發展再生能源在近年成為主流，如何降低對化石燃料的依賴，減少碳排量，已經成為共識。日本除了積極開發氫能等再生能源，也將目光轉往較少被討論的氨氣身上。到底氨氣發電有什麼特點？未來台灣也有機會發展這項技術嗎？
圖為日本經濟產業省今年在美國參加國際綠能展示會時，製作的「零碳排火力發電廠」介紹影片片段。（圖片來源：擷取自metichannel Youtube）
氨氣發電是什麼？
「氨氣發電」是利用燃燒氨氣產生的熱能和動能推動渦輪機，進而產生電力的發電方式。
氨氣發電的原理和傳統上燃煤、天然氣等化石燃料一樣，差別只在於原料不同。因為氨氣的化學組成不含碳，所以燃燒氨氣不會產生一氧化碳或二氧化碳等含碳廢棄物。光是這點，氨氣發電就能徹底解決燃煤和天然氣發電廠為人詬病的碳排問題。
氨氣發電不會產生碳排量。既然這麼厲害，為什麼我們過去很少聽到呢？
事實上，氨氣發電還是一項未臻成熟的技術。目前還沒有辦法做到100%純燃燒氨氣（日文稱「專燒」），只能做到氨氣混合煤炭或天然氣的「混燒」。而且燃燒氨氣的過程雖然不會產生二氧化碳，但會產生對人體或環境有害的氮氧化物（NOx），須妥善處理。
重要到日本作為一種戰略資源，氨氣優點在哪？
和台灣一樣仰賴能源進口的日本，為什麼會開始研發氨氣發電？
在2020年制定的「新國際資源戰略」中，日本首次將氨氣視為有效對抗全球暖化、實現零碳排的燃料。隔年發表的「第6次能源基本計劃」，更將氨氣發電列入能源組合。然而，日本並非單純將氨氣定位成發電用燃料，而是視為補足氫能缺點的戰略資源。
除了氨氣發電不會產生碳排外，日本看上氨氣還有幾個理由：氨氣的穩定性比氫氣好，不用擔心在運輸過程發生爆炸等意外。而且目前氨氣在製備、儲存、運輸方面已有完整技術，初期不需要耗費大量資金發展供應鏈。更值得一提的是，根據試算結果，氨氣發電的價格比氫氣發電更便宜[1]。
此外，氨氣透過化學反應能產生氫氣。所以發展氨氣供應鏈，也是拓展氫能來源，運至日本的氨氣可以進一步轉為氫氣，用於發電或作為燃料電池儲備。
圖為日本中部電力公司的碧南火力發電廠，也是目前規劃最早用來進行大規模氨氣「混燒」實驗的火力發電廠。（圖片來源：Wikipedia - CC BY-SA 3.0）
氨氣發電邁向商轉的挑戰
話雖如此，氨氣發電邁向商業運轉還有很長一段路要走。氨氣發電在技術面有很大的突破，要歸功於日本内閣府在2014至2018年推動的「戰略創新創造計畫」（SIP），加速了相關研究的進行。
2014年，日本的研究團隊成功利用30%氨氣混合70%煤油發電，創下全球首例。2018年，日本再度以80%甲烷混20%氨氣發電成功。這些實驗室案例，讓日本對商用氨氣發電信心大增。
未來若能將既有的燃煤或天然氣發電廠，改為混合氨氣的「混燒」發電廠，再慢慢提升燃料中的氨氣比例，就能逐步汰換化石燃料。
不過，氨氣發電還是有諸多問題，這和氨氣本身的性質有關。傳統工業製氨的方式，是利用哈柏法結合氫氣和氮氣產生氨，但關鍵的原料——氫氣，目前製備的方式還是以化石燃料為主[2]。
如果要讓製氨過程達到「零碳排」，勢必得加速相關技術的研發，讓其他「零碳排」的製氫方法可以達到商業規模，或是利用碳捕捉與封存技術（CCS）儲存或回收再利用溫室氣體，才能降低二氧化碳對環境的影響。
