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將沼氣系統整合到能源系統中:電廠運作的技術觀點 Integration of Biogas Systems into the Energy System: Technical Aspects of Flexible Plant Operation
2020/08
IEA Bioenergy
https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2020/09/Integration-of-biogas-systems-into-the-energy-system-Report.pdf
一、前言
隨著再生能源於全球發電占比逐年提高,使得能源市場面臨重大改變,特別是間歇性再生能源的生產時間是否可與用戶使用之高峰時段相互搭配的問題亦遭受到重大挑戰。根據IEA Bioenergy提供2020年1月德國電力系統發電及用電量趨勢顯示,以能源供給面向來看,太陽能及陸上風能為德國主要的再生能源供應來源,而太陽能發電高峰集中於每日中午前後日照旺盛之時段,與太陽能發電相反,陸上風能則較集中於夜間或清晨多風區間;而以能源需求面向來看,德國每日用電量趨勢大多與太陽能發電量趨勢相符,然而用電量卻遠超越太陽能發電量,若未來欲透過再生能源全面取代傳統發電,再生能源的調度與能源系統的配置將成為重要的議題。

而沼氣屬多用途的能源載體,可用於發電、供熱或經提質後成為運輸等所需之燃料,亦具有可調度和控制能源輸出的特性,可平衡間歇性再生能源造成的電力波動,因此沼氣系統的發展為近年來各國密切關注之技術。此外,沼氣系統亦為一種生物電池,在氫營養型產甲烷古菌 (hydrogenotrophic methanogenic archaea)的作用下,將再生能源電力供應過剩時透過電解產生的氫(H2)和沼氣中的二氧化碳(CO2)轉化為甲烷,可增加約70%的甲烷含量。而在能源需求高峰之時段沼氣亦可將其做為熱電聯產之燃料,進而轉換成電力及熱能以供用戶使用,可有效提升電力系統供電之靈活性及穩定性。文章主要介紹沼氣發電過程的相關技術,以及達靈活運作所需的關鍵要素,另針對沼氣系統與再生能源如何加以整合提高甲烷產量進行討論,最後提出現今國際上成功之案例以供參考與借鏡。

二、沼氣發電廠的運作的關鍵技術
(一)關鍵技術
1.產氣過程
沼氣來源一般是將廢棄物或生物質透過厭氧消化(Digestion process)過程,在缺氧環境下利用微生物分解有機物產生沼氣並進而做為發電的燃料。而產氣速率是影響能量動態輸出的關鍵,因此設備方面主要著重在連續攪拌槽反應器(Continuous Stirred-Tank Reactor, CSTR)、活塞流式反應槽(Plug flow)、厭氧過濾槽等設備技術的提升;控制方面則透過進料速率、基材類型及降解特性等技術,以優化預測天然氣的生產效率。

2.儲氣過程
電廠靈活運作的過程中,會導致天然氣的消耗與產量出現不平衡的時期,因此有賴氣體管理(Gas management)針對天然氣需求變化進行儲氣系統液位(liquid level)及輸送管流率的調整。此外,氣體在進入儲氣槽的儲存之前,須經過乾燥及去除硫化氫的處理,以確保氣體的質量並避免氣體損失和有害物質的排放。因此,在技術發展上可從影響儲氣槽容量的因素(如天然氣的需求與產出、氣候變化等因素) ;可增加氣體流率的結構設計(如管道尺寸、安全裝置等);提升儲氣槽之間的氣體傳輸;裝置避免過剩氣體透過洩壓閥排放的燃燒設備等方向進行優化。而在硬體方面包括安裝額外的儲氣槽、可精確計算液位的傳感器、裝設氣體管理系統(於鼓風機以及氣室之間安裝),與天然氣管道運輸設備和氣體處理系統等,以提升整體儲氣運作過程的效能。

3.發電過程
沼氣發電一般採用熱電聯產(Cogeneration, combined heat and power, CHP)又可稱為汽電共生,乃將沼氣作為燃料在內燃機中燃燒同時生產電力及熱能。在電廠運作時,由於CHP停止後會導致內燃機組冷卻後氣體產生凝結,且重新啟動時須滿載操作,耗時且增加氣體損耗,因此為減少啟動時間,需保持設備的溫度,避免組件因重新啟動而造成損壞及冷凝。但部分負載運轉(Part load operation) 通常有最低負載的限制,會增加效率損失及甲烷流逸(methane slippage)的機率。為改善上述影響,因此技術發展方向著重於冷卻水和油的預熱技術 (最低60°C)、優化CHP啟停程序、空氣再循環設計、電動油壓設計、疏水器(condensation traps)設計、CHP-PLC遠端監控、提升沼氣的質量(含硫量、溫度及濕度)等。

