日本煤炭氣化及結合燃料電池複合發電技術研發

陳昱維*主筆

* 中華經濟研究院國際經濟所輔佐研究員

一、日本與IGCC發電技術

　　在可預見的未來裡，火力發電仍是世界上許多國家的重要電力來源，日本近年的電力構成中煤炭也占了大約三成、僅次於近四成的天然氣。因此，日本政府於2016年公告了「次世代火力發電相關技術路徑圖」，確立了要朝碳捕捉及再利用技術（Carbon Capture and Utility, CCU）結合先進火力發電的發展方向。日本長年以來持續關注提升燃煤發電的發電效率並降低其碳排放量，例如超超臨界（Ultra Super Critical, USC）、先進超超臨界（Advanced-USC），以及煤炭氣化複合式循環發電（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）。早在2、30年前，利用複循環推動燃氣及蒸汽兩種發電機的IGCC技術就已經被各國所關注，其理由在於煤炭的價格相較於天然氣及石油更為便宜且波動較小。不過IGCC由於需要建置特殊設計的空氣分離裝置、氣化爐、煤氣淨化器等設備，加上高昂的前期建設成本，使得IGCC雖然在減碳效益上更有潛力，但至今在經濟層面仍劣於USC等其他火力發電技術，因而尚未普及化。

二、大崎Cool Gen Project三階段實證實驗

　　日本的中國電力株式會社、日本電源開發株式會社(J-Power)於2009年7月共同出資成立大崎Coolgen株式會社，在廣島縣的大崎上島(Osakikamijima-cho, Hiroshima)投入建設IGCC發電廠，後續在經產省、新能源產業技術開發機構（NEDO）等的支持下開啟「Osaki(大崎) Coolgen Project」。該計畫共分三個階段，第一階段在2012~2018年度建造166MW級輸氧型IGCC發電機組並測試運轉；2016~2022年度的第二階段則是進一步結合碳捕捉的設備；最後2018~2022年度期間進行的則是再將碳捕捉設備分離出來的氫氣用作固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）的燃料，形成結合三種發電源的複合式機組（Integrated Gasification Fuel Cell, IGFC）。

https://www.osaki-coolgen.jp/project/overview.html#layout。

　　大崎Coolgen Project的氣化爐採用的是1室上下2段迴旋氣流床（Entrained Flow Gasification）技術，搭配富氧技術可使氣化後的CO：H2：N2氣體比例從29%：11%：56%變成59%：23%：12%，有提升能效、降低有害的氮氧化物產量、產生方便利用的高濃度一氧化碳及氫氣等好處。其第一階段各方面的成果如下表所示。

https://www.nedo.go.jp/content/100932833.pdf。

　　第二階段的主要目標是驗證碳捕捉設備的性能，將部分（約17%）氣化爐所產出之富含CO、H2的瓦斯，利用水煤氣變換反應器轉換成CO2和H2，再透過物理吸收法將CO2與H2分離。分離後的H2被送回IGCC的燃氣渦輪發電機貢獻發電，而CO2則是提供給CCUS相關研究使用。研發團隊所設定在搭配新建置之1,500℃級IGCC機組的條件下，碳回收率要在90%以上，並且回收的CO2純度在99%以上等兩個目標也雙雙達標。而為了響應日本政府推出的「碳循環技術路徑圖」並最大化利用捕捉下來的碳，NEDO還在此新建碳循環實證研究據點（於2022年9月落成）供各研究團隊進駐，意在促成此地成為先進火力發電及二氧化碳分離、捕捉、液化、再利用等前瞻技術的研發及示範場域。

　　第三階段的計畫納入兩組三菱重工製造的600kW級固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC），測試SOFC使用前揭分離出來的高濃度H2為燃料的發電效果，研發團隊希望可以從此次1.2MW機組的實驗成果看到未來500MW級商用機組達成發電效率47%的可行性。長期投入燃料電池的三菱集團在陶瓷基體管外部堆疊燃料極、電解質、空氣極等物質，形成一個圓筒橫紋型的發電元件，再將許多的棒狀元件集合成模組。其成品的「MEGAMIE」250kW級機組已經投入市場銷售，已有不動產業者三菱地所位於東京丸之內的大樓、建築業者Hazama Ando位在筑波的技術研究所以及朝日啤酒的茨城工廠等採用，2021年也獲得來自德國的首個海外訂單。

https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/583/583080.pdf

三、結語

　　減碳表現本就比USC要更加優秀的IGCC加上了碳捕捉設備後，可大幅度地降低燃煤發電的碳排量，而結合SOFC也進一步提升整體機組的發電效率。不過值得注意的是，不同於目前普遍採用的燃燒後碳捕捉設備，IGCC搭配的是燃燒前碳捕捉設備，這進一步擴大了IGCC特規設備多、建置成本高昂的缺點。雖然捕捉下來的碳可以透過再利用技術創造一些經濟效益，但目前碳循環技術要落實到講究大規模與低成本的化工業還有許多製程上的課題要解決，且全球碳循環經濟市場尚未成形，短中期內尚難以期待藉此縮小成本差距。

　　雖說在最關鍵的成本效益上還有不小改善空間，大崎上島的案例依然展示了IGCC無可忽視的潛在優勢。除了大崎上島之外，日本還有其他地方也設有IGCC發電廠，待特規設備製造成本隨著訂單增多而下降，IGCC普及化最關鍵的課題可望獲得緩解。

　　儘管發展、擴充再生能源是許多國家的當務之急，但是再生能源的成長是否能如預期般順利仍有不確定性，因此即使是日本也將更新既有火力發電廠的機組設備、搭配碳捕捉技術以改善碳排視為重要的方向。未來台灣在邁向2050淨零排放的過程中，燃氣和燃煤等火力電廠的減碳仍將扮演重要的角色，日本IGCC發電技術之研發與應用值為台灣持續關注參考。

參考資料

1. 大崎クルージェン株式会社等，CO2分離・回収型石炭ガス化燃料電池複合発電所から回収したCO2の有効利用に向けた実証を開始します，2022年7月27日，https://www.osaki-coolgen.jp/release/pdf/220727.pdf。

2. 広野IGCCパワー合同会社（2022），空気吹きIGCCの開発・実用化，【リサイクル・バイオマス・ガス化】三部会(RGB)シンポジウム講演要旨，https://www.jstage.jst.go.jp/article/jieenermix/101/6/101_655/_article/-char/ja/。

3.J-POWER、電源開発株式会社（2022），J-POWERにおける石炭火力の脱炭素化への取り組み，https://www.pref.fukuoka.lg.jp/uploaded/life/649647_61414336_misc.pdf。