至於前面提到，氨氣發電會產生氮氧化物（NOx）的致命缺點，目前相關實驗已經證實，使用既有的技術[3]，可以將氨氣發電排放的氮氧化物濃度控制在10ppm以下，尚符合環保基準。而且實驗也證實，混燒20%氨氣所排放出來的氮氧化物，幾乎和單純燃煤的氮氧化物排放量相同。
對日本而言，氨氣的另一個優點是可以在國內生產、確保能源自主。2019年的日本氨氣消耗量為108萬公噸，其中有8成都在日本生產。不過，日本目前的氨氣主要用在氮肥。如果想引進氨氣發電，勢必就要增加氨氣產量，不然就會排擠到肥料市場。所以，氨氣的供應問題會是氨氣發電進展到商用階段時，必須面對的一項課題。
日本很明確的在影片開頭提到，發展這項技術的目的之一，是希望未來能輸出這項技術，協助其他仰賴能源輸入的東南亞國家。（圖片來源：擷取自NEDO Channel Youtube）
能源危機下，不可忽視的氨氣發電
為了加速氨氣發電的產學研究及商用發展，日本經濟產業省在2020年10月成立「引進燃料氨官民協議會」，直接讓發電業者、製造商面對面，討論氨氣發電的應用及發展，一口氣解決研發和供應鏈的問題。
日本最大的火力發電業者JERA（捷熱能源），在2020年發表的淨零排放路線圖中，已規劃2030年前火力發電廠開始混燒氨氣，2040年達成100%氨氣發電。日前JERA宣佈，2023年將在碧南燃煤火力發電廠混燒80%煤炭與20%氨氣。這場實驗若能成功，將是氨氣發電的重大里程碑。
除此之外，日本經濟產業省也計畫用氨氣，作為2025大阪萬國博覽會的電力來源，展示100%氨氣發電的研究成果。
長期倚賴化石燃料進口的日本，頃全力朝向氨能發電，看上的不僅僅是低碳這個特性，更看上能源的自主與穩定供應。如果日本能在氨氣發電取得領導地位，未來還能對外輸出相關技術。畢竟俄烏戰爭的經驗已為世人敲響警鐘，能源自主在如今，越顯重要。
註釋
[1] 根據日本經濟產業省的試算結果，100%純粹燃燒氫氣的電費，每度電為97.3日圓，100%燃燒氨氣的電費，每度電只需要23.5日圓。
[2] 目前工業製備氫氣的方法有二：「甲烷＋高溫水蒸氣→氫氣＋一氧化碳」以及「一氧化碳＋高溫水蒸氣→氫氣＋二氧化碳」，兩者最終產物都會排放含碳廢棄物。
[3] 目前化石燃料的火力發電廠，就是使用氨作為觸媒，將發電過程產生的氮氧化物（NOx）還原成氮氣和水。
參考資料
- 日本經濟產業省資源能源廳（2021年1月15日），アンモニアが“燃料”になる？！（前編）～身近だけど実は知らないアンモニアの利用先
- 日本國立科學技術振興機構，アンモニアを燃やして発電
- 日本經濟產業省資源能源廳，第4節 燃料アンモニアの導入拡大に向けた取組
- EverGreen（2022年3月1日），アンモニア発電とは？メリット・デメリットや課題について解説
- 日本經濟產業省資源能源廳（2021年1月29日），アンモニアが“燃料”になる？！（後編）～カーボンフリーのアンモニア火力発電
- EMIRA（2021年6月2日），アンモニア発電とはどんな技術？ ポスト炭素燃料開発のいま
- EMIRA（2021年6月18日），既存燃料との併用から100%アンモニアへ！ IHIが見据える次世代火力発電ビジョン
※本文轉載自《低碳生活部落格》，內容由台達電子文教基金會及台灣環境資訊協會共同企劃。原文連結在此。
