科學人雜誌
能源

善用天然氣走向無碳未來

2021-06-01 韋伯(Michael E. Webber)
龐大的天然氣基礎設施可能阻礙能源系統脫碳,但改用生質甲烷、氫等方法,就可化阻力為助力。

重點提要

  1. 天然氣是美國現今最大的電力來源,已取代了燃煤火力電廠,成為脫碳的最大負擔。
  2. 如果能讓天然氣系統脫碳並防止洩漏,它就能脫離過渡角色,有助於美國邁進無碳未來。
  3. 目前已經有四種技術可除去碳或轉化天然氣,該如何善加運用,是美國當前重要的課題。


「天然氣是踏入無碳未來的過渡燃料」是2010年代中期常聽見的說法。在零排碳的未來,能源將完全來自太陽能、風力和其他再生科技,不再排放二氧化碳加劇氣候變遷。但如果天然氣確實是過渡燃料,代表它不在長期規劃中。一旦我們建造了輸送這些過渡燃料的基礎設施,就可能要長期使用下去。


近15年來,美國天然氣使用量增加了1/3。天然氣佔能源總消耗量的32%,是現今全美最大的電力來源,大致已取代了燃煤火力電廠。天然氣的主要成份是甲烷,燃燒造成的污染比煤炭少得多,而且可為較不穩定的風力和太陽能發電提供即時備援。這樣聽來似乎相當不錯,但燃燒天然氣仍然會生成二氧化碳。油井和管線中的甲烷可能洩漏到大氣中,加劇全球暖化。而且等到燃煤電廠全部停用後,燃氣電廠將成為最不環保的電力來源。


為了減少排放二氧化碳,我們必須盡快讓能源系統脫碳。建造更多風力和太陽能發電的成本不高、速度又快,而且可加速燃煤電廠退場。但如果選擇強風吹拂的平原和豔陽高照的沙漠這類理想場址,就必須建造範圍遼闊的輸配電網,把電力輸送到大城市和生產基地。這些電纜和電桿可能在氣候變遷造成的風暴、洪水和火災中遭逢危險。此外城鎮居民也接連反對擴建計畫,只要「別在我家後院」就好。天然氣基礎設施幾乎完全地下化,比較不容易受氣候影響。美國的天然氣管線總長約500萬公里,幾乎遍佈本土48州所有大城市地下。這些壓縮機、氣槽和儲存地窖等基礎設施總值高達數兆美元,電廠本身也價值數千億美元;將近7000萬天然氣用戶擁有暖爐、熱水器和爐具,總值超過1000億美元。這些沉沒成本(sunk cost)的五倍大約相當於全世界的總值。天然氣與運輸、住宅(暖氣和烹煮)和工業(供熱及生產化學物質的原料)等社會各界的關係,也比其他能源更錯綜複雜,因此更難取代。


一旦這些基礎設施使用年限屆滿,就必須更換,也會造成目前使用者的財務損失,因此他們會盡可能拖延。新技術可能造成納稅人、用戶和房屋持有者的經濟負擔,所以他們也會盡可能拖延。增加電力供應無法滿足貨車、船舶和飛機對液態燃料的需求,也無法滿足生產金屬、水泥、玻璃、噴射燃料和化學藥劑的工廠、酒廠和煉油廠對高熱的需求。液態燃料的能量密度明顯高於其他能源。如果能減少天然氣系統中的碳排放,就可讓它脫離過渡角色,一起邁進碳中和的未來。目前已經有技術可除去碳或轉化天然氣,使碳輸出和碳輸入的相差極少或完全抵消。


美國能源基礎設施全面脫碳計畫的第一步,是改善能源效率和減少用量。第二步是讓汽車、暖房器具、熱水器和爐具盡可能電氣化,改用再生能源,同時防止天然氣基礎設施發生洩漏。盡可能以生物沼氣(biogas)、氫氣和合成甲烷取代天然氣,或在天然氣管線終端以高溫裂解法除去其中的碳。潔淨能源倡導者擔憂投資天然氣基礎設施可能造成鎖定效應,這有其道理。每家新電廠、管線或儲氣槽的預期使用年限大多是25~80年,所以每項設備都可能延長使用而產生更多碳排放或成為閒置資產。但我們可用天然氣的直接替代方案來解決鎖定效應:低碳氣體可用於現有的管線、氣槽和電廠,充份運用於這些價值數兆美元的資產。


