【專文簡介製氫背後的種種】
#認識氫氣碳足跡 #德國氫能大躍進
前文( https://reurl.cc/8GVdqo )提到,氫氣和電力得從初級能源轉化、不會憑空誕生。那氫氣又是如何製造呢?
▋主流製氫法
全世界超過95%產量的氫氣源自天然氣和天然氣處理廠,亦即利用水蒸汽-甲烷重組反應(steam methane reforming process, SMR )和水氣轉化反應(Water-gas shift reaction, WGSR)量產氫氣。處理廠包括以下四個主要系統:除硫、重組、高溫轉化、變壓吸附,個別功能簡介如下:
1⃣除硫: 透過觸媒去除天然氣中的硫化物。進入重組系統前,一部份天然氣會和來自變壓吸附系統的不純物一起燃燒以產生反應所需的熱能。
2⃣重組: 除硫後的天然氣和高溫蒸氣混合、透過鎳基觸媒(和水蒸汽-甲烷重組反應)生成氫氣。反應完的熱氣在離開重組器後會稍作冷卻,與此同時會產生蒸氣。
3⃣高溫轉化: 添加額外的高溫蒸氣,和熱氣進行水氣轉化反應,將一氧化碳轉化成二氧化碳以達到完全反應。
4⃣變壓吸附: 透過加壓方式純化氫氣,不純物會被吸附留在系統內。當不純物濃度飽和時,系統壓力會降低以移除不純物,後者回送到除硫系統成為燃料以提供熱能。
環環相扣的系統設計是為了最大化天然氣利用率和熱循環效率。理論上,系統能整合碳捕捉技術,相關方法仍處於學術研究階段。
▋氫氣的碳足跡
水蒸汽-甲烷重組反應和水氣轉化反應的反應式如下:
水蒸汽-甲烷重組反應:CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
水氣轉化反應:CO + H2O ⇌ CO2 + H2
兩式相加可得:CH4 + 2 H2O ⇌ CO2 + 4H2
換言之,每製造四單位的氫氣會伴隨著一單位的二氧化碳,這就是氫氣的 #原生碳足跡。若以純甲烷製造的100萬標準立方英尺(standard cubic feet (SCF))氫氣當作一單位,則原生副產物是0.25單位的二氧化碳,合12.98公噸。
而Praxair公司對各 #系統碳足跡 計算得出的理論最小值如下:
重組器和重組反應所需能量:3.7公噸
製造高溫蒸氣所需能量:2.5公噸
變壓吸附時的分離、純化和壓縮製程:0.1公噸
四者合計19.3公噸,但基於熱損耗和效率問題,實際數字約略是21.9公噸,此為總碳足跡。換算後可得以下結論: #製造一公斤氫氣同時會製造9公斤二氧化碳。
然而,這尚未計算壓縮、運輸、燃料電池製造的碳足跡;亦即送到製造商或終端使用者手上時,總碳足跡還會增加。源自化石燃料、製程又依賴化石燃料產生的電和熱,這就是天然氣製氫的原罪,也是氫氣的骯髒小祕密。
▋碳足跡表示法
為了能在同一基準上比較,網路上有各種當量表示法,以下列出兩個。
1⃣每度電的二氧化碳當量
另一方面,標準狀態下的氫氧反應:H2 + 1/2 O2 ⇌ H2O ΔH0=-286kJ/mol
換算下來一公斤氫氣能產生143百萬焦耳,合39.7 kWh。
但這只是理論值,考量能源損失和科技極限,目前所能利用的數字約略是33.33 kWh,換言之,1公斤氫氣 = 9.28公斤二氧化碳 = 33.33 kWh. 可推得 1 kWh = 278克二氧化碳 (單位: gram CO2eg/kWh)
這也是理論值換算。若透過燃料電池轉換為電力,還得加上製造燃料電池的碳足跡。過去研究也曾預估氫氣生電的碳足跡會介於燃氣和燃煤之間。
2⃣每百萬焦耳的二氧化碳當量
