2010/10/05
經濟部能源局
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▓撰文╱圖片提供：余建成
由於節能減碳已成為國際間的共識，近年來世界先進國家致力於發展新一代的先進發電技術，其效率將比現行的發電技術更高，二氧化碳排放量更低，如果再搭配二氧化碳捕獲封存技術，能將二氧化碳排放進一步降低。因此，先進發電技術普遍獲得世界各國的關注。
為發展低碳經濟、型塑低碳社會及打造低碳化國家，今（2010）年為我國「節能減碳年」，因此，政府已研定「國家節能減碳總計畫」，其中所規劃的內容涵蓋我國各個節能減碳面向，分別以35項標竿型計畫強調各方案之政策導向及執行主軸，以落實政府節能減碳的政策目標。其中一項「低碳能源系統改造」的重點工作之一為降低發電系統碳排放，特別是近年來世界先進國家均致力於發展先進發電技術。先進發電技術泛指新一代高效率、低碳排放之發電技術，若再搭配二氧化碳捕獲封存技術（Carbon Capture and Storage, CCS），可將二氧化碳排放進一步減少。
近年來，在國外引起注目的幾項先進發電技術，包含氣化複循環發電技術（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）、超超臨界發電技術（Ultra Supercritical Power Generation Technology, USC）、天然氣複循環發電技術（Nature Gas Combined Cycle, NGCC）。因為這些先進技術較傳統燃煤發電技術具有更高的效率、更低之環保排放，且因為尚有極大進步潛力，已成為未來發電技術矚目的焦點。以下茲說明具有高效率、潔淨的先進發電技術IGCC、USC、NGCC。
IGCC發電技術
氣化複循環發電技術（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）主要是由空氣分離、氣化、淨化等製程和複循環機組所組成的發電技術。傳統火力的燃燒方式是將燃料以完全燃燒的方式進行發電，但是IGCC的氣化方式則是將燃料以不完全燃燒的方式在約1,300～1,600℃的高溫及3～7MPa的高壓狀況下氣化成為合成氣。合成氣在進入複循環機組的氣渦輪機發電之前，必須要將合成氣淨化，除去塵粒、腐蝕物質及會造成空氣污染的污染物。氣渦輪機燃燒來自淨化系統的乾淨合成氣，產生機械功帶動發電機發電。氣渦輪機渦輪側排出的高溫煙氣進入廢熱鍋爐，進一步回收煙氣中的熱能產生蒸汽來推動汽輪機發電機組發電。
目前此項技術仍在不斷進行子項新技術的發展，這些新技術中以發展煤粉泵、溫氣淨化、合成氣氣渦輪機、氧氣薄膜等技術最受矚目，預期未來這些技術整合後，可望將發電淨效率提升至45～48％以上（Higher Heating Value，即以燃料高位熱值計算，以下簡稱HHV），進而降低發電成本。
一般而言，以傳統火力發電技術搭配CCS技術進行二氧化碳捕獲封存都會折損發電效率。以次臨界汽力機組為例，其搭配90％二氧化碳捕獲後，發電效率衝擊達到11％以上，僅有24.9％。以IGCC搭配CCS技術進行90％二氧化碳捕獲，發電效率衝擊較低，僅有5～9％。值得注意的是：未來IGCC與燃料電池可以整合為IGFC（Integrated Gasification Fuel Cell），預估其發電淨效率能提升至48～49％（HHV）以上，而且具有二氧化碳捕獲功能。由此來看，IGCC技術未來發展潛力甚大，其重要性可見一斑。
USC發電技術
超臨界發電技術（Supercritical Power Generation Technology, SC）與傳統的次臨界發電技術都是以燃料燃燒將水煮沸產生蒸汽推動蒸汽渦輪機來發電。SC發電技術是將傳統汽力機組的蒸汽壓力與溫度提升至臨界點以上的發電技術。水的臨界點的定義為壓力22.1MPa、溫度374.15℃，當水的狀態參數達到臨界點時，在飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區存在。當水蒸汽壓力和溫度值大於上述臨界點的壓力和溫度時，稱為超臨界狀態。
早期SC發電技術是由捷克人馬克˙本生在1919年提出來的，1923年德國西門子公司按他的專利建成了第1台試驗性SC機組。美國於1957年開始運轉第1部SC機組，雖然只有12萬瓩，但是卻開始了SC發電技術進入發電廠。到1963年，美國、蘇聯、南非等國家已經有許多機組採用SC發電技術。但是後來SC發電技術卻因為可靠性不佳等因素，迫使發電業者又退回採用傳統次臨界技術，以確保機組運轉的可靠性。
