1. 國立臺北大學通識教育中心
「能源教育」通識課程
進度：化石燃料利用 (下)
（教材章次：第十二章）
授課教師、教材編撰者：
李育明 台北大學自然資源與環境管理研究所 教授
May 25, 2007

2. 課程大綱
台灣二重大投資案
前言：美國FutureGen計畫
淨煤技術
超臨界與加壓流體化床
IGCC發電技術
燃料電池
氫能與新能源型態
「加氫站」：新型態能源輸配
二氧化碳捕捉與封存
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3. 台塑鋼鐵與國光石化兩大投資案概述
摘錄自
『台灣經濟永續發展會議』
產業組－製造業分組會議（2006年7月1日）
簡報二：兼顧3E長期產業發展政策
(簡報人：財團法人台灣綜合研究院吳再益副院長)

4. 一、台塑一貫作業煉鋼廠
投資金額約新 年產750萬噸之
台幣1,373億元 一貫作業煉鋼
廠
年產值約新台 帶動中下游產
幣1,088 億元 業產值約新台
幣3,828億元
創造相關行業
嚴格審查生產製 就業機會約4萬
程，須使用國際 人
最新最有效率製
單位產品溫室氣體排
程及環保技術
放量為國內標竿或與
國際知名企業相當
協助相關產業及下游
廠商提升生產效率， 投資企業須提出短
並抑制溫室氣體排放 中長程溫室氣體減
量計畫與目標
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5. 二、中油雲林石化科技園區
日煉30萬桶原 年產120萬噸
油之煉油廠 之輕油裂解廠
石化中游共 投資金額新台
23座工廠及 幣4,005億元
汽電共生廠
帶動相關產業投
資增加產值約新
年產值約新台 台幣6,500億元
幣3,435億元
創造相關行業就
業機會約17萬人
均將採用高製
程效率技術 生產每公斤乙烯之
二氧化碳排放將只 配合關閉較老舊工廠
有現有三輕之60%
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6. 三、台塑鋼鐵及國光石化兩大投資案
投資案 台塑鋼鐵 國光石化
地點 雲林離島工業區 雲林離島工業區
投資金額 新台幣1,373億元 新台幣4,005億元
年產值 新台幣1,088億元 新台幣3,435億元
彌補需求缺口：每年約需進口 建構雙石化生產體系
鋼胚800萬噸，鋼材400萬噸 因應高雄煉油廠(五輕)遷廠
強化上游供應，提高下游產業 投資高值化石化品支援高
投資 競爭力汽/機車、金屬製品、 科技產業
必要性 機械設備等產業之高強度、高 有助中油公司民營化
性能鋼材
建構雙軸生產體系，促成市場
良性競爭
CO2
排放量
1489.5萬噸 800萬噸
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7. 前言
FutureGen – Energy Renaissance
One billion dollar, 10-year demonstration
project to create world’s first coal-based,
zero-emission electricity and hydrogen plant
George Bush, Jr.
February 27, 2003
煤的氣化技術
煤化工
氫能利用
CCS and EOR
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8. FutureGen 計畫內容
8

9. 中國大陸能源發展策略
9

10. 淨煤技術 (Clean Coal Technology)
煤炭加工和轉化技術 (燃燒前)
煤炭燃燒技術：淨煤發電技術
淨煤發電技術 (http://www.itri.org.tw/cfc/co2/15/gw15_3.pdf)
超臨界粉煤發電技術
Supercritical Pulverized Coal (PC) Combustion
壓力式流體化床燃燒發電技術
(Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC)
壓力式流體化床複循環發電技術
(PFBC/Combined Cycle, PFBC/CC)
氣化複循環發電技術
(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)
煙氣脫硫與脫硝 (氮氧化物) 技術 (燃燒後)
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11. 超臨界與PFBC/CC
Supercritical PCC
水與蒸汽的臨界參數為22.115 MPa / 374.15ºC，超過此參數即
為超臨界。亦即維持此溫度，壓力即使再上升，蒸氣也不會轉
換為液態的水。
超臨界機組：
22.4 MPa / 560ºC
PFBC/CC
燃料在增壓流體化床燃
燒後，產生的煙氣經高
溫旋風分離器淨化後，
驅動燃氣輪機發電，同
時蒸汽產生器亦產生蒸
汽驅動蒸汽輪機發電。
燃氣輪機的Brayton迴圈與蒸汽輪機的Rankine迴圈聯合發電
即稱為複循環機組。
11

