【評析】【歐洲】運用太陽熱能煅燒原料以節省化石燃料使用

2021/9/23 上午 12:00:00

【作者】劉毅弘

【重點摘述】

歐盟資助SOLPART計畫研究，使用定日鏡與反射鏡來集中太陽輻射能並將其轉換為高溫熱能，未來可應用於需要高溫的工業製程中，例如：非金屬顆粒熱處理與石灰石煅燒以生產水泥熟料等。藉由引入太陽熱能可替代化石燃料熱能，節省化石燃料使用。

(1)發展目標[1]

傳統水泥生產需要燃燒化石燃料以提供熱量，燃料燃燒過程會有CO2排放。SOLPART計畫的主要目標是在原型先導廠開發適用於能源密集型非金屬礦業的高溫(800-1000°C)24小時/天的太陽能加熱程序，該方式適用於能源密集型非金屬礦業的反應性顆粒熱處理，例如：作為生產水泥原料石灰石的煅燒。該計畫的挑戰是證明太陽能可以連續提供該反應過程(包括高溫顆粒運輸與儲熱系統)所需熱量。太陽能加熱適用於例如：碳酸鈣(石灰石主要成份)的煅燒分解(CaCO3 = CaO + CO2)。

(2)示範案例[1]

歐盟資助位於法國庇里牛斯山脈的SOLPART專案計畫旨在開發和實施高溫程序，溫度可達1000°C，藉由儲熱1天可24h 操作，可運用於能源密集型非金屬礦業。主要挑戰是非金屬顆粒在反應器內部的循環、大規模應用及在高溫下反應器材料的穩定性。帶有1 MWth太陽能煅燒爐的先導規模太陽能煅燒反應器已於2019年中期成功建置。該項目將持續開發並融合高溫太陽能反應器、高溫固體材料輸送及高溫蓄熱等三項先進技術。該計畫的太陽能測試地點位於南法與西班牙邊界，法國國家科學研究中心(Centre national de la recherche scientifique, CNRS)，程序、材料及太陽能實驗室(Le Laboratoire PROcédés, Matériaux et Energie Solaire, PROMES)的太陽能加熱設施，太陽能測試設施如附圖1所示[2]。

(3)使用太陽熱能煅燒，可節省燃料煤使用

根據SOLPART專案計畫研究團隊之一的德國航空太空中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., DLR)太陽能煅燒爐研究案例估算，使用太陽熱能煅燒原料3000公噸/天，每年節省燃料煤為4.5萬至5.6萬公噸。依據煤熱值27,150 kJ/kg計算，替換煤熱值約為123萬至151萬GJ。較高的直達日射(Direct Normal Irradiation, DNI)與太陽熱能煅燒反應器效率，可供應與運用的熱值越高，相當於節省燃煤量越多。

(4)減碳潛力與減碳成本[3]

水泥生產過程使用太陽能加熱將可替換化石燃料燃燒加熱，減少二氧化碳排放。根據德國航空太空中心研究，太陽能煅燒爐年二氧化碳減少量為116與122千公噸二氧化碳，二氧化碳減少率在13.8%至14.5%之間。在基本情況，二氧化碳減碳成本為144美元/公噸二氧化碳，在其他情況具有較高的直達日射與反應器效率時，二氧化碳減碳成本最低為90美元/公噸二氧化碳。

 

【評析】

針對SOLPART計畫內容所提及重點提出評析：

  1. 運用太陽能煅燒技術目前尚處於大型原型研究階段，設置與操作維護成本較傳統水泥廠高。僅安裝太陽能煅燒爐所需的投資成本約為傳統製造單位成本的2倍，若要將太陽能煅燒爐集成到現有水泥廠中，則成本會增加更多。
  2. 水泥窯是生產熟料的主要設備，需要高溫加熱至1450°C，通常使用化石燃料(例如煤)燃燒來進行加熱，燃燒過程所需熱能約佔水泥廠總使用能源的9成，若能以其他熱能取代燃煤，可節省燃煤使用，同時減少燃煤過程二氧化碳排放。
  3. 運用集中太陽熱能，可使反應器產生1000°C的高溫環境，可以對石灰石原料進行加熱處理。運用儲熱設施，可以延長反應器的加熱時間，而不限於只有太陽日照的時候。
  4. 4太陽能鍛燒爐反應器效率指的是反應器熱效率(thermal efficiency)，其定義為：(分配給原料顆粒加熱與反應使用的熱能+氣體加熱所使用熱能)/反應器的入射太陽熱能。與反應器構造、設計、顆粒流動、加熱方式等有關。於相同的入射太陽熱能，反應器熱效率越好，原料顆粒反應所能用到熱能越多，反應生產率越好。
  5. 直達日射(Direct Normal Irradiation, DNI)是指垂直於太陽光直進方向的平面上，所測量到的日射量，並不包括漫射的太陽輻射。直達日射等於大氣上方的地外輻射，減去由大氣吸收和散射能量損耗。損耗的量取決於一天中的時間（因為太陽高度角隨時間變化）、雲量、空氣水分含量及懸浮固體等因素。
  6. 運用來自太陽能的直接熱而煅燒原料技術的挑戰，例如：集中太陽輻射的定日鏡需要大面積的土地；集中太陽輻射的操作技術；太陽能可以連續提供該反應過程所需熱量；反應器技術：非金屬顆粒在反應器內部的循環、高溫處理作業維護、大規模應用及在高溫下熱反應器的穩定性等。
  7. 使用定日鏡與反射鏡的技術仍會受天氣等不穩定因素影響，為了能連續操作，需要有儲熱設施良好運作。
  8. 太陽能煅燒於台灣的適用性，需要大面積的土地，台灣雖有太陽能發電場，但尚無定日鏡的場域與經驗，未來若要裝置測試及研究太陽能加熱爐，仍須按步驟評估其技術與經濟可行性，再逐步引進建立相關的技術。
  9. 集中太陽能加熱技術是否可擴散至所有需高溫處理的工業應用，須考慮各工業製程案例其熱能使用方式、處理的溫度是否適合，及熱能如何順利傳送至反應器等，宜逐項評估確認後再進行規劃設置。

 

【資料來源】

[1] SOLPART, https://www.solpart-project.eu/

[2] Wikipedia, https://fr.wikipedia.org/wiki/PROMES-CNRS#/media/ Fichier:Four-solaire-odeillo-02.jpg

[3] Gkiokchan Moumin et al., CO2 emission reduction in the cement industry by using a solar calciner, Renewable Energy 145 (2020) 1578-1596

 

圖1、法國國家科學研究中心，程序、材料及太陽能實驗室的太陽能加熱設施，拋物型聚光鏡(銀色鏡面)與太陽能煅燒反應器(中間塔內)，可調位置定日鏡陣列位於圖片右下角(未顯示)[2]

 

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