群 PanSci 泛科學合作,將專業電力知識轉譯,搭配擬真模型、解說影片及 VR 裝置等生動有趣互動模式,主打「看得懂的研究」首次對外展出,期望打開民眾對電力的想像與視野。

台電也分享展覽 3 大「必看亮點」,首先推薦「Future」展區可看見未來智慧城市樣貌的「未來電桿」。台電說明,全國電桿數量超過 300 萬支,隨時都可能有各種如颱風天災等突發狀況,台電讓電桿搭載感測器,並結合 AI 影像辨識技術人工智慧及物聯網技術,使電桿具有自動檢測控制功能,目前先於桃園、新竹地區試驗,未來廣泛布建後,除可遠端即時掌握電桿狀態、提升搶修維護效率,更可讓電力線路基礎設施成為能源網路,甚至是城市資訊數據的傳輸平台。

而國際正夯的「碳捕捉」技術也可在展覽中的「Green」展區一探究竟,台電將位於台中電廠已實際投入發電機組排碳捕捉的碳捕集設備,打造成結合科技感互動與聲光展示的「超擬真」模型,直接搬到展場。此設備未來更將以年碳捕捉量 2000 噸為目標。

台電綜合研究所所長鍾年勉(左)向中央研究院院長廖俊智(中)及台電代理董事長曾文生(右)講解台中減碳園區碳捕捉流程。

台電此次展覽亦第一次對外發表國內首創的「產業動態指數」,綜研所分析近3萬具高壓智慧電表所收集的電力大數據,並依據產業用電特性,結合生產力指數、節假日及氣象等多元資料,透過 AI 模型演算,建構出可每日即時更新的經濟領先指標「產業動態指數」,目前已透過 B2B 商業模式,提供企業作為產業發展分析重要依據。

台電表示,此次綜研所成果展自今日開幕,將於電幻1號所展出至 10 月 14 日(開館時間 10:00-18:00,週一休館),歡迎有興趣的民眾前來探索台灣電力研發基地的神秘面紗!

台電綜研所成果展分為「Future、Power、Smart、Green」四大展區,將於電幻1號所展出至10月14日。
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地球在 20 年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落
Mia_96
・2021/10/23 ・2760字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師

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氣候變遷時代,我們還需要林口燃煤電廠嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/12/19 ・4995字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

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  • 文/廖英凱

本次的系列文章中,我們討論了燃煤發電的三個重要的階段,包含前處理燃燒過程燃燒後處理。在本文中,就讓我們來認識設置於北台灣,擁有最新超超臨界技術的林口電廠的過去、現在、以及未來吧。

回首來時路:蓋建築前先蓋電廠是常識吧?

蓋建築前先蓋電廠?!圖/Pixabay

1960 年代,伴隨台灣工業起飛的用電需求攀升,台灣電力公司在台北縣林口鄉(現為新北市林口區)下福里的海邊興建了林口發電廠,廠內設置了兩座裝置容量各為 300 MW 的燃煤與燃油機組,為當時單一機組裝置容量最大的發電機組。1970 年代,能源危機使原油價格飆漲且供應不穩,林口電廠將燃油機組改建為燃煤機組以降低發電成本並提升能源穩定。由於燃煤機組不適用於尖峰時期的電力負載調度,1998 年,林口電廠另增設了兩座裝置容量各 150 MW 的天然氣/輕油雙燃料氣渦輪發電機。至 2011 年間,林口電廠可提供 900 MW 的電力,約為當時台電總裝置容量的 2%。

由於機組使用年限已逾 40 年,2005 年起林口電廠「先建後拆」的方式,於廠區空地開始規劃興建兩座裝置容量各 800 MW 的超超臨界燃煤機組;並於 2011 年將林口電廠的既有四部機組開始除役; 2016 年與 2017 年,新的兩部機組開始商轉供電。同時,於原機組拆遷後的空地興建第三座 800 MW 超超臨界燃煤機組,預計於 2019年商轉供電。屆時林口電廠將可提供 2400 MW 的裝置容量(註:中火燃煤為 5780 MW;大潭燃氣為 4984.2 MW)。

這煤很純,不來一點嗎(?)