12. IGCC 操作流程
12

13. 13

14. 燃煤發電技術之綜合比較
(http://www.itri.org.tw/cfc/co2/15/gw15_3.pdf)
14

15. 燃料電池 (Fuel Cell)
燃料電池
工作原理
參考資料來源
http://www.civil.ncku.edu.tw/webusers/cct/專題演講/20051125燃料電池.ppt
15

16. 燃料電池發電具有高效率之特點
傳統熱機發電：化學能(燃燒) →熱能→機械能→電能
燃料電池發電：化學能(電化學反應) →電能
黃鎮江 (2005)
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17. 符合能源多元化及低污染之原則
只要含有氫原子的物質都可以作為燃料
如：氫氣、天然氣、煤炭氣化氣、酒精及甲醇等。
若使用氫氣與氧氣，其產物為水，幾乎是零污染。
燃料電池應用於3C產品比傳統電池更具優勢
能量密度高
(鋰電池的10倍)
使用時間長
(鋰電池的5倍)
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18. 燃料電池依電解質種類區分
低溫型 (60-220oC)
鹼性燃料電池（AFC）
磷酸燃料電池（PAFC）
質子交換膜燃料電池（PEMFC）
直接甲醇燃料電池（DMFC）
高溫型(600-1000oC)
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）
固態氧化物燃料電池（SOFC）
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19. 鹼性燃料電池 (AFC)
採用氫氧化鉀或氫氧
化鈉溶液為電解質，
導電離子為OH¯。
主要應用於太空飛行
中，如太空梭動力
源。
反應對氫與氧中之二
氧化碳雜質很敏感，
因此，大部分研發工
作已停止。
黃鎮江 (2005)
19

20. 磷酸燃料電池 (PAFC)
黃鎮江 (2005)
採用高濃度磷酸液為電解質，導電離子為H+。
燃料氣體必須純化，以避免鉑觸媒被一氧化碳毒化。
暖機時間長，啟動慢，不適合當交通工具之動力源。
20

21. 質子交換膜燃料電池 (PEMFC)
採用濕潤之高分子質
子交換膜為電解質，
導電離子為H+。
陰極和陽極皆以鉑為
主要觸媒。
燃料氣體必須純化，
以避免鉑觸媒被一氧
化碳毒化。
黃鎮江 (2005)
21

22. HONDA FCX-V4
通過美國EPA認證的第一輛燃料電池車(PEMFC)
續航力：315 km
極速： 140 km/h
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23. 直接甲醇燃料電池（DMFC）
屬於質子交換膜燃料電
池中之一類，只是直接
使用液態甲醇為燃料。
主要應用於電子產品如
手提電腦、行動電話及
數位相機等3C產品。
尚待克服之問題包括：
甲醇滲透、效率低及水
的處理。
黃鎮江 (2005)
23

24. DMFC已應用於多種3C產品
Fujitsu Laptop Hitachi PDA Toshiba Laptop
Samsung Laptop NEC Laptop
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25. 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)
採用熔融態之碳酸鋰及
碳酸鉀或碳酸鈉為電解
質，導電離子為CO32-
。
操作溫度為650oC。
以鎳基合金和氧化鎳當
作觸媒，成本較低。
除了氫氣外，也可使用
天然氣及煤氣等碳氫化
黃鎮江 (2005) 合物為燃料。
25