廢棄物再利用

現成的最直接替代方案是生質甲烷,也就是以生物來源製造的甲烷氣體。大型圓桶內的厭氧消化菌可分解農作廢棄物、糞肥、污水和廚餘,以及掩埋場的其他垃圾,進而產生甲烷。已經成熟的生物分解技術可把掩埋場的污水和鄰近密集動物飼養場所的化糞池從環境負擔轉化成有價值的商品,為地方政府和農民帶來收益。美國德州奧斯丁的廢棄物管理公司已經開始使用生質甲烷,負責管理該市一座掩埋場,蒐集掩埋場中128口井的生質甲烷,燃燒生產的電力可供4000~6000戶家庭。該市一家污水處理廠擁有八座生物分解池,每座容量為750萬公升,微生物把污水分解成生物沼氣,供廠中的發電機使用。過程中可產生固體副產物犰狳土(Dillo Dirt),外觀和氣味類似塊狀堆肥。


該市承包商在當地商店銷售包裝好的犰狳土,可用於土壤施肥。目前美國2000多處掩埋場中,大約有1/4已經開始蒐集氣體或使用生物分解技術處理廢棄物,製造生物沼氣。然而全美天然氣總用量僅改變不到1%。生物沼氣可以直接取代天然氣,但就全球而言,它的量相當少。如果農場、掩埋場或污水處理廠無法直接用這些生物沼氣來發電或與電網距離太遠,生質甲烷就必須先液化再用貨車運送到其他地方,降低了除碳效果。不過生質甲烷也是潔淨能源之一,可以除去天然氣系統中一部份的碳。


以氫取代甲烷

氫可完全取代天然氣。電廠可燃燒氫來發電,供應給電網,大貨車的內燃機引擎也可以用氫當成燃料。氫燃料電池可製造電力,供汽車、住宅或辦公室使用。氫是許多基本化學物質的構成元素,無論燃燒或在燃料電池中進行反應,都不會產生二氧化碳。氫洩漏時確實會造成暖化,但程度比甲烷低得多。地球許多龐大古陸上的盆地底部都會滲出天然氫氣,這些古老的大岩石構成各大陸的中央部份,一個多世紀前科學家就發現這些滲漏處,然而石油和天然氣公司發現地下礦床同時蘊藏氫時,只認為氫非常棘手,因為氫容易著火,會破壞金屬管線。但現在公司和學術研究人員都在鑽挖氫氣測試井,進行長達數年的計畫尋找地下氫氣。現在的想法和當初採取頁岩液壓破裂法時相仿:只要工程師能研究出成本低廉又安全的方法,就能運用這些龐大資源。


我們也可製造氫。目前工業界使用的氫大多以甲烷蒸汽重組法製造,讓甲烷接觸高熱和熱水,產生氫和二氧化碳。用電力使水分解成氫和氧的電解法也可產生氫氣,然而這兩個過程都需要消耗大量能源。


運輸並儲存氫氣也是一大挑戰。氫的密度相當低,所以以管線輸送的成本會比甲烷等密度較高的氣體或石油等液體大得多。輸送數百公里後,效率低將使輸送氫氣的成本高於它的能量價值。此外氫還會使鋼鐵管線脆化,必須改變使用條件或添加昂貴的合金來解決。


解決方法之一是混合氫和甲烷,以現有的天然氣管線輸送。用氫取代一部份天然氣,從而除去天然氣系統中的一部份碳。英國和法國的實驗指出,80%甲烷和20%氫混合後可在天然氣管線內有效移動。2018年中到2020年3月,在法國敦克爾克進行的研究以80:20的比例供應燃氣給100戶住宅和醫院鍋爐,管線上和住宅中完全沒有新型設備。如果氫氣的比率超過20%,暖爐和爐具中的爐嘴等裝置可能需要調整或更換,因為混合氣和純氫氣一樣,燃燒溫度和速率與天然氣不同。另外一項考量是氫的能量密度較低,體積比為20%時,單位體積提供的能量比天然氣少14%。




