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零碳永續能源科技-綠色製氨

Zero-carbon sustainable energy technology: green ammonia production

高博敏
產業科技學位學程

摘要

在目前全球之減碳趨勢下,許多國家宣布於2050年達成淨零碳排放。各大企業也紛紛加入RE100宣示在2050年達到100%使用再生能源,使風能、太陽能等再生能源快速發展。但由於風能、太陽能等綠色能源具有間歇性(Intermittency),導致發電量隨時間變化,且有些地區不具備發展綠色能源所需之環境,因此再生能源之儲存與運輸是能源轉型過程中最迫切的議題之一。但儲能系統因容量及儲存周期發展尚未達到可穩定使用再生能源之標準,因此需要有替代品來使用可再生資源。氫能由於其具有無碳、清潔的特性,被認為是一種極好的無碳能源載體。尤其最大的挑戰是儲存及輸送系統的安全風險、複雜性極高成本。且不論使用壓縮、液化的儲存或運輸皆需要較佳的絕緣容器及製冷裝置,造成成本及重量提升。而氨是深具發展潛力的氫能量載體,不僅本身不含碳且氫密度高,又可使用再生能源提供動力進行規模化生產,物化性質亦較氫容易以液體形式存在,可提升儲存及輸送所需的高安全性及低成本。且由於氨在肥料、製冷劑等領域被廣泛使用,為全球僅次於硫酸之第二大宗化學品,故氨之既有相關儲存、運輸建設及法規較為完善,且氨不論運輸或儲存成本皆遠低於氫,故可提升儲存再生能源的應用可行性,國際上也正在考慮使用氫的載體取代直接使用氫能,以降低儲存及輸送的風險及成本,更可促進達成淨零碳排。
哈伯法製氨(Haber-Bosch Process)為現今工業上非常成熟的氨合成技術,但其過程為達高溫高壓之反應條件需使用大量能源,且目前規模化生產使用的氫主要來源為化石燃料,造成全球每年1.5%以上的二氧化碳排放。製造氫的方法包含天然氣的蒸氣重組及煤炭的氣化,兩種製程生產的氫分別稱為灰氫(Grey hydrogen)及褐氫(Brown hydrogen),而若將灰氫及褐氫製程結合碳捕捉與封存技術,捕獲製程中產生的二氧化碳,以降低或歸零二氧化碳排放量之氫氣產物則稱為藍氫(Blue hydrogen),但目前尚無法完全捕獲排放的二氧化碳,也較少針對製程逸散的甲烷等溫室氣體做評估。根據文獻,藍氫總二氧化碳排放當量僅較灰氫少9%至12%,儘管二氧化碳排放量較低,但藍氫製程的碳捕獲系統由於需要電力供給,通常額外使用天然氣作為動力來源,未燃燒完全而逸散的甲烷之影響可能高於灰氫。而綠氫(Green hydrogen)係指使用再生能源電解水產生的氫,過程不產生二氧化碳。因此前最新研究大都注重於可兼容再生能源的氨合成技術如電化學(Electrochemical)、光催化(Photocatalytic)及等離子體催化(plasma-driven approaches),本綠色製氨系統規劃使用氮氣搭配綠氫或迴避使用氫以電解水或是水蒸氣產生氫氣做為原料,以及採用可兼容再生能源且較有機會規模化生產的電化學製程來生產綠氨。