美國區域能源供應中心概況

▓撰文：張育誠、吳國光、焦鴻文

美國地區區域能源系統，主要是以區域供熱為主，由於美國人口密度高又加上具有寒帶型氣候，屬於熱能高度需求的國家。其熱供應方式是藉由供熱中心將熱水或蒸汽，經由管網鋪設之地下管溝，把熱能輸送至附近社區或商辦大樓。此外，美國區域供熱或冷之系統載具，主要是藉由燃油、廢棄物燃燒廠或蒸汽公用廠所提供，而通常這些熱能生產工廠，考量高能源使用效率、燃料多元化、降低化石燃料用量及低碳排放因素下，多數採用能源利用率達80％以上之汽電共生（Cogeneration）或稱熱電聯產系統（Combined Heat and Power System, CHP）為主。

本文主要分別對於美國紐約市曼哈頓之蒸汽區域供熱系統、以熱水進行區域冷暖系統；紐約州布朗克斯Co-Op City與明尼蘇達州聖保羅市（St. Paul）、以廢棄物能源化系統進行區域冷暖供應；印第安納州印第安納波利斯（Indianapolis）與阿拉巴馬州漢茨維爾（Huntsville）等美國幾個主要之區域能源供應現況，進行介紹與說明。

美國估計有5,800座區域能源系統

美國最早於1882年進行區域供熱系統的商業應用，估計全美有5,800座區域能源系統，相當於可提供320萬MWh的能量。由於化石燃料成本日漸高漲，因此集中供熱需求日漸重要，特別是在美國東部和中部高密度的城市。

一、美國紐約市曼哈頓：以蒸汽區域供熱系統

美國最早期的區域能源系統為紐約地下蒸汽系統，是由目前世界經營規模最大的Consolidated Edison商業蒸汽系統公司於1882年所建構。早期該公司所建構的紐約地下蒸汽系統約只有3英哩（相當於4.9公里），蒸汽壓力80psig（約5.6kg╱cm2），可服務62個客戶端，而當時僅直接提供蒸汽，尚未進行發電。直到1963年始在紐約市的地下蒸汽系統管線已達105公里，同時擁有6部發電機組，可提供2,500棟建築物之供氣服務。

現今美國紐約地下蒸汽系統，是一條通過曼哈頓街道的地下蒸汽管線，已達到160公里以上，將中央發電廠發電後剩餘蒸汽，提供超過1,800個以上高樓大廈和企業之蒸汽的輸送服務（其中70％為商業大樓），裝置容量超過3,000MW，冬季用熱尖峰負載達1,050萬 lbs╱hr蒸汽耗用量，全年相當於可提供270億磅（0.122億噸）的蒸汽總量，為目前最大之區域供熱系統。

二、紐約州布朗克斯Co-Op City：以熱水進行區域冷暖系統

美國最大的單體住宅（Single Residency）位於紐約州的布朗克斯（Bronx），占地約134公頃。於1971年完成35棟單體住宅，相當於1萬5,372戶數，同時具備：7座並排別墅、8座停車場、3座商場、教育園區及消防大樓等，為美國最大的單體住宅社區。該社區於2006年完成建置2座直流式蒸汽產生系統（Once Through Steam Generators, OTSGs），配合2座13MW複循環燃氣機組做為區域冷暖系統，此外，並由美國Thermacor Process公司進行冷熱水管線保溫工程，採用管溝長度達43公里，主管直徑為0.76公尺，用以輸送民用熱水（或冷水）至單體住宅進行冷暖需求供應。除了在冬季單體住宅可藉由直流式蒸汽產生系統使用暖氣或熱水之用，同時在夏季時，更可透過吸收式冷凍系統產製冷氣。再者，所回收的廢熱經由複循環機組產生電力，進行分散式發電，再將電力與紐約電網並聯。

三、美國明尼蘇達州聖保羅公司：以熱水進行區域冷暖系統

位於聖保羅市的聖保羅公司（St. Paul Inc.）為美國私人區域能源公司，同時該公司為北美地區最大的熱水供熱系統（也具備大型供冷系統）。目前該公司區域供熱系統提供暖氣服務超過170座建築物和300戶家庭（供應面積達270萬平方公尺），供應範圍約占聖保羅市80％的中央商務區與鄰近地區。

