能源問題一直是全球各政府的重點政策，在經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護兩端的議題拉扯下，各國都希望能找出平衡點，不過在目前技術下，各類型發(fā)電技術對環(huán)保問題都仍難以完全克服，因此目前只能期盼技術繼續(xù)精進。

就技術面來看，目前全球主要的發(fā)電技術有3種，包括火力、核能與再生能源（太陽能、風力），這3種方式中，火力發(fā)電是現(xiàn)在電力的主要來源，佔全球發(fā)電量超過1/3，火力發(fā)電的來源包括煤、油、氣等3種，其中燃煤是主流，佔全球總發(fā)電度數(shù)約為40％，天然氣次之，約為20％，石油近年大為降低，主要應用於交通運輸，大約只有5％；再生能源是第2大電力來源，生產的電力度數(shù)約佔20％，其中水力發(fā)電約為16％，風力、太陽能、地熱、海洋能總和則在3％左右；至於核能則是第3，目前全球共有440核座能機組，臺灣有6座，共生產全球13％的電力。

電力技術研發(fā)須兼顧環(huán)保

由於各種模式的電力產生都必須借助自然能源，因此資源的多寡決定了國家的能源政策，以水力發(fā)電為例，挪威、巴西、尼泊爾等國的水力發(fā)電佔有90％以上的發(fā)電量，紐西蘭佔80％、加拿大也有50％，不過水利資源豐沛的國家終究只是少數(shù)；以能源來說，蘊藏量最豐富且最為平均的仍是煤礦，目前包括美國、中國、印度、澳洲、南非等，都是煤礦出口大國，這些國家國內的燃煤發(fā)電也佔有90％以上，不過燃煤帶來的碳排放也是這些國家目前急欲解決的問題。至於臺灣，由於能源極為匱乏，天然氣、煤、鈾等都必須靠進口，目前進口能源佔使用量的99％以上，是目前全球人口超過1千萬的國家中，自產能最少的。

就如前文提到，目前的電力技術發(fā)展必須兼顧環(huán)保，在此前提下，減碳成為新世代能源技術的必要設計，而觀察目前各國對發(fā)電技術的倚賴程度，火力發(fā)電在可預見的未來仍會是主力，因此要在經(jīng)濟與環(huán)保中取得平衡，火力發(fā)電技術的改善勢在必行。

圖1 : 火力電廠排放煙氣中的碳比例過大，要完全去除難度非常高。（source:Financial Tribune）

火力發(fā)電可分為兩類，一種是純發(fā)電，也就是一般人所知的發(fā)電廠，另一種則兼具發(fā)電與供熱用途，也就是汽電共生廠，純發(fā)電的火力發(fā)電廠又分為傳統(tǒng)型火力電廠與複循環(huán)發(fā)電廠兩大類，傳統(tǒng)型火力電廠的原理是透過石化燃料的燃燒提供熱能，將鍋爐中的水煮沸蒸發(fā)為540℃～620℃的水蒸氣，再將水蒸氣引入汽輪機中膨脹做供轉換為機械能，以此轉動機內葉片帶動發(fā)電機發(fā)電。

傳統(tǒng)與複循環(huán)火力發(fā)電

傳統(tǒng)火力發(fā)電是由熱能轉換為電能，因此可用卡路里來換算，1度電大約是860大卡，一般發(fā)電技術會以能量轉換的消耗率來計算發(fā)電效率，傳統(tǒng)火力發(fā)電是將石化原料燃燒產生的熱能轉換為水蒸氣，這部分是熱能之間的轉換，因此效率極高，可達到90％左右，但是下一步透過水蒸氣膨脹轉換為機械能，其效率就會降低，要提高這部分的效率，就必須讓水、汽的溫差加大，目前全球火力發(fā)電廠的效率大約為43％，寒帶國家的則會略高，而現(xiàn)在各國政府與產業(yè)在火力發(fā)電技術的首要工作就是提升效率，因為提升效率意謂用更少的燃料發(fā)出更多的電，如此不但可以省下發(fā)電成本，也減少了碳排放。

前面提到，傳統(tǒng)火力發(fā)電廠要提升效率，必須擴大水、汽的溫差，現(xiàn)在的作法是希望可以將水蒸氣的高溫提升到接近700℃，不過高溫對鍋爐材質帶來嚴苛考驗，因此現(xiàn)在耐熱材料的研發(fā)，是電廠設計者的艱難課題。