煤炭的使用歷史悠久,自人類進入工業化時代,煤炭與工業的發展、與近代文明的進展高度相關。由於礦藏分佈世界各地且儲存容易,而使煤炭價格低廉且供應穩定,特別適合大型工業與發電業使用,在全世界的能源消費中,大約佔了 28%1,2,僅次於石油的消費。在台灣的情境中,台電所屬的燃煤電廠,每年也約消耗了 3000萬公噸的煤炭。

雖然煤炭的主要成分是碳,但仍含有氫硫氧氮等元素,這是由於煤炭是古代植物的化石,經由長時間的生物與地質作用碳化而成。不同地區的煤礦碳化程度不同,依碳化程度由低至高,常分類為為泥煤、褐煤、亞煙煤(次煙煤)、煙煤(生煤)與無煙煤。由於碳化程度越低,雜質也越高,而容易在燃燒後產生氣體污染。例如,煙煤的碳含量大約是在 69% 至 89% 之間3;而無煙煤的碳含量則提高為 86% 至 98% 之間,其餘的雜質則為水、空氣、氫、硫、氮等物質組成。這些雜質導致煙煤的燃燒,比起無煙煤會產生更多的煙、氣體污染,且熱效率也較低。不過值得一提的是,含碳量略低於煙煤的亞煙煤,雖熱值較低,但因硫份也較低而較少污染。

因此,近幾年有部分地方縣市政府,試圖制定禁燒生煤條例或停止核發「生煤許可」,就是希望能避免燃燒雜質較高的煙煤,而加劇空氣污染的程度。只是由於越高品質的煤炭成本也會隨之提高,產量也較少,實務上燃煤電廠仍多使用亞煙煤與煙煤作為燃料,而高品質的無煙煤則較常見於家用燃料或暖氣,應用在無法裝設過濾與環保設施,且與人類生活更為接近的使用方式。

林口電廠實際所使用的煤炭,肉眼可見到煤炭上仍有少量磚紅色的雜質。攝影/廖英凱。

一約既定,山海難阻

由於煤炭需全部仰賴進口,煤炭的供需除須兼顧供給穩定與經濟效益以外,進口煤炭也應考量煤炭的成份以降低污染或提升效率。台電目前進口煤炭的國際合約,主要為印尼與澳洲,占總進口量的八成以上,其餘少部分則進口自俄羅斯、美國與哥倫比亞等。採購的種類則為亞煙煤與煙煤,並針對煤炭的熱值、水份、灰份與硫份訂定品質標準。

以主要進口國印尼和澳洲為例,印尼煤的熱值較澳洲煤低,代表電廠燃燒印尼煤的的發電效率較低,但澳洲煤的灰份與硫份卻比印尼煤高,使燃燒廢氣的污染較為嚴重,因此實務上當煤炭送進煤倉存放後,還會根據不同產地、批次的成分差異,以適當的比例混用入鍋爐燃燒,以同時達到燃燒效率與污染控制。

台灣進口煤炭種類與相關數值資料。
AD, Air Dry Basis:空氣乾燥基,與空氣濕度達到平衡的煤炭做為比較基準。
Gar, Gross Calorific Value:一公斤燃料完全燃燒時所釋放的全部熱量。
資料整理/廖英凱。圖表/泛科學製作。

仰賴海運進口的煤炭,也需要有港口疏運的配合。雖然自 2015 年起,林口電廠已設置了專屬的卸煤碼頭接收來自各產煤國的煤炭。但如果行經林口電廠附近,會發現仍有部分閒置的鐵軌與鐵路設備。這條已停用的「桃林鐵路」,是 1968 年,為搭配林口電廠新建而設立的專屬運煤鐵路,連接林口電廠與桃園火車站以銜接西部縱貫鐵路,而能載運來自台中港的煤炭,至 2012 年底鐵路停用為止,提供了每年 160 萬噸,3000 車次的 40 餘年運煤歷史。

