魚與熊掌可以兼得！不只能發電，還二氧化碳負排放的科技——《在大滅絕來臨前》

比爾蓋茲（Bill Gates）創立的「突破能源風險投資基金」（BEV）所投資的其中一家，是瑞典新能源開發公司「倍速羅得（Baseload Capital）」，這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村，作為亞洲地熱開發地點之一，顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎？其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際，當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠，是全世界第 14 個進行地熱發電的國家，但後來到 1993 年就關廠不用了，到 2021 年才重新再次運轉，為什麼呢？ 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發？又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛，不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他，還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在，值不值得真心託付，能不能長長久久。地熱能開發本身，也是件高度不確定的事，以探勘地熱來說好了，即使有科學研究資料輔助，最終還是要認真挖探勘井到一定深度，才有辦法判斷到底能否作為發電之用，無法保證一定有成果。

再說，就算確定有好的熱源，若要開發臺灣地底深處的熱能，就必須挖掘深的地熱井，也就意味著要付出高昂的成本。一般而言，鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%，甚至是更高。根據美國康乃爾大學（Cornell University）的研究團隊於 2013 年發表的估計，地熱井深度和鑽井成本的關係，大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加，鑽井費用亦大幅上升。

而且，每個計畫會開發的地熱井，絕對不只一口，以宜蘭的利澤地熱電廠來說，就預計會有 11 口 6 公里深的井，所需費用的龐大可想而知。

同時，鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道，如果岩盤堅硬又粗糙，那麼不但鑽井的進度會變得緩慢，鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等，都是必須面對的挑戰。

另一方面，在開發地熱時，依地區而異，可能會遇到腐蝕性流體，如含氯離子或硫酸根的地下水，因此必須選用耐腐蝕的機具和管材，或是用化學方法中和；而當熱液從地底冒出到地表時，也可能伴隨硫化氫等有害氣體，要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑，要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外，地下水中的雜質和礦物質，可能會隨時間經過附著在管壁上，導致發電效率下降，定時清理也是個麻煩的差事。

隨著科技的進步，雖然這些麻煩在原則上都能夠處理，卻也是無法免除的成本，在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多，到底用地熱發出來的電貴不貴呢？發電成本會因地區、時間和技術的提升而異，不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本（Levelized cost of electricity），也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源，大致可以看到這樣的結果，不同顏色代表著不同單位的評估。

以全球總體來說，目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本，跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高，但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是，這只代表近年的能源價格狀況，也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念，而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟，成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上，臺灣在地熱發電曾經領先國際，1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠，是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

只不過，臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑，到 1995 年完全歸零，從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢？

一來，清水地熱電廠早期進行發電時，利用完的熱水並沒有回注地底，而是直接排掉，造成地下水耗損；二來，像我們前面說過的，地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢；這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減，僅過一年發電能力就大幅下降，最終導致 1993 年的關廠。

從此，臺灣的地熱發電沉寂好一段時日，直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組，進行運轉測試，2018 年開始發電，並於 2021 年底正式重新啟用，才宣告復活，目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然，這一次，在地下水回注跟結垢問題的處理上，都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點，從 2018 年開始，也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電，且併入台電電網，成為臺灣小規模地熱發電首例。

那麼，臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎？倒也不是。我們可以從兩個面向，行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡：繁複的行政流程

長久以來，臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發，必須依照《溫泉法》和《水利法》申請，但卻沒有任何一項是跟發電直接相關，法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外，土地使用根據涉及的區域，仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理，不但要面對中央和地方政府許多不同單位，行政程序亦曠日廢時，相當不容易。

就像兩人交往之前，得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說，雖然施工只要一年多，跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序，無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

有鑑於此，最近的「再生能源發展條例」修正草案，簡化了地熱發電申請的行政程序，也新增相關規範，並於 2022 年 12 月初在行政院通過，後續將送往立法院審議，值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡：開發誘因不足

地熱發電要付諸實行，除了技術和法規必須到位之外，還必須有經濟效益，才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先，地熱發電計畫在探勘期風險極大，很有可能挖了探勘井，卻沒有好的熱源，回不了本。

舉例來說，從 2017 年底開始，台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程，最終卻發現溫度並不理想，而暫時將計畫擱置。

而在開發期，臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利，就算找到熱源，卻可能被其他業者搭便車，捷足先登開發，得不償失。相關法規後續要怎麼訂定，是值得討論的議題。