除了傳統(tǒng)火力電廠外，另一種火力發(fā)電技術是複循環(huán)發(fā)電，這種發(fā)電方式是先在氣渦輪機中燃燒天然氣，進而帶動發(fā)電機發(fā)電，不過在氣渦輪機中燃燒的天然氣會排出高溫煙汽，因此會將此煙汽導入廢熱鍋爐，這部分就像傳統(tǒng)火力發(fā)電一樣，利用煙汽熱量加熱鍋爐中的水，使之產生水蒸氣，再將水蒸氣印進氣輪機，利用膨脹推動葉片，帶動發(fā)電機，這整道流程中包括氣渦輪機與汽輪機兩處都會發(fā)電，因此稱之為複循環(huán)發(fā)電，複循環(huán)發(fā)電由於利用了天然氣的熱能，因此發(fā)電效率高於傳統(tǒng)火力發(fā)電，在固定環(huán)境條件下，效率可達60％。

前處理與後處理碳捕捉技術

火力發(fā)電雖然是現(xiàn)在應用最大的發(fā)電方式，不過對環(huán)境的汙染也最嚴重，因此火力電廠的排碳捕捉與貯存就成為新世代火力電廠的設計重點（Carbon Capture and Storage；CCS），就目前的工程技術來看，CCS並非難事，其技術在碳捕捉方面有後處理、前處理2種主要方式，貯存則有地層封存與海洋封存2種方式。

後處理方式是用於傳統(tǒng)火力發(fā)電廠，傳統(tǒng)火力發(fā)電會將鍋爐中的煤與空氣中的氧結合釋出能量，其過程中就會產生二氧化碳，燃煤電廠在排出二氧化碳前，會經(jīng)以空氣品質控制系統(tǒng)（Air Quality Control System；AQCS）濾除煙器中的硫、硝與懸浮顆粒，降低對環(huán)境的危害，AQCS是燃煤電廠的重要投資，其金額高達整廠總投資的1/3，由於這類做法是在煙器產生後才去除二氧化碳，因此稱之為後處理，後處理的問題是設備成本高，而且效率不彰，因此業(yè)界後來研發(fā)出前處理技術。

前處理技術主要是應用於IGCC電廠（整合煤碳氣化與複循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)），IGCC中的CC（Combined Cycle）就是前面提到的複循環(huán)發(fā)電，若將煤在與空氣阻隔的高壓氧化爐中與有限的氧氣、蒸氣一起產生化學作用，就會出現(xiàn)合成氣（Syngas），合成氣的主要成分是一氧化碳與氫氣，一班IGCC廠就是以合成氣作為燃料轉動氣渦輪機，而若在過程中先燃燒合成氣，則會出現(xiàn)二氧化碳與氫氣，在這個階段先去除二氧化碳，再將氫氣導入氣渦輪機發(fā)電，這個過程就稱之為前處理，前處理的優(yōu)點是去二氧化碳的效率較高且成本較低。

碳封存問題仍大

碳封存則是儲存由煙氣中回收的二氧化碳，其技術包括則有地層封存與海洋封存，地層封存目前證明可行的方式，是將二氧化碳打入廢棄油田中儲存，目前許多石油公司在油田的油源逐漸枯竭之際，就會將二氧化碳打入油井中，增加地表下石油的流動性，進而提升產量。

圖2 : 地層封存目前證明可行的碳封存方式，作法是將二氧化碳打入廢棄油田中儲存。（source: ScienceNews）

目前全球每年有超過4千萬噸的二氧化碳打入油田，不過這只是石油公司為了提升產能所衍生出的程序之一，碳封存在此並非主價值而是附加價值，至於海洋封存則是將二氧化碳打入超過3千公尺深的海底，由於在此環(huán)境下，二氧化鈦會轉換成液體，且比重大於海水，因此不會浮出水面重返大氣層。

CCS目前在技術面已然克服，封存的環(huán)境也已找到，不過整體推動仍有障礙，其障礙主要在於規(guī)模與成本，其次則是封存地點，規(guī)模與成本的障礙點在於現(xiàn)在電廠所排出的二氧化碳數(shù)量太大，即便火力電廠設有AQCS，但其排放煙氣中的碳比例過大，要完全去除難度非常高。

圖3 : 新世代的電力設計必須兼顧環(huán)保。（source:Greengage）

現(xiàn)在的做法是在電廠旁興建二氧化碳回收廠，但問題在於這個回收廠也必須具有一定規(guī)模，而且也會對電能消耗量也相當大，為了回收電廠所排放的二氧化碳，新的回收廠往往需要消耗原電廠1/3的電力；以美國為例，每年燃煤的二氧化碳排放量約為19億噸，以桶裝石油計算，等於每年要處理4千萬桶石油，臺灣每年的二氧化碳則是1億5千萬噸，比每年石油使用量高出10倍。

目前全球光是為了捕捉封存每年燃煤發(fā)電所產生的二氧化碳，就大於每年的石油產量，而這還未計算二氧化碳打入地層或海洋後，對環(huán)境造成的影響。整體發(fā)展來看，CCS仍是短期間減少碳排放的主要方式之一，但若要根本解決碳排放問題，再生能源會是較佳的方式。

**刊頭圖（source: Royal HaskoningDHV）