若依百萬焦耳的二氧化碳當量(gram CO2eq/MJ)來看,33.33 kWh = 119.988 MJ. 可推得 1MJ = 77.34 克二氧化碳
依據當量高低,我們可以替氫氣上色:
FCH JU機構認為:
🔲若小於91克,但高於36.4克,那麼有無再生能源參與製造都將被歸類為灰色氫氣。天然氣製氫歸類於此。
🟦若小於36.4克,非再生能源參與製造的部分為藍色氫氣
🟩而再生能源參與製造的部分為綠色氫氣。若製氫能量100%來自於再生能源且二氧化碳當量小於36.4克,就能算是100%純綠氫。
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▋德國的大躍進
德國聯邦政府在上週(6/10)敲定其國家氫能戰略,目標是在2030年時有5GW綠色氫氣(以下簡稱綠氫)產能(折合14TWh的氫氣產量)*、2040年達10GW。政府預計在一項1300億歐元的經濟刺激方案當中撥款70億歐元於新產業和相關研究。這是德國首次針對氫氣產量訂下具體目標,以期此次大躍進(quantum leap)讓德國在氫能科技領域成為世界領導者。舉國從政府當局到公民團體都樂觀其成。德國也預告輪值歐盟理事會主席後的首要任務之一是創造橫跨歐洲的氫氣基礎設施。(聽起來真的很大躍進)
要達到5GW綠氫產能約需20TWh的再生能源電力。氫能戰略伴隨一系列措施以替再生能源提供更良好的環境、並提供更誘人的條件以吸引離岸風電建設,預計離岸風電農場的電力能應付綠氫製造的大部分需求。
除打點相關基礎建設,德國政府也提供金融補貼牛肉給大型貨物運輸、鋼鐵業、化工業和航空業以誘使業者投資相關製程;針對鋼鐵和化工業業者訂定碳差價合約(Carbon Contracts for Difference(CfD)),並檢驗航空業的能源消耗在2030年前是否能達到20%再生能源的使用目標。
然而,該製造多少綠氫仍相當爭議。德國目前有99%氫氣產量來自化石燃料(即灰色氫氣,以下簡稱灰氫),且政府部門間的冗長協商突顯了淘汰化石燃料的困難。煉油和天然氣業者則認為在能源轉型的初期階段,灰氫不該缺席。德國綠黨名譽主席Oliver Krischer則表示將氫氣應用於汽車產業(諸如充氫站)單純在浪費公帑。
部分人士也提及,德國2030年將安裝最高5GW綠氫電解槽,這一計劃將拉動電解槽工業實現快速發展,與當前的安裝量相比,10年間這一規模將增長200倍。到2040年,德國電解槽部署規模有望達到10GW,若“歐洲2x40GW綠氫計劃”順利實施,則德國2040年電解槽規模將佔歐洲部署總量的25%。但德國境內的再生能源發電能力有限,氫氣產能不足。即便考慮2040年新增10GW電解槽,綠氫產能也僅28TWh,仍低於2030年新增氫氣需求。戰略明確提出要加強國際合作,在之前針對氫能推出的90億歐元投資計劃中,其中20億歐元將在摩洛哥等合作夥伴國家建立大型的製氫廠。
E3G氣候智庫的研究者,Felix Heilmann,表示:「德國的氫能戰略向世人宣示這個世界最大的天然氣消費國正準備替"不用天然氣"的未來做準備",畢竟歐盟策略中2050得達成零碳排,使用氫氣替代供暖或交通燃料都是必需之路。
▋結論
根據2017年的國家發展委員會報告,高雄地區的石化、重工、鋼鐵業總年產量合計12萬公噸。如此產量也勉強供三大產業使用,目前沒有剩餘氫氣發展氫經濟。
這邊小編以核一兩部機組機稍微計算了一下:
核一兩部機組(裝置容量604 MW x2 ),容量因子85%,則一年可發出 (604 x 2 x 0.85) x (365x24) = 8,994,768 MWh. 全數用於電解水可得 8,994,768/55 = 163,541.2 公噸氫氣。
這是三大產業總產量的1.36倍。也就是說,核一延役的話就有充足的餘裕發展氫經濟了呢。結合氫燃料電池,也能同步改善交通空氣汙染ㄟ。
話說回來,可以預期將來賣氫氣的利潤會比賣電更高。還非得是低碳足跡的氫氣不可。碳足跡過高的氫氣不僅直接淘汰,也連帶地使使用這類氫氣製造的產品喪失競爭力。這對不產天然氣的我國而言,如何取得大量、便宜、穩定的低碳能源以降低製氫成本,確保產品和服務有國際競爭力,將會是執政者的挑戰。
至於德國,祝他們幸福,短時間內來看,投資1MW的製氫廠與管線就耗費30億台幣,若要擴展到5GW(5000倍),真的所費不貲
▋參考資料與計算(見留言處)
https://reurl.cc/O1odyr
電力容量熱能計算 在 文茜的世界周報 Sisy's World News Facebook 的最佳解答
《文茜的世界財經周報》德國能源政策系列報導:記者李怡慧、彭智宏德國採訪
【德國2000年推出《再生能源法》 四家國營電廠民營化除獲利外更負擔企業社會責任 配合京都議定書節能減碳目標 立法要求民營電廠發展再生能源並保證20年收購民間綠色能源 務實結合智慧電網“穩定基礎電力” 當綠能電力不足時仍有核電.煤電與天然氣電力適時補上】
在德國,身處在各地的綠電發電設備中,你會開始體會德國人正經歷的,"分散式地方發電",逐漸取代"集中大電廠發電"的趨勢。
像是在德國中部,這個古老又富裕,被聯合國列為世界遺產城鎮的邦堡Bamburg,當地最大的體能娛樂中心Bambados,它的電和熱能,由隸屬市政府的能源公司,自己來發電供應
Bamburg在20平方公里大的,集水區種楊樹,將木材高溫,燃燒,產生發電效率達80%的電和暖氣。
Bamburg蓋一個發電廠,花了100萬歐元,靠著發電廠賣電和地方稅收,這整棟斥資500萬歐元,能智慧節能的體能中心,要等20年才能回本。
「因為能源轉型,是德國社會共同面臨的挑戰,我們也想自己發電,想貢獻一份心力,(Bamburg民眾知道 節能一投資下去),(要二十年才能回本嗎),(當地民眾沒有人反對嗎),沒有,沒有人反對被動屋這樣的做法,」邦堡公用事業發言人吉爾斯柏。
這就是德國人所謂的"電力市場革命",未來的電力供應,將走向分散,不再倚賴大型的傳統電力公司,而是,自己用的電自己發。
德國境內,目前有超過150萬座的太陽能發電系統,就是去集中化,分散發電最好的例子。
尤其售電市場開放,分散發電,帶來的好處是電價透明。
「接著,它會問"選擇綠電"嗎,我們勾"是的",然後按OK,開始計算,」德國工程師Alexander Brujic。
德國人可以利用電費比價的網站,在目前1151家售電業者,所提供近15000種的電力方案中,選擇你想用的電力組合。
「目前(選擇綠電)的話,最便宜方案是437.32歐元/年,」德國工程師Alexander Brujic。
綠電比較貴嗎,比較一下,綠電最便宜方案是,437.32歐元/年(約台幣15,690元),一個月電費約1300元(台幣),而Alex家一年用電1700度,等於一度電約9.22元。
如果選擇一般電力(含核煤電)的話,最便宜方案為419.75歐元/年(約台幣15,060元),等於一度電約8.85元。
兩者一年價差是17.57歐元(約台幣630元),綠電和一般電力的價差,正逐漸縮小。
我們不禁想問一個問題,德國大型能源集團,是如何面對轉型,分割,結果最後,大電力公司也走上綠能供應商之路的呢。