26. 固態氧化物燃料電池 (SOFC)
電解質是固態YSZ (摻入三氧化二釔之氧化鋯)，導
電離子為O2- 。
工作溫度在攝氏800-1000度間，電池材料要求較高。
除了氫氣外，也可使用天然氣及煤氣等碳氫化合物為
燃料。
黃鎮江 (2005)
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27. 各類燃料電池之比較
低溫燃料電池 中溫燃料電池 高溫燃科電池
（60—120℃） (160—220℃) (600—1000℃)
類型 AFC PEMFC DEMFC PAFC MCFC SOFC
應用 太空飛 汽車、潛水 攜帶式電子設 熱電合併電廠、複合電廠 熱電合併電廠、複合 熱電合併電廠、複合
行、國防 艇、攜帶式電 備、軍用電子設 電廠 電廠、住家電源
子設備、住家 備電原
電源
開發的 在太空飛 3C產品、汽 主要運用於手 商用PC25TMD型，具有 250kW的MCFC結合 110kW的試驗電廠
狀態 行中的應 車、公共汽車 機、筆記型電腦 200kW功率，成本約為 Turbine複合發電測 和SOFC/GT300kw至
用 測試、250kw 電池等小型電池 1500kw美元， 試，3MW的試驗電 1MW電廠測試
分散型電站 廠
特性 啟動快， 啟動快、與常 發電效率低且甲 發電效率相對較低 啟動時間長、腐蝕性 電池外型設計有彈
不適合於 規技術相比很 醇會穿透薄膜 電解液 性、廢熱可利用，材
工業應用 貴 料限制大
電解體 氫氧化鉀 質子可滲透膜 鹼金屬或碳酸鹽 磷酸 鋰和碳酸鉀 固體陶瓷體
溶液
燃料 純氫 氫，甲醇天然 甲醇 天然氣，氫 天然氣．煤氣沼氣、 天然氣．煤氣沼氣、
氣 氫 氫
電效率 60-70％ 43-58％ 30％ 37-42% ＞50% 50-65%
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28. 燃料電池發電容量與適用範圍
28

29. 氫的來源
利用重組反應自甲烷中產生
水電解法 ?!
煤炭氣化結合水-氣轉化反應(WGS)
利用太陽能來製造氫與氧
可從植物或其它排泄物中分離出氫氣
細菌或綠藻可以藉由光合作用來製造氫
生質能、纖維素等水解、發酵產氫
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30. 氫的儲存方法
儲存狀態 儲存容器 儲存之重量效率 儲存之體積效率 氣態高壓儲氫法
(重量分率%) (kg/m3)
液態儲氫法
氣態氫氣 鋼瓶 1.50 12.10 儲氫合金吸放氫法
(150atm)
奈米碳管吸放氫法
液態氫氣 鋼瓶 13.00 46.90
鋁瓶 23.70 46.90
儲氫合金 鋼瓶 1.045 35.29
吸放氣
奈米碳管 鋼瓶 7.22 39.00
吸放氣 (113K，
54atm)
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31. http://www.mse.ntu.edu.tw/seminar/semidownload/200610_FuelCell.pdf
31

32. 二氧化碳捕捉與封存
碳捕捉與封存 CCS
Carbon Capture and Storage (Sequestration)
碳捕捉
如何捕捉？如何暫存？
產生源至封存地之運輸？
碳儲存或碳封存
EOR 激勵採油法
礦脈、礦坑
地下岩層、地下含水層
深海、(外太空?)
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33. 碳封存
Capture and Enhancing Natural
Storage of CO2 CO2 Sinks
Improved nutrients, better
Advanced agricultural practices
Conversion to minerals,
bioconversion, etc. Terrestrial
Geologic Ocean
Injection into oil reservoirs, Enhanced photosynthesis in
unusable aquifers, coal seams algae ponds, greenhouses
Deepwater injection
http://www.amb-usa.fr/toulouse/events/ppt/Climate Friendly Technologies.ppt
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34. IGCC+CCS+Hydrogen
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35. FutureGen
Multiple products
Electricity
Fuels/Chemicals:
H2 for transportation
Process Heat
Multiple benefits Coal
POWER
Fuel Cell High Efficiency Turbine
Higher Other
Fuels
Efficiency
Near Zero FUELS
Liquids Conversion
Emissions Gas
Hydrogen
Separation
Process
Heat/
Oxygen Stream Steam
Enhanced Membrane Gasification Cleanup
Energy
Security CO2 Sequestration Electricity
Fuels/Chemicals
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36. 36

37. 37

38. 38