最後，營運期的收入，若無法彌補成本並獲利，就也不可能吸引廠商投入。為此，躉購費率，也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述，因為地熱計畫存在諸多風險，初期又需要龐大的經費，如果沒有政府支持，民間廠商非常不容易投入。

目前來說，臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」，針對探勘給予補助；既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢，並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系，籌組「地熱探勘學研合作平台」，投入前期的地質調查，讓廠商有開發的參考依據。同時，地熱發電做為再生能源的一環，每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用，增加廠商投資意願，就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視，全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上，與其他主流能源還有不小差距，但因為技術的進步，地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制，更廣泛地被運用。

而台灣位處環太平洋火山帶，深具地熱發展潛力。可惜的是，即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源，其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW，卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因，導致開發進度緩慢，只能下修目標。

現在，台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW，雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中，也有民間公司積極投入，宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決，臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展，那麼，相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的，接著要完善獎勵措施和補助機制，並設定合理的電價制度。在整個過程中，一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家，如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策，也值得我們借鏡。另一方面，在土地的使用上，如何和在地民眾溝通與協商，也是重要的工作。

可以說，不需要燃料，極低碳排放，但是前期建置成本佔比高，營運費用相對低廉，是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處，但技術上的挑戰，和地理條件的限制也擺在那邊。

參考資料

• Beckers, Koenraad F., et al. “Introducing GEOPHIRES v1. 0: Software package for estimating levelized cost of electricity and/or heat from enhanced geothermal systems.” Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California. Vol. 11. 2013.

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」，我們在先前的影片也有聊到，2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量，再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說，極低碳排放的再生能源電業，在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外，大家也非常期待的綠色能源——地熱發電，談談地熱發電究竟是什麼？有發展的可能嗎？

什麼是地熱發電？

大家學過地科都知道，地球內部處於極高溫狀態，而這股地熱能，會隨著地函對流和熔岩，被帶至地表附近。

人類很早就懂得利用地熱資源，例如你我曾經泡過的溫泉，就源自於被地熱加熱的地下水。換言之，地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電，就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點，包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等，更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題，可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用，不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何？

說得再理想，還是要先回答一個關鍵：臺灣的地熱潛能到底有多少？這邊要介紹一個名詞：地溫梯度（geothermal gradient），它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

一般來說，在地表附近，每往下一公里，溫度就上升約攝氏 25 到 30 度；但是，在靠近地球構造板塊邊界處，溫度梯度較高；也就是說，往下同樣的深度，會得到比較高的溫度。在這些地區，要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界，因為兩個板塊的互相擠壓，使得地殼隆起而形成。

因此，臺灣不但多地震，就先天條件來說，似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是，根據上個世紀的地熱評估文獻，臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW，這個數字是多少？我們作個對照，核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境，不見得都適合開發，所以可實際運用的地熱就又更少了。對此，工研院甚至曾推估，其中真正能拿來發電的地熱，只有 150MW。

這麼說來，我們大概不用指望地熱發電，只能洗洗溫泉睡了，或頂多只能有小型的發電規模。

不過，代誌（tāi-tsì）不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候，就跟為人處世一樣，我們至少必需要留意兩個要素：溫度和深度。很顯然地，當溫度不夠高，地熱發電就沒效率；另一方面，既然地底越深處溫度越高，我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深，總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW，事實上考慮的是溫泉地區中，離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘，又是另一番風景。

在習慣上，國際常分別用淺層地熱（shallow geothermal）和深層地熱（deep geothermal）的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是，要多淺才叫淺層、多深才叫深層，並沒有全球一致的定義，反而依各國情況而定。

近年來，在國科會的能源國家型科技計畫支持下，臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料，發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內，且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量，可達 33640MW。換句話說，約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量，那我們還不趕快開發開個爆嗎？

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中，地熱發電技術的發展。

理想狀況下，地熱資源的構造，大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源，熱源之上稱為儲集層（reservoir），再上方則是由緻密岩石組成的蓋層（caprock）。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋，大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流，而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫，從地表竄出，成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說，地底需要三個條件，豐富的熱源、充足的地下水，和良好的滲透率，讓水可以在其中流動，這三者缺一不可。在具備這些條件的地方，汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態，我們可以直接利用，讓蒸汽通過渦輪機，產生電力，稱為乾蒸汽（Dry Steam）發電，這也是最古老的地熱發電方式。只不過，這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水，當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽，因為壓力降低，會迅速轉變成氣體，推動渦輪發電機，這稱為閃發蒸汽（Flash Steam）發電，同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好，比如說，世界上大部分地方，地溫梯度並不高，就算挖得很深，地下水溫就是不熱，怎麼辦呢？就像教授在課堂上講笑話，大學生托著腮毫無反應一樣，那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧！