林口運煤火車。圖/台電提供。

2012 年底桃林鐵路停用後,林口電廠並未停止營運,而是改以台北港接收煤炭後,再以濱海公路的卡車運輸進廠。然而火車每車次運量約 500 噸,但卡車僅有 23 噸。使公路運輸期間,每天須從台北港轉運 200-250 車次的卡車,才能滿足一台新機組每日 4600-5750 噸的燃料需求。對於規劃中最終將有三部機組,預計每年最高可至 630 萬噸的用煤量來說,公路運輸除交通上完全無法負荷以外,也會增加煤塵溢散的空汙問題與運輸轉運的能源消耗。因此,專屬的卸煤碼頭與密閉式的輸送系統,正可以確保輸送的穩定、效率與避免污染。

台灣還需要林口電廠嗎?

儘管污染防制與管理的技術與思維可以不斷精進與投入,但相較起眾多發電方式,燃煤電廠對於環境的影響仍相對較大。對於燃煤電廠新建或營運的顧慮,在可預期的未來也必然存在,然而所有的工程開發本為權衡輕重後的選擇。因此,有必要來簡略盤點對於當代台灣,我們還有哪些需要林口電廠的理由。

回到燃煤發電的本質,若未來沒有更為嚴苛的碳稅等政策工具的制定,則燃煤電廠仍因燃料取得容易,而擁有價格低廉與較天然氣相對穩定的誘因。從燃料的運送與儲存角度來看,煤相比起石油、天然氣、核燃料來得更容易儲存及運送,林口電廠目前規劃的煤倉,就能提供電廠 30 天以上的安全存量,相比起天然氣安全存量在 2019 年僅有 7 天,預計至 2027 年才提升至 14 天。此外煤炭也沒有天然氣供應鏈中的外洩問題4。因此,雖然燃煤欠缺負載調度的能力,但其低廉與穩定的特性,對於在選擇基載發電廠時,燃煤絕對具有相當大的誘因。

若回到台灣各區電力供需的狀況來看。長期以來北區均處於供不應求,而須仰賴中區的電力調度至北區。預估在 2025 年時,北區的電力需求為 14-15 GW(註:1 GW = 1000 MW),約為全台的 40%,而電力供給僅能提供 34% – 35%,而有約 5% 的電力缺口需從中南區調度。林口電廠 2.4 GW 的裝置容量,則可提供了 16% 的北區用電需求,在供需不平衡的狀況下,更顯其價值。

再以各區的電廠發電形式來考量 2025 年的情境,北區的燃煤電廠,屆時有花蓮和平電廠(1.3 GW)與林口電廠(2.4 GW)共計 3.7 GW 的裝置容量;中區的燃煤電廠則為台中電廠的燃煤機組(扣除4部機轉為備用機組之容量後,全廠縮減為 3.3 GW)與麥寮電廠(1.8 GW)共計 5.1 GW 的裝置容量;而南區的燃煤電廠則為興達電廠的燃煤機組( 2.1 GW)與大林電廠的燃煤機組(1.6 GW)共計 3.7 GW 的裝置容量。北中南三區的燃煤發電裝置容量比為 3:4:3 尚稱分配均勻,也意味者三分區的電力結構中,都仍保有相對低廉穩定的燃煤作為基載電力。

台灣電廠電網分布圖。圖/台電官網

從電力調度傳輸的風險和能量耗損來看,長途電力調度有主幹電網、變電所故障的風險,故需投資額外線路或設備以降低風險;長途電力傳輸也會有 4.5% – 4.6% 的線路耗損。因此,若有鄰近於重要工業區與人口密集區的大型電廠,則可以減少電力傳輸與電壓所造成的能量消耗。

最後考慮未來太陽光電與風力發電占比大幅提高的情境,在此情境中電力系統應有更高度的調度靈活性,而需大量仰賴燃氣機組與電池調度,但國際能源署在「World Energy Outlook 2018」的執行摘要中,亦指出傳統電廠仍是保持電力系統靈活性的主力,並應搭配新的電網互聯、儲電和需量反應技術做為支持,以確保電力系統的穩定5

