沼氣發電併網輸出應用推動現況探討

作者:

黃介一、劉祖閔、林正軒、黃建銓

刊登日期:2021/06/30

摘要:使用沼氣發電之燃氣系統屬生質能應用範疇,近年來在工業技術發展的支持下,小型沼氣發電系統加入配電系統運轉已成為一種符合多方利益之智慧電網發電方式。在沼氣發電國際應用的趨勢上,檢視生質能本身會有自然不易抗拒的能量變動現實,考量小型沼氣發電系統架構面對併網應用可能面臨的議題。本文即在探討國內沼氣發電系統在併網輸出應用的架構與該系統可再優化的空間,以促使其在發電併入電網運轉的穩定性與安全性可以提升,減少系統併網所面臨衝擊並增加應用效益。本文所提方法已使用實作驗證,從測試結果可看出其可行性機會,相關研究成果應具實務應用參考價值。
Abstract:In the recent past, industrial developments have made it practical to generate real power using biogas power generation in the power distribution system. In the trend of international application of biogas power generation, this article reviews the reality that the energy of biomass energy itself will change, and considers the issues for the grid-connected application of the biogas power generation system architecture. Under these concepts, this paper discuss the architecture of the domestic biogas power generation system's grid-connected output application and the space where the system can be optimized, so that the stability and safety of the power supply can be improved, which can reduce the impact and increase the application benefits. It was confirmed that test results gained from experiments would support the academic and practical value of the proposed inverter circuits for the biogas power generation application considered.
關鍵詞:沼氣發電、功率控制、併網輸出
Keywords:Biogas power generation, Power Control, Grid-connected output

前言
在2015年的《巴黎協定》國際社會達成共識,各國同意為面對氣候變遷威脅而努力,讓全球平均溫升與工業化之前相比壓在2℃以內。關鍵作法是各國需減少溫室氣體排放[1,2],為了維護並保護地球環境的《巴黎協定》目標已超越以國家觀點所制訂的溫室氣體減排目標和策略,其推動與觀念都比一些較為先進的歐盟成員國的設定更具挑戰,包含設定往後的2030甚至2050年的溫室氣體減排目標,以及相關再生能源技術的發展與推動。這些再生能源的技術所導致的溫室氣體減排,相較於石化能源應用是更具成效的。據研究文獻所示,全球可再生能源類型中生質能源是占比最大的能源[3]。生質能源的樣貌可以透過固態、液態和氣態的形式來提供能源轉換與應用,雖然現階段以固體形式生質能供應89%佔比較高,而以氣態形式的沼氣佔比僅約2%,但從2000年至2014年全球沼氣產量的統計數據顯示,沼氣年平均增長率以每年11.2%成長[4]。參考Fortune Business Insights機構的市場訊息,沼氣應用發展具領導地位的歐洲,在2019年調查整體沼氣市場產值與應用場域數量,市場規模達34.6億美元,沼氣生產的場域超過18,000個,此可重覆利用生質能源不但投資條件被看好,同時全球各區域社會環境的發展衍生的大量有機廢棄物是刺激其他地區市場成長的關鍵因素之一。預估全球沼氣市場規模於2027年有機會成長到77.1億美元,年複合成長率達14.7%,依照不同的應用所需將以濕式或乾式厭氧發酵形式系統呈現,例如用在發電、熱能應用或是作為運輸工具的燃料等等應用型態,未來全球將越來越關心各地碳排放的情況,因而地球環境保護意識又會更加提升,更進一步促使各國與產業選擇使用綠色能源,所以沼氣能源的應用就成為一個關鍵性的有利選擇之一。再由國際能源署(IEA)的數據顯示,預估2040年全球電力需求中的67%會由再生能源提供,其中太陽能和風力發電約佔40%,生質能和水能約佔25%。生質能源的比例從5%提升到12%,有趨勢續推往20%,由以上的相關預估趨勢,沼氣能源的應用將朝向正向發展[5]。
沼氣應用市場與發展趨勢
由於人們的日常生活與產業運作對於能源需求的關注是日益增加的,會進一步考量沼氣生質能源的應用整合以及成本效益。從料源來看,各國政府都有針對廢棄物管理的政策以及循環利用的經濟訴求做法,都是推動沼氣市場發展的主要因素。社會的發展產生新的廢棄物管理技術為市場帶來了新的機會,其中廢棄物對於全球影響正在顯著增加,例如都會區的生活垃圾、廚餘、廢水、農畜牧廢棄物等地產生量都在增長,再加上國際間減少溫室氣體排放需求的共識更是推動全球沼氣應用市場的因素之一,其中農業廢棄物是主要佔比第二大,合適的農業廢棄物處理方案,使其產生更多沼氣並創造更高的利潤,也是相關生質能技術發展所切入的機會點,除此還能從生活垃圾、廢水、廚餘等領域處理技術發展,應用機會非常廣泛。此外,從社會生活需求觀點觀察,沼氣可為氣態燃料並直接輸送至天然氣網供家庭直接燃燒使用。對於電力的需求增加,沼氣轉換發電的分散式發電系統,相關應用技術對於電網運作的安全與提供智慧化管理都有發展的需要。除了以電能和熱能應用的主要市場之外,在歐洲也看到用於交通工具運輸燃料的應用,無論是從燃料本身或是現行要減少對石化燃料的依賴,此應用領域的技術同時兼具減少溫室氣體排放與綠色能源需求[6],有助於社會生態環境的保護與改善,如圖1與圖2所示。

圖1 沼氣來源與應用 資料來源:EESI

圖2 沼氣發電應用範疇發展趨勢  
資料來源: MAXIMIZE Market Research PVT. LTD.


以下針對國際上沼氣能源應用的趨勢應用別,分別針對沼氣產熱、沼氣發電及車用燃料作基本介紹。

(1)沼氣產熱應用:
由於沼氣為可燃性氣體,沼氣最直接應用方式是將沼氣做燃燒取得熱能,燃燒沼氣是將其中所含的甲烷由化學能轉換為熱能,包含為直接燃燒、沼氣保溫燈、沼氣鍋爐以及沼氣加熱爐應用等,如圖3所示。諸多產熱應用中以沼氣保溫燈最為普遍,因沼氣中甲烷濃度可達60%,所以熱轉換效率高,有非常好的燃燒特性,產熱響應快速且溫度高,沼氣保溫燈燃燒穩定且不怕停電,故一方面除減少甲烷排放的問題之外,另一方面取得熱能並達到省電效果[7]。

圖3 沼氣加熱爐及沼氣保溫燈 資料來源:科學發展期刊

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