過去,德國是由四大集團,壟斷電力供應長達數十年,其中包括,E.ON、RWE、Vattenfall和EnBW,他們的前身,和台灣的台電一樣,屬於政府經營的公用事業,核電和火力發電加起來,超過八成。
然而,隨著歐盟開放電力市場,德國的電力公司,在1998年開始走向自由化,發電,賣電,輸電權力,都開放民營,且彼此獨立。
大型能源集團和公營的電業公司,也逐步分拆,整併,上市,並且放棄原來的輸電業務。
再加上,1998年上台的綠黨和社民黨政府,於2000年推出了<再生能源法>EEG,德國立法強迫民營電廠,以20年高於市場的價格,保證收購綠電。
這和1999年"台灣電業自由化",政府把好處給了民營電廠,責任由台電來承擔完全不同,也和民營電廠至今,仍大多為煤炭發電的結果,完全不同。
在"有利可圖"以及"負擔責任"之下,德國等於以政策,鼓勵更多民間業者,投資再生能源,使得德國目前就有超過一千家的,發電或供電業者。
然而相較之下,也轉型為民營的德國四大集團,營收和市場佔有率,卻逐年大幅下滑。
以E.ON為例,2014年,虧損達31.6億歐元(NTD1264億),2015年,虧損更增一倍,約62億歐元(NTD2500億)。
<經濟學人>當時分析,德國大型能源集團的虧損在於,過度仰賴核電和煤能,無視民間反核聲浪越來越大,仍繼續遊說公眾,核電和火力發電的重要。
結果,2011年日本福島事故後,德國反核民意成為不可逆的浪潮,梅克爾政府決定2022年前,關閉所有17座核電廠,並先迫使8座運轉年限尚未屆滿的核電廠,先行關閉,造成傳統電力公司大失血。
不耐虧損之下,德國最大能源集團E.ON,2014年12月突然宣布,"放棄過去經營模式","將核電火力等傳統業務分割出去","轉型為綠電和電網系統整合的服務"。
「再生能源是一個趨勢,一個目前還不明顯,但將迅速發展的趨勢,這場"再生能源革命",不只攸關能源發電,更與科技創新相連,我們體認到再生能源,將讓消費者變成發電者,」E.ON執行長約翰泰森。
E.ON總裁這番話,英國金融時報當時形容,為"為能源業投下核彈"。
「然後是RWE也轉型,成立了綠電部門Innogy,不過,RWE本身有多座褐煤火力發電廠,仍在運轉當中,對它們來說轉型很困難,公司內部仍有爭議,」德國綠黨科學政策研究員葛利波斯佩。
E.ON和RWE,開始轉向發電成本比其他綠電都高的"離岸風電",海上作業的難度和風險,卻成了大型能源集團的專業強項。
短短兩年,以離岸風電的累積裝置容量而言,德國的E.ON,RWE,Vattenfall,成為全球排名第二,三,四位,僅次於丹麥的丹能集團。
這些歐洲大型電力公司,正積極要在2020年前,將離岸風電的成本,降到每度電(新台幣)4元以下,盼能成為取代核電的新藍海。
德國的能源轉型,不是一蹴可幾。
而是緩步走了二十年,才逐步發展為,傳統電力公司慢慢轉向為,"研發綠電 以系統導向的電網服務",而"民間發電業者",則是專攻"自行發電儲能"。
傳統電力公司和綠電互補,在燃煤火力尚未結束前,先改變經營心態,亦即,如何逐步放棄,大電廠,基載和集中化的概念。
於是,我們懂了嗎,德國能源轉型,不只是電力公司民營化的過程,更是"思維和心態的調整之戰"。
電力容量熱能計算 在 媽媽監督核電廠聯盟 Facebook 的精選貼文
廢棄物當寶物,牧場到航太廠都鍍金!! (09/15/2106 TechNews科技新報)