1983年聖保羅市開始採用的區域供熱系統運作，區域供熱分布來回管線長度達30公里。管線採用預製的鋼管包覆保溫材料，主要用來供應熱水為主，並也可供暖之用（蒸汽）。供水與供暖溫度範圍為88～120℃、回水溫度為60～70℃。聖保羅市在區域供冷部分，則由1993年開始提供80個用戶，供應範圍相當於1.6萬平方公尺的面積。此外，區域供冷分布來回管線長度達10公里，管道直徑0.76公尺，將可供應350萬公升的循環水流動。

此外，由於本地資源豐富，具備大量的木材廢料，而這些廢棄木材主要是來自於自然斷木或路樹修剪，可做為再生能源燃料，因此，2003年於聖保羅市區域能源中心附近建置完成1座熱電聯產系統（CHP），並做為區域冷暖系統的載具。該廠每年燃燒28萬噸廢木材，可提供65MW的蒸汽與產生25MW的電力，地下管溝分為熱水管與冷水管線，管溝長度分別為18.5與6.5公里，輸送民用熱水至單體住宅進行冷暖需求供應。如此一來，不但將區域木材廢料變成有用的產品，進行產汽、產電，更有助於解決當地木材廢料處置與環境的挑戰。其次，該汽電廠以燃燒廢木材取代80％的化石燃料（煤炭與天然氣），不僅每年可減少600噸二氧化硫排放量，同時每年更可減少28萬噸的二氧化碳排放。並且當地有150個煙囪與50座冷卻塔也因此廢除，有助於市容美化。

四、美國印第安納州印第安納波利斯（Indianapolis）：以廢棄物能源化進行區域冷暖供應

美國廢棄物能源化（Waste to Energy）應用於區域供熱方面，於1970年，於城市焚化爐進行能源再生，1974年於田納西州Nashvillle，第1個以廢棄物能源化提供蒸汽給區域冷暖系統（於2004年系統燃料已改為天然氣）。1986年，Baltimore Southwest公司於美國建立1座每天可處理2,025噸廢棄物之最大的廢棄物能源化汽電共生廠。至今為止，於美國境內已經有超過28家的廢棄物能源化工廠提供蒸汽外售給88家蒸汽需求廠。其中，21家為汽電共生廠，每小時可提供總蒸汽產量達470MW（約160萬 lbs╱hr），並可產生272MW的電力，另外，7家為焚化爐，每小時可提供273MW蒸汽量（92.9萬 lbs╱hr）。

印第安納波利斯（Indianapolis）廢棄物能源化燃燒廠於1988年開始運轉，每日可處理2,175噸廢棄物，每噸廢棄物可產生1.3MWh的熱能（4,500 lb蒸汽），其中所產生的蒸汽有一半以上是提供印第安納波利斯地區之區域供熱使用。境內管網具備24公里的熱能輸送管與15公里的冷能輸送管，構成印第安納波利斯地區區域冷暖供應管網。

五、阿拉巴馬州漢茨維爾（Huntsville）：以廢棄物能源化燃燒廠進行區域冷暖供應

阿拉巴馬州漢茨維爾廢棄物能源化燃燒廠於1990年開始運轉，每日可處理690噸廢棄物，每小時可提供18萬磅的蒸汽量、蒸汽壓力與溫度分別為15.5bar（15.81 kg╱cm2）、205℃，所產生的蒸汽藉由11公里的管線提供給Redstone Arsenal美國陸軍，做為供暖與空調使用。其中，比較特殊的是，該處管網均採取高架（Above Ground Steam Piping）與地室管線（Vault Piping）兩種方式，與一般地下管溝不同。此外，漢茨維爾廢棄物能源化燃燒廠主要的收入來源為：57％外售蒸汽與43％廢棄物處理（金屬回收）費，其中廢棄物處理費每噸約為39.9美元。

結語

美國具有高密度的區域能源供應，不僅是供熱、供暖、供冷，同時藉由不同的汽力機組之組合，提供社區電力併網發電，充分達到能源供應中心的整合概念。此外，利用緊鄰市區附近之廢棄物能源化燃燒廠，可有效處理廢棄物問題，同時更可減少化石燃料使用所造成之二氧化碳排放，運轉效益更為顯著。（作者任職於工研院綠能所）

關鍵字：區域能源供應中心,廢棄物資源化,汽電共生系統,熱電系統