近來，許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環（Binary-Cycle）發電方式，當溫度沒那麼高的地下水到達地表後，會在熱交換器（heat exchanger）與另一種流體交換熱能，像是正戊烷（Pentane）或丁烷（Butane）；它們因為沸點很低，所以在接收到地下水的熱能後，會轉變成氣態並推動渦輪，產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域，而且對溫度的要求不高，甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄，但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠，主要都是用以上三種方式進行發電，深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而，正是地熱發電技術的瓶頸，成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處，其實也有技術可以破解！

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式，至少都需要有充足的地下水或地下流體，和良好的滲透率；就算溫度不夠高，也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣，深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源，發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW，而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電，就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而，我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源，都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是，地底深處儘管溫度夠高，卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題，這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方，就是所謂的增強型地熱系統（Enhanced Geothermal System），簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下，以高壓朝地下深處注入冷水，迫使岩石原本既有的裂隙擴大，人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後，又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢，這些冷卻下來的水又會被注入地底，如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

這樣聽起來，增強型地熱系統似乎很不錯，降低了地熱發電的環境限制門檻。但是，它也存在一些問題。

首先，往地下注入的水，其流動取決於人為擴大的裂縫，但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求，所以會有很多水是沒辦法回收的；二來，它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時，要實際考慮的問題。

這集，我們討論了地熱發電的原理，以及臺灣是否適合地熱發電，下一集將討論地熱發電的成本，與開發上需要考量的細節，並回顧台灣地熱發電的發展歷史。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜廖英凱
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

高排碳發電方式的轉型

氣候變遷是全球議題，為了降低碳排放，發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電，雖然排碳量較燃煤發電低，仍屬高碳排的發電方式，若未來要達到 2050 淨零排放，勢必要開發更多的低碳電力。

中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員，他與團隊應用天然氣催化裂解的理論，突破各種技術限制，打造出「去碳燃氫」（methane pyrolysis）裝置，使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放，目前成果已接近歐盟需求，並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題，已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年，國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要，以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的綜合評估報告指出，人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時，IPCC 則將標準加嚴，人類需在 2050 年時達到「淨零排放」，亦即「人為溫室氣體的排放量，扣除透過碳匯、碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年，世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下，2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動，宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下，啟動了「Alpha 去碳計畫」，院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣，真的可能嗎？先來看看過去科學家怎麼做吧！

降低天然氣碳排的方法

為能達到降低碳排的能源轉型，又需兼顧產業發展的用電需求，臺灣目前的能源規劃，預估在 2025 年時，再生能源發電量佔比約 15.2%，其餘則為 45% ～60% 的燃氣發電與 25% ～40% 的燃煤發電所組成，到 2050 年時，樂觀理想情境中再生能源發電量佔比可逾 60%，剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣（甲烷）的理論排碳量，約只有燃燒煤炭的一半，但每燃燒 1 噸的甲烷，仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放，這與淨零排放的目標，仍有相當大的差異。因此，當代天然氣的運用，必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說，降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略，其一是「碳捕捉、再利用與封存（carbon capture, utilisation and storage, CCUS）」，方式是將燃燒後的二氧化碳，捕捉下來再利用，如應用於綠藻養殖、水泥製造等，或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造，或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合，要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破，且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議，發展進度緩慢。

另一種策略方向，則是「燃料轉換」，將化石能源的天然氣，全部或部分替換為零碳的能源，例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」（註1）作為燃料；利用大量的無碳電力，電解水後分解為氫氣和氧氣，再將氫氣做為燃料；或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑（hydrogen carrier）」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式，是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑（carbon black）：

其核心原理為，若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量，就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷，而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年，M. Steinberg 發現當溫度夠高時，甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升，而提出「甲烷熱裂解」（thermal decomposition of methane, TDM）技術，該技術是將甲烷處於高於 700°C 的高溫環境，使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存，不會增加大氣中的二氧化碳，也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值，近二十餘年來，許多針對 TDM 的研究，引入了各種催化劑，作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑，將合金加熱成熔融態，當甲烷氣體通過液態合金時，即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長，則甲烷熱裂解的程度越高，例如以一公尺長的管柱環境，利用不參與反應的 1175°C 熔融錫金屬，則可轉化 78% 的甲烷；利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金，則可在 1065°C 達成 95% 之甲烷轉化。