直到1980年代初期，日本、丹麥、德國等重新發展SC發電技術，在低價耐高溫高壓材料研發成功的基礎上，SC發電技術重新進入發電廠並且獲得成功，其可靠性在運轉機組上得到證實。因此，從1990年代以來，SC的技術以不斷提高蒸汽壓力、溫度的方式來提升其發電效率。從熱力循環分析來看，主蒸汽壓力提高1MPa，機組的效率就提升0.13～0.15％；主蒸汽溫度每提高10℃，機組的效率就可提升0.25～0.30％；再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的效率就可提升0.15～0.20％。因此，從1990年代初期迄今，主蒸汽溫度不斷提升到今日的620～630℃規格。
至於超超臨界發電技術（Ultra Supercritical Power Generation Technology, USC）的概念，實際為一種商業性的稱謂，表示機組的主蒸汽具有更高的壓力和溫度，但定義因不同廠家而異。日本廠家的定義為壓力大於24.1MPa，蒸汽溫度高於566℃以上。
USC為目前技術最成熟、發電成本最低的先進發電技術，設備可用率高，為傳統汽力機組演進而來，因此絕大多數設備與傳統機組相同。目前國內的林口、大林更新發電計畫就是使用USC發電技術。
此外，歐盟正在進行「先進煤粉電廠（Thermie 700）」計畫，就是在未來的幾年內開發出蒸汽壓力為35MPa、蒸汽溫度高達700～720℃的USC機組。該計畫的核心目標是將煤粉電廠淨效率提高到52.0％（Lower Heating Value，即以燃料低位熱值計算，以下簡稱LHV），二氧化碳減排目標則為15％，惟此種技術涉及使用許多鎳基合金或超級合金材料於鍋爐與汽輪機，其發電成本是否能維持於可接受的範圍，是未來觀察的重點。
NGCC發電技術
天然氣複循環發電技術（Nature Gas Combined Cycle, NGCC）主要由氣渦輪機發電機組、廢熱鍋爐及汽輪機發電機組組成。近年來由於氣渦輪機的性能持續發展及進步中，主要包含兩方面，就是燃氣進氣溫度提升與氣渦輪機的大型化。氣渦輪機的燃氣進氣溫度提升可提高機組的效率，氣渦輪機的大型化除了提高機組容量，也有降低成本的效益。
複循環機組具有較USC為高的發電效率，目前廣泛商業化的複循環機組效率在一大氣壓15℃的條件下約為57.3～60.0％（LHV），目前主要是使用F型與G型氣渦輪機。美商GE H型氣渦輪機已經完成商轉（含7H 60Hz及9H 50Hz機種）；德商西門子公司正進行H型燃天然氣氣渦輪機的試運轉。美商GE H型或西門子H型氣渦輪機組成的複循環機組，在一大氣壓15℃的條件下總發電效率都可達60％（LHV）。日本三菱重工公司於2009年3月更正式對外公布，已開發完成燃氣進氣溫度1,600℃之J型氣渦輪機（單機額定出力32萬瓩，複循環額定出力46萬瓩），計劃於2013年第1部機開始運轉，在一大氣壓15℃的條件下總發電效率可高於60％（LHV）。
天然氣複循環機組具有效率高之優點，又有起動及升載快速的特性，可採用模組化套裝設計及製造，適用於不同計畫，減少重新設計製造所耗費之人力及物力，並有利於安裝工作之進行，可有效縮短完成工程所需之時間。
先進發電技術的環保優勢
IGCC與USC都是淨煤技術（Clean Coal Technology），由於都具有高效率，再搭配新一代的環保設備，其污染排放量會較現有燃煤電廠顯著降低。以IGCC為例，空氣污染物SOx與NOx的單位發電量排放都只有現有電廠的30～50％，其粒狀污染物的排放已經十分接近使用天然氣的NGCC機組。此外，以IGCC進行除汞可以達到90～95％以上的去除率，充分展現其環保優點。
這些先進發電技術在提升發電效率之外，同時也降低了二氧化碳的排放，以目前的IGCC與USC的技術為例，比傳統次臨界機組，可以降低10％以上二氧化碳的排放，未來隨著IGCC與USC的新技術提升，更可能進一步降低20～30％的二氧化碳的排放。至於NGCC機組因為使用天然氣，為低碳的潔淨燃料，又因為高效率，被視為可以做為降低二氧化碳排放的利器。
擘畫低碳未來新藍圖
目前國內除了正進行中的台電林口、大林電廠更新發電計畫是使用USC發電技術，計畫中的通霄電廠更新計畫是使用NGCC發電技術之外，經濟部能源局正委託中興工程顧問公司進行先進發電技術的規劃研究。該規劃研究廣泛蒐集世界各國的先進發電技術進展、未來發展潛勢，並且進行技術面、環境面與經濟面的評估，計劃未來引進適合國內的先進發電技術。這個計畫也對國內未來20年內現有的機組退休後，如何規劃新的先進發電機組進行評估，希望建構我國未來新一代高效率的火力發電廠。
能源局現正透過這項先進發電技術研究計畫，為我國掌握最新的技術脈動，建構進步的新一代發電系統藍圖，為未來中長期規劃高效率、降低溫室氣體排放的發電廠，為我國電力規劃開創新局，除加速低碳社會的實踐，也是我國未來進一步提升競爭力的重要基礎。（作者為中興工程顧問公司機械部計畫主任）