有個因應成本和安全的方法,是利用另一種熟知處理方式的化學物質來輸送氫,例如由一個氮原子和三個氫原子組成的氨。含有氫原子的這類分子稱為載氫劑(hydrogen carrier)。氫氣在開採或生產地點轉換進入載氫劑,由現有管線輸送,然後直接使用或在目的地轉回氫氣。氨、蟻酸(formic acid)和甲醇等常見載體都是常見液體,因此比氫氣容易輸送。氨雖然有腐蝕性,但它是肥料的成份,所以早已遍佈全世界,而且燃燒時不會產生二氧化碳。


甲烷中的碳原子和氫原子比例是1:4,而且適用於現有的管線、壓縮機、儲存槽、發電機和設備,所以可能是效率最高的選項。示範計畫的數量快速增加。芬蘭的瓦錫蘭(Wartsila)工業營造商正在建造新船維京能源號(Viking Energy),預計2023年完工。這艘船將以氨和燃料電池做為動力,避免排放溫室氣體和其他海洋污染。法國航空公司和巴黎戴高樂機場很有興趣採用氫協助航空界脫碳,然而載氫劑仍在初期研發階段,是否可能成功還言之過早。


管線終端除碳

燃氫電廠也還在規劃階段。在美國猶他州,美國規模最大的山間燃煤電廠(Intermountain Power Plant)為數百公里外的洛杉磯提供電力。為了因應洛杉磯對再生和低碳能源的長期需求,電廠業者預計在2025年把燃煤鍋爐改成燃氫發電機。他們起初將在天然氣中添加30%的氫,日後進一步改用100%氫氣。氫氣將在當地以電解方式製造,儲存在100多處體積相當於紐約帝國大廈的地下鹽窖,電解需要的電力則來自風力和太陽能。我們不需要先除去天然氣中的碳再送入管線,反而可在用戶使用天然氣的管線終端除碳。舉例來說,甲烷可在用戶端分解成氫和固態的碳,碳看來就像黑色的細粉。這個過程稱為甲烷高溫裂解,效率很高又可除去碳。以高溫裂解甲烷時,每製造一公斤氫可生成三公斤碳,直接燃燒甲烷則會排放九公斤二氧化碳。


集中在暖爐或爐具收集器的碳粉大約每個月取出一次。美國人現在付費給垃圾清運業者和地方政府污水處理場來處理固態和液態廢棄物,所以付費清運使用氣體時產生的廢棄物,也是理所當然。不過這些碳其實很有價值,可以用來製造石墨、橡膠、塗料、電池和化學物質,以及當成農業用的土壤改良劑。工程師研究甲烷高溫裂解雖然已有數十年之久,但僅在小型示範計畫中使用。某些管線終端設備必須為了分離碳而修改,但不需要鋪設昂貴的氫氣專用管線,可以大幅簡化工程。傳統甲烷高溫裂解可讓整個系統接近無碳,加上以生物分解技術產生或以再生電力和大氣二氧化碳製造的甲烷,甚至可使系統達成負排碳的目標。

想像任何一種無碳未來,或許會讓人想到必須汰換大型工業設施或數百萬具小型設備,但其他減少碳排放的提案同樣必須如此。要讓所有暖房器具、爐具和交通工具電氣化,必須進行全面科技更新,直接從空氣提取二氧化碳則需要數百萬部大型機器來捕集並封存二氧化碳,如此大規模的做法同樣需要大量土地和電力。





脫碳燃氣可讓我們充份運用價值數兆美元的現有管線、設備和用具,省下建立無碳能源系統的大量金錢和時間。當然,我們必須修復漏氣的基礎設施。把氣井周邊的氣動設備換成電子裝置、以感測器搭配無人機和機器人來自動檢查管線和氣槽,以及制定防止洩漏、刻意排放或燃燒多餘氣體的相關法規,上述方法都能盡量減少洩漏氣體。這些工作將可為石油和天然氣產業創造工作機會,也可讓能源基礎設施更環保,進而減少能源設施周邊排放的污染。

緩解氣候變遷需要許多解決方案,排除天然氣公司只會提高阻力。脫碳燃氣可填補再生電力的不足,而且對社會上難以電氣化的領域,脫碳燃氣或許是速度更快、成本更低、效果更好的途徑,所以不應該完全拋棄燃氣。美國擁有龐大的燃氣基礎設施,必須想想該如何運用。拆除這些設施不僅緩慢、花費高昂,而且十分困難,但可以善加運用,協助促成低碳未來。

# 關鍵字:能源天然氣脫碳
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