為什麼需要催化劑？為了降低化學反應的難度。

實際運用上的限制與問題

以裂解方式生產氫氣的技術，有可能會成為未來氫能發展最主流的方向，歐盟針對氫能發展的預估中，即認為到 2050 年時，歐盟所使用的氫能會有 55% 來自於甲烷裂解，有 30% 來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組，以及 15% 來自於水電解產氫。

因此，2021 年 3 月起，在廖俊智院長的主導下，中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」，目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法，以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊，也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置，試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而，儘管催化性熔融金屬的理論可行，在實務運作上此方法卻有其瓶頸，陳洋元研究員的團隊發現，當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時，熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體，必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去，使得學理上雖可高效率地裂解甲烷，但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

體認到催化性熔融金屬的限制後，陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑，就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中，即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中，研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳，來調控碳的催化活性。

2013 年，韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計，其概念是將高溫管柱中，裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑，使甲烷通過高溫碳粒時，被催化裂解為氫氣和碳，再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

雖然概念裝置已提出逾十年，但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質，因此隨反應時間增加，實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此，該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳，關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳；如何能延長集塵設備與濾網的更換週期，以須確保裝置能不間斷的長時間運作；以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

Alpha 去碳計畫：以局部比例的氫氣代替甲烷

面對過去研究的基礎與限制，中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置，且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器，使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上，也並非追求極致的甲烷轉換率，由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應，如在空氣中的燃燒速度，甲烷為 0.38 公尺/秒，但氫氣則高達 2.9 公尺/秒，這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此，目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組，而多以在甲烷中混合 10% ～30% 的氫氣，達到局部比例的減碳，因此在裝置設計上，須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例，使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電，以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算，每噸天然氣燃燒，可提供 9300 度的發電量，並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後，將氫氣與天然氣混燒，因氫氣的燃燒熱較低，且需額外提供裂解所需的能量，此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量，但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳，並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說，以大潭燃氣電廠為例，若將 30% 的甲烷裂解，產生氫氣與天然氣混燒，最終是以減少 20% 的發電量為代價，換得 30% 的減碳效益，以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯，混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前，將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機；和針對廠房、工商業用途使用的 1～2 MW 商用燃氣機組；以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合，以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作，目標在 2025 年以前，推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置，使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

開闢臺灣淨零排放的路徑

面對氣候變遷的威脅，世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式，然而多數國家在有限的自然資源條件下，風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國，相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月，歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」，其中針對燃氣發電廠的規範，是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料；或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量，才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電，較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠，碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放，若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術，則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放，幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒，排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理，至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣，能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術，能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設，維持穩定的基載電力供給，又能達到減碳的效益，預計將是未來幾年內，能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而，去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量，這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化，如增加更多的天然氣進口量，興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺，以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害，使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術，可能不是淨零未來的唯一選項，但傾力推動這項技術，才有機會在邁向淨零未來的過程中，爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

註解：

• 註1：生質甲烷的概念是，透過微生物分解農業生產的有機物質，由此生產甲烷，這種有機物的碳，是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳，比天然氣還要減碳。

延伸閱讀：

• 中央研究院（2022）。《臺灣淨零科技研發政策建議書》。
• 蔡菖圃（2022）。《以金屬合金催化劑高溫裂解甲烷製備氫氣》，國立臺北科技大學製造科技研究所。
• 林奐成（2022）。〈中研院「去碳燃氫」展成果 盼創造綠電助減碳〉，聯合新聞網。
• Upham, D. C., Agarwal, V., Khechfe, A., Snodgrass, Z. R., Gordon, M. J., Metiu, H., & McFarland, E. W. (2017). Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon. Science, 358(6365), 917-921.
• Flekiewicz, Marek & Kubica, Grzegorz. (2015). An Influence Of Methane/hydrogen Proportion In Fuel Blend On Efficiency Of Conversion Energy In Si Engine. Journal of KONES.
• Gosal, M.M., Das, L.M., & Gajendra Babu, M.K.(2013). Improved efficiency of CNG using Hydrogen in Spark Ignition Engine. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels, 4(6), 99-112. 
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• Steinberg, M. (1999). Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming. International Journal of Hydrogen Energy, 24(8), 771-777.