你知道嗎?養豬也能和潔淨畫上等號,屏東的中央畜牧場及彰化的漢寶牧場,利用豬排泄物製成沼氣發電,讓廢棄物轉成白花花的鈔票,沼氣發電成為最名副其實的「再生能源」。不只農場有商機,連航太大廠漢翔都積極搶進。
一天產 4,000 度電 還能免費送台電
中央畜牧場 把豬糞變黃金
「潔淨」和「豬」,終於劃上等號了。在屏東麟洛鄉的高速公路下,窄小的鄉間道路盡頭,安靜地像尋常的鄉下人家,看不到躁動的豬隻,也聽不到急促的豬叫聲,連空氣中都沒有難聞的豬糞尿味,但其實這裡養著超過 2 萬 5,000 頭豬,數量在屏東縣數一數二。
在中央畜牧場裡的這兩萬多隻豬,住在水簾式的豬舍裡,密閉的室內能隔絕蚊蟲叮咬、鳥類的傳染病,減少病菌。穿上隔離衣褲、套上靴子,進入第一間豬舍,裡頭比剛下過雨的室外更涼爽,空調顯示著攝氏 26 度,每隻豬媽媽旁還有供小豬保暖用的黃色照燈,這些電力都是來自豬隻自己排泄物所製造的沼氣,名副其實的「自己的用電自己發」。
包括動物糞尿、垃圾等廢棄物,都會因細菌分解有機物而產生甲烷、二氧化碳、硫化氫及其他微量氣體,這些就是組成沼氣的主要成分,若沒有經適當處理,其中甲烷造成的溫室效應是二氧化碳的 25 倍,是地球暖化的元兇之一;但其實甲烷也正是熱能的來源,經純化後,熱值可以和天然氣相比。只要養豬未來仍是台灣重要的畜牧業,只要人們持續有生產活動產生垃圾,沼氣也會源源不絕,是台灣目前的六大再生能源之一。
自產自用 年省近 300 萬元電費
「我們養豬的最困擾的就是豬糞水的問題,每次環保局來抽查水質,壓力有夠大的!」中央畜牧場場長蘇鵬曬得黝黑的臉、堆著憨厚的笑容解釋,因為牧場二十多年前做的污水處理槽,功能漸漸減退,他一直擔心廢水排放標準會愈來愈接近不合格邊緣,於是狠下心來,一次砸下 4,000 萬元,重新投資污水處理的厭氧槽,同時增加沼氣發電整套設備。
「因為要改善污水,想說如果能拿來發電也不錯,也不會虧錢啦,只是要再買發電機和一些設備。」在中央畜牧場裡,因為要做沼氣發電,豬糞尿都在一站一站的管線、槽體裡流動。往前走到下一間肉豬豬舍,特殊高床式的設計,豬隻的排洩物會往低處流,經收集由管線送到能容納 1 萬噸、2 層樓高卻完全密閉的厭氧槽裡發酵,產生的沼氣輸送到樓上大紅色的集氣袋收集儲存,之後再送至脫硫設備脫硫,並經過將水分雜質過濾掉的前處理,最後送進漢翔製造的 3 台共 195 KW(1 瓩等於 1,000 瓦)發電機裡,一天就能產生 3,700 到 4,000 度的電。
售電得多繳稅 一點誘因都沒有
其實早在 20 年前,蘇鵬就曾採購發電機想做沼氣發電,但因為當時沒有脫硫設備,豬糞裡的硫化氫會腐蝕發電機,機器沒多久就壞掉。後來是導入台大動物系教授蘇忠楨發明的生物脫硫技術,才讓蘇鵬這次的嘗試能成功,雖然沒有拿政府的補助款,卻成為政府最好的宣傳教案。
一天 24 小時,牧場裡的沼氣不斷持續發電,蘇鵬都是自產自用,並沒有賣給台電;每到晚上,豬舍後方的飼料廠休息,豬舍需要電力不多,中央畜牧場就將電力併入台電電網,一天免費送給台電的電力超過 1,000 度。「我們沒有和台電簽約,一度如果算 3 元,我們一天都送他們好多錢耶!」蘇鵬笑說。
因為中央畜牧場 2011 年建置沼氣發電時,當年能源局訂下的沼氣躉購電價一度電僅 2.18 元多,到 2013 年建置完,躉購電價也不到 3 元。「我向台電買電,一度要 3 元,賣台電才 2 元多,這怎麼對?」
而且有了售電收入還得多繳稅,蘇鵬怎麼算都不划算。