綜上所述,對於當代台灣的電力結構、區域發展與經濟考量,林口電廠等燃煤發電,確實有值得存在的理由,但也需要對污染防治持續性地投入與關注。

從此只有眼前路,煤有身後身

儘管燃燒廢氣中的重金屬、硫化物與微粒等污染,可仰賴環保技術的投入而能有效抑制。但在對空汙品質越發重視與擔憂的社會來說,燃煤的空汙狀況,仍是其先天的劣勢。更重要的,是使用煤炭等化石燃料過程中產生的二氧化碳,與其導致的氣候變遷、極端天氣,更是全體人類在未來數年亟需解決的難題。

從國際趨勢來看,國際能源署在「World Energy Outlook 2018」中,利用不同時期發電技術成本與電力系統價值的變化的估計,認為「幾乎在所有地方」太陽光電雖難以在沒有政策支持的情況下取代既存的燃煤電廠,但已比新建燃煤電廠更有競爭優勢。

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在 2018 年 10 月的「IPCC全球升溫 1.5ºC特別報告(SR15)」中指出,若要維持地球環境的適居性, 2030 年時的二氧化碳排放量需比 2010 年時減少 45%,並在 2050 年時實現零碳排。對於煤炭的使用,則應在 2050 年時降至所有一次能源的 1% – 7 %,且大部分燃煤,應搭配碳捕捉與封存(CCS)技術使用,以實現零碳排放6。為能有效減少二氧化碳排放,對於部分積極面對氣候變遷提出減碳作為的歐洲國家,如法國預計在 2021 年;英國與義大利預計在 2025 年;荷蘭、丹麥與葡萄牙則預計在 2030 年,即關閉所有燃煤電廠7

2017歐洲各國預計未來減碳排放狀況8。圖/The European Power Sector in 2017

回顧台灣的情境,2018 年中華民國全國性公民投票第八案「您是否同意:確立「停止新建、擴建任何燃煤發電廠或發電機組(包括深澳電廠擴建)」之能源政策?」,公投結果以 38.46% 的「有效同意票數對投票權人數百分比」通過。有投票的人數中,有  76.41% 的投票者支持此項公投。在科學研究結果、國際趨勢與國內民意展現相互吻合的情況下,燃煤電廠在台灣幾無新建或擴建的機會。不過,台灣大概也難以如歐盟諸國,有相對優勢的環境或豐沛的資源能積極放棄燃煤發電。但燃煤電廠若能憑藉其低廉成本,投入更多資源強化煤炭的採購過程與標準制定;更節能與減污的運輸與儲存設施;提升燃燒效率的燃料加工與鍋爐技術;以及燃燒過程對廢氣品質的持續監測;燃燒後的集塵等環保技術。既存的燃煤電廠,仍可以保有其競爭優勢,又能盡可能減少對環境的衝擊。

在可預期的未來,面對氣候變遷帶來的衝擊,台灣要再興建下一座燃煤電廠自有其高難度。若既有的燃煤機組沒有延役或或提早退役的的計畫,則尚有一機組興建中、且各項技術新穎的林口電廠,將以末代燃煤電廠之姿,佇立於國門,持續肩負降低發電成本與支持電力穩定的重責大任。

延伸閱讀

參考資料

    1. BP-Statistical Review of World Energy
    2. International Energy Agency-Data & Publications-Coal Information 2018
    3. Indiana Center for Coal Technology Research-COAL CHARACTERISTICS 2008
    4. 泛科學:供應鏈中的甲烷外洩,抵銷了天然氣的減碳效益
    5. International Energy Agency-World Energy Outlook-Executive Summary 2018
    6. Intergovernmental Panel on Climate Change-Global Warming of 1.5 °C
    7. CarbonBrief-The EU got less electricity from coal than renewables in 2017
    8. Sandbag-The European Power Sector in 2017

本文由台灣電力公司委託/廣告,泛科學企劃執行

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