沼氣發電併網架構探討：材料世界網

劉祖閔、周信宏 / 工研院機械所、陳幸德 / 工研院材化所

去年在COP26的響應下，已超過上百個國家簽署甲烷減量協議，預期未來達到甲烷減量30%的目標，代表全球將逐漸降低對石油與煤炭的依賴，朝向提升綠能占比使用的政策推動。國內也積極地制訂政策，已描繪出未來三十年環境與能源政策與淨零排放的大藍圖，未來的目標也是提升綠能的使用占比。綠能除包含風能與太陽能等間歇性能源外，生質能也是其中一種，其特點是可提供穩定的能源輸出，而沼氣歸類於生質能中。本文將探討沼氣發電之併網電力架構，說明實務上採用的併網方式、組成與可能面對的問題，也提到逆變器架構於沼氣發電場域上的使用，讓沼氣發電有另一種方案選擇。

【內文精選】

國際環境政策發展與推動

2. 國內沼氣發電概況

沼氣作為能源燃料來源，可提供穩定且良好的品質來源，對於永續循環的環境是很適合發展的技術，其能替代對環境較不友善的石化燃料，以達降低排碳的目標，因此國外也有大型沼氣能源集中的案例。沼氣技術的發展可減緩溫室氣體的排放，更減緩氣候的變遷，但前提是需要更好的甲烷(CH₄)管理，若稍有疏忽，甲烷逸散至空氣中，對溫室的影響等同於二氧化碳暖化潛勢值的25倍。據研究觀察，人類因處理廢棄物、農業、工業所排放的甲烷約占全球排放量的50%，若能有效地收集與利用逸散的甲烷，對於環境將是更友善的做法。沼氣厭氧系統可比擬成將廢棄物轉換成黃金的概念，更有助於廢棄物處理、排放水符合標準與最終產生潔淨沼氣能源，一再顯示此技術有對環境的友善與發展趨勢。近10年來在政府積極的輔導下，對畜牧場沼氣發電場域提供補助與穩定併網售電的價格等，都對生質能發展有很大的幫助。

沼氣發電系統架構

近年國內也積極鼓勵畜牧場利用牲畜廢棄物透過厭氧程序產生沼氣，沼氣的生成由許多不同類型的厭氧微生物作用發酵而生成，一般沼氣氣體最主要成分為甲烷與CO₂，並嚴格要求硫化氫含量至少需於100 ppm以下。本團隊已採用兩段式脫硫技術，第一段採用生物脫硫方式可控制於50~100 ppm之間，第二段採用化學脫硫技術可再降低至10 ppm以下，沼氣經過脫硫後，才能讓引擎內精密機械元件正常運作，將沼氣發電機組達到應有的壽命。一般沼氣甲烷需高於55%以上，可使沼氣發電機組達到滿載的電能輸出功率，沼氣提供引擎內燃機動能，其內部發電機為同步發電機(Synchronous Generator)，發電機輸出的虛功可透過自動電壓調整器(Automatic Voltage Regulator)做調整，以速度調整器(Electronic Speed Governor)達到輸出實功的部分。

Haryanto, A.等提出針對沼氣發電機組實施加載測試，如圖一所示，實驗數據顯示此發電機組負載輸出越大，平均耗氣量越少，表示發電機組運轉於滿載時的效率是較佳的。因此，實務上也盡可能地將發電機達到滿載運轉輸出，對於沼氣的利用率最有效。在沼氣發電場域之運行操作中，保持整體系統能順暢地運轉是最重要的要務，在營運沼氣發電場域的重要收入來源是併網售電，因此，如何保持發電機組穩定且持續運轉，除了機組定期保養之外，還需要在保持機組滿載輸出功率至併網點，才能讓營運收入得到最大化。基於此，本團隊針對實際場域的併網狀況與現行併網系統架構做探討，並已實施驗證於沼氣發電場域內，提供併網後穩定輸出功率及持續併網售電的方案，以下針對併網架構分述說明。

圖一、沼氣發電機組耗氣量BSFC隨輸出至滿載而逐漸降低

2. 逆變器併網架構

因畜牧場一般設置於非人口密集區域，常處於饋線末端，在電網配置上很自然會遇到三相不平衡的現象。為了減少三相不平衡與饋線末端電壓變化而產生發電機組保護裝置啟動，影響併聯盤併網的效益，因此，逆變器併網架構（圖三）已經被應用於沼氣發電場域中。此為AC-DC-AC的架構，第一段電能轉換AC-DC，將發電機或變壓器三相交流AC輸出轉換成直流DC，以便能供應給逆變器；第二段電能轉換DC-AC是逆變器的運作機制。在AC-DCAC架構上，確實讓電能因轉換有3~5%的損失，但面對三相不平衡與饋線末端電壓變化時，此架構會有更好的操作性。因為此架構是利用逆變器來實施併網，當面對電網時，逆變器在併網後電網的追隨響應快與三相不平衡之裕度可更大，整體上會比併聯盤有較佳的表現---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。