4. 整體流程控制(Process control)
為使沼氣發電場的運作更加靈活,必須從沼氣的生產到發電的整個過程,透過傳感器(sensors)、複雜模型(complex models)、執行器(actuators)及運算能力(computing capacity),針對影響技術可靠性及經濟的最佳關鍵參數進行優化。另一方面,亦可根據發電廠操作員的需求進行控制系統開發的整合,以達到靈活運作的目的。

(二)國際案例
1.德國的能源應用
為提升發電廠營運的靈活性,德國自2012年起透過激勵政策進行補助,至2019年已有3,146座沼氣發電廠成功轉型,總產能高達2,022MW。位於德國朗韋德爾(Langewedel)的沼氣發電廠即是一個成功的案例,為使營運更具靈活性,其於2019年進行轉型,透過兩個熱電聯產裝置(容量共為1,900 kW)進行發電及產熱外,並搭配儲氫設備及氣體儲存裝置進行氣體管理,除了供電予終端用戶使用外,產生的熱能亦被用於進行穀倉乾燥及建築物加熱,其2019年預估之額外收入已超過每千瓦時1.5歐元ct/kWh。

2.瑞士的虛擬電廠
瑞士公司Fleco Power於2015年開發一個獨立的虛擬電廠,其中包含太陽光電、小型水力發電及沼氣裝置的分散式電力生產系統,並架設兩台250 kW之熱電聯產設備,透過觀測電網峰值負載量、太陽光電與水力發電容量以確立沼氣系統運行之時段,並透過智能控制系統控制電廠間的能源需求,目前其每年可出售超過200 GWh之能源,並成為瑞是當地最大的獨立直銷商,市場占比已達20%。

三、電轉氣(Power to Gas, PtG) 與沼氣的整合系統
(一)原理
在厭氧消化產生沼氣的過程中,為了確保後續用於熱電聯產的氣體質量,過程中會透過純化反應去除沼氣中的二氧化碳,例如水或化學洗滌法(scrubbing)、薄膜或變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption, PSA),但會增加生產成本。而循環經濟的方法提供了另一種碳捕獲的途徑,透過將再生能源發電多餘之電力電解產生氫氣,並與沼氣系統中的二氧化碳進行反應進而產生甲烷(4 H2 + CO2 = CH4 + 2 H2O),達到除碳及生產甲烷之雙重效益,稱之為「甲烷化(Methanation)」。

(二)甲烷化(Methanation)技術
1.原位生物甲烷化(In-situ biological methanation)
原位生物甲烷化技術為將再生能源電解生產之氫氣直接添加至厭氧消化槽(將有機原料進行生物降解)中,並與槽中二氧化碳結合以提高甲烷的產量。然而,此項技術主要有兩個缺點,主要是當氫氣添加至沼氣系統時將使系統中氫氣分壓上升,會抑制厭氧消化反應中間脂肪酸(丙酸酯及丁酸酯)的生產,進而影響厭氧消化過程;其次則是離開反應槽的甲烷含量可能會發生變化,透過原位生物甲烷化技術生產之甲烷需進一步進行純化作用,才可導入天然氣網或是作為運輸燃料。

2.異位生物甲烷化(Ex-situ biological methanation)
異位生物甲烷化技術為將生物甲烷化的反應槽置於沼氣系統旁,並將再生能源電解生產之氫氣和厭氧消化產生之二氧化碳添加至外部反應槽中。與原位生物甲烷化相比,其不具增加氫氣分壓及抑制揮發性指肪酸(volatile fatty acids, VFA)等造成消化過程失敗的風險,且可直接導入天然氣網或是作為運輸燃料,因此具有相當技術優勢。但此技術目前尚未達到商業技術成熟度,且仍存在氫氣於反應槽溶解及其溶解氫與氫營養型產甲烷古菌 (hydrogenotrophic methanogenic archaea) 的反應等問題待解決。

(三)國際案例
總部位於德國慕尼黑的Electrochaea公司運用生物甲烷化技術開發網絡規模的儲能方案,透過電轉氣的過程將再生能源及生物二氧化碳轉化成可再生甲烷網,進行儲存與輸送,以高經濟效益的方式儲存可再生能源並回收二氧化碳。
其示範電廠應用異位生物甲烷化技術製成甲烷並已成功導入瑞士及丹麥的商業天然氣網絡(commercial gas grids)中,目前正研究部署10MW商業規模以上的電轉氣(Power to Gas, PtG) 與沼氣發電的整合系統。
楊尚芸
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