供應牧場加飼料廠一天所須的 2,600 度電,一個月能少付台電二十多萬元電費,一年下來省下近 300 萬元,還能一併解決他最頭痛的污水處理問題。只不過,若不含厭氧槽,他初期投入了約 2,000 萬元,加上這些年必須負擔的保養費、引擎更換等及設備的維修費,根本很難回收。「我對曹主委(農委會主委曹啟鴻)說,如果真的要推廣,一度電 3 塊多,一點誘因都沒有,」蘇鵬說。
把沼氣發電生意做到馬來西亞
漢翔發電機 幫畜牧業賺綠金
目前,台灣養豬場投資沼氣發電,除了中央畜牧場,規模最大的就屬位於養豬第三大縣彰化的漢寶牧場。在漢寶牧場裡,插著 3 雙緩緩轉動的小型白色風機,豬舍屋頂和地面都架設了太陽能板,但整個牧場裡發電量最大的,還是來自一百多棟豬舍裡、近 4 萬頭豬所產生的沼氣。
其實和中央畜牧場一樣,早在 20 年前,漢寶農畜產董事長陳修雄就開始嘗試製作沼氣;因為地處彰化靠海的芳苑,冬天風大又冷,他將經厭氧處理後產生的沼氣取代瓦斯,在冬天以沼氣燈幫小豬保溫:陳修雄還到高雄向拆船業者買二手的船用引擎來改造,想做沼氣發電。
很有商業頭腦的陳修雄,也曾和做碳交易的公司「南極碳」談過,想將透過沼氣發電減少的碳排放量,拿到歐洲做交易。只是目前政府的步伐都走在他之後,讓陳修雄的嘗試都不算成功,有些沮喪。
和中央畜牧場不同,漢寶牧場沼氣所發的電,每度以 3.25 元賣給台電,但陳修雄精算,包括發電機、脫硫塔、各種管線及儲氣袋等投資以及未來 10 年的保養維修費用,平均一度電的成本是 4.75 元,因為覺得自己不算成功案例,讓陳修雄始終婉拒所有採訪。
「重賞下才有勇夫啊!」沼氣發電規模比中央畜牧場更大的陳修雄嘆口氣說。
今年,新簽約的沼氣躉購電價漲至 3.92 元,為了讓更多牧場有將「垃圾變黃金」的誘因,陳修雄向政府提了建言書,希望發電容量在 100KW 以下的牧場,一度電能以 6 元收購;100 到 500KW 的牧場,則以 5.5 元收購,和太陽能一樣分級。他甚至籲請政府成立碳權交易所,為業者創造多重商機。
漢寶牧場倡議 採分級收購電價
8 月中,研發製造飛機及零件的漢翔董事長廖榮鑫,也走了一趟漢寶牧場,這已經是他第 3 次來到漢寶,他自己一邊和陳修雄討論發電機可以如何增加發電效率,一邊也變身為牧場主人,為記者解釋牧場設施以及沼氣發電的流程。
因為中央畜牧場和漢寶能讓沼氣能轉化成鈔票的發電機,都來自漢翔。「台灣只有 3% 的豬場有做沼氣發電,97% 都沒做,估計產值差不多 100 億元,這還沒有計算牛、雞或是廚餘等廢棄物耶!」廖榮鑫說。
漢翔還把沼氣發電的生意做到出國比賽。馬來西亞是全球最大棕櫚油生產地,有非常龐大的沼氣發電潛力,今年 2 月,漢翔幫當地的 KKSL 棕櫚廠建置沼氣發電系統,還負責工程設計、試運轉、現場接收測試及後勤維修等。雖然沼氣的發電設備目前只占漢翔營收的 0.5%,但,「馬來西亞和印尼的棕櫚油廠有一千多家,我們只要努力搶得到 3% 的市場,就比現在漢翔營收還大了。」軍人出身、個性豪爽的廖榮鑫,對沼氣發電的潛力也估得相當豪氣。(本文由 財訊 授權轉載)
文章內容資料原始來源:
http://technews.tw/2016/09/15/biogas-power-generation/
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電力容量熱能計算 在 水電基礎教學第二單元簡易試算耗電量 - YouTube 的推薦與評價
簡易試算耗電量1.基本代號說明W (功率) = I (電流) × V (電壓)瓦特= 安培× 伏特2.一度電相當於1000瓦(W)的電器使用一小時,也就是1000瓦-小時。 ... <看更多>