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古老的美國印地安人諺語：「地球並非祖先給我們的遺產，而是我們向後代子孫借來的」。為了後代子孫及人類的未來，我們必須以文明的普世價值（真善美）和智慧永續做出選擇，改變工業革命以來人類社會科技發展、經濟活動的做法，才能改善環境變遷和生態破壞等多面向問題。全球暖化、氣候變遷與能源、燃料的使用策略息息相關，攸關著人類的生存與永續發展。本文將從使用氫和氨的無碳燃料技術研發的角度出發，簡介它的相關發展。以氫和氨作為燃料不會產生二氧化碳，是能源轉型、減少化石燃料使用的極重要選項。但是氫和氨的應用還有許多課題需要被克服，從合成製造、運輸儲存，以及修改或發展能源載具，仍然存在著技術性、安全性、便利性和成本等問題需要克服。簡而言之，在氫和氨的技術經濟可行性接近化石燃料之前，仍需要大量的投資來進行研究推動。

「綠氨」作為燃料有哪些優勢？

根據生產過程中的碳排與對環境保護程度，氫和氨可以用不同的「顏色」描述，如生產符合碳中和燃料標準的「綠氫」或「綠氨」，就是使用再生能源電解、非化石燃料製造。其他顏色依碳排程度高低有使用煤氣化的 「褐氫」、使用天然氣進行蒸氣重組反應的「灰氫」，若兩者有使用碳補捉和儲存則為「藍氫」。

以氨作為氫燃料載體的潔淨能源研究，近年來逐漸成為國際燃燒領域的顯學，氨比氫更具有運輸和儲存等優勢，有較佳的經濟可行性。氨在常壓下可被輕易地液化，凝結溫度僅為-33.4℃，與液化石油氣（liquefied petroleum gas, LPG）主要成分丙烷（propane）的凝結溫度-42.1℃相近，因此可使用經防腐蝕處理的液化石油氣設備來運輸液氨；而且在常溫下，氨氣約於10大氣壓即可被液化。相比之下，氫氣的凝結溫度為-252.8℃，因此液氫極不易運輸和儲存，成本遠高於液氨；金屬材料若長期在含氫介質中使用，因材料吸氫而造成氫脆（hydrogen embrittlement）的材料安全問題，也遠比氨的材料腐蝕問題更難處理。最後，在相同體積下，氨比氫具有更高的能量密度。

氨是世界上大量生產的化學品之一，過去主要使用哈伯法（Haber-Bosch process）製造，生產時高度依賴化石燃料，其中產物80％用於化學肥料工業。在過去， 氨與能源部門的關聯性相當有限，但由於它具有無碳的化學優勢、高氫含量、低成本的儲存，以及運輸有機會與現有設備整合的強大可行性，因此以氨作為燃料展現了很大的應用潛力。綜合而論，在技術與經濟上能夠實現以氫為燃料的最終技術目標前，先以氨為燃料可能是較具經濟可行性的選擇。

未來的氨燃料技術發展關鍵，將需要利用再生能源所產生的電力，進行水電解產氫（取代傳統的天然氣重組產氫）；並藉由電動低溫空氣分離氮氣，再將氫和氮組合 為「綠氨」。哈伯法製氨需要高溫高壓環境，可藉由太陽能熱能，或是使用再生燃料的壓縮機來供給與維持，以提高整體氨轉化效率。然而，再生能源具有強間歇性 和不確定性，將是實現全電動哈伯法、製造e-ammonia 所要面對的最大挑戰。為了克服這項挑戰，讓氨的產製有更好的靈活性、並且能與再生能源發電系統整合，開 發催化劑讓合成氨的反應能夠在較溫和條件包括低壓和寬廣溫度範圍下進行十分重要；高效且長壽命的合成催化劑，例如鈷（cobalt, Co）基和釕（ruthenium, Ru）基的催化劑，是目前研發的重點。

（123RF）

日本對氨燃料的研究與應用成果

日本是目前國際間對氨燃料研究與應用最具有成果和影響力的國家。早在十年前（2013年），日本科學技術振興機構（Japan Science and Technology Agency, JST）即邀請前東京工業大學榮譽教授秋鹿研一擔任大型能源載體（氨燃料）戰略創新促進計畫（Strategical Innovation Promotion Program, SIP Energy Carrier）的 計畫主持人，領軍日本產官學研界全力推動產氨、儲氨、氨應用等全方位以氨為氫燃料載體的潔淨能源研究。當年臺灣曾由時任國科會駐日代表的蔡明達牽線與日本東北大學流體科學研究所的小林秀昭推薦，於中央大學舉辦「NSC-JST Fuel Cell-Energy Carrier」研討會，與由秋鹿研一領軍近20位日本產官學研界人士來臺進行交流。就在筆者寫此稿時，秋鹿研一和小林秀昭所共同編輯的書籍CO₂ Free Ammonia as an Energy Carrier（Japan's Insights）終於出版了，這是全世界第一本以氨為氫燃料載體全方位研究、技術和應用的書籍，並整理了SIP Energy Carrier大型計畫的多年相關研究和應用成果。

日本有關純氨或混氨燃燒的研究涵蓋了多個電力和工業部門，如氣渦輪機（gas turbines）、熔爐（furnace）、鍋爐（boilers）等。氨氣用於燃氣輪機的方式，大體上可分為兩大類：氨氣熱裂解（ammonia thermal cracking）和氨氣直接燃燒（ammonia direct combustion）。進行氨氣混燒需注意兩個主要問題，一為火焰的穩定性，另一為NO_x排放濃度的減量。

日本重工業IHI公司（株式會社IHI，以下簡稱IHI公 司）自2013年開始研發改良天然氣燃氣輪機，使它可使用氨作為燃料，並在2018年發表2 MW（百萬瓦） 天然氣混氨的燃氣機組，成功地混入20％的氨氣進行混燒；為了減少混氨燃燒產生的氮氧化物，此技術還使用了選擇性觸媒還原（selected catalyst reduction,SCR）來大幅降低NO_x的排放濃度。IHI公司更於2021年宣布，2 MW燃氣輪機的氨氣混和比提高到了70％，並擬將液氨以直接噴霧方式與天然氣混合，運用新技術同時降低了NO_x的排放。IHI公司透過此技術，可能有望在2025年進行全氨燃氣輪機的商業化運轉示範。

日本三菱重工業（Mitsubishi Heavy Industries）研發的 H系列燃氣輪機則可直接燃燒氨氣。三菱重工使用擴散 燃燒方式來控制火焰的穩定性，並利用兩階段燃燒搭 配選擇性觸媒還原技術來降低NO_x排放量。以三菱重工 H系列中的H-25型燃氣輪機（功率為40 MW）為例，單一機組的電力輸出效率僅為36％，產生的熱有48％ 用於加熱水變為水蒸氣（輸出蒸汽溫度約為570℃）；而結合熱回收蒸汽渦輪機，使它的整體發電效率可達84％。針對更大型使用氨為燃料的燃氣輪機（100 MW），日本也投入產官學資源正在進行開發。

日本政府預計在2030年將CO₂減量至2013年的46％。目前日本整體CO₂排放約18％來自工業部門，這部分主要來自金屬加熱熔爐，如煉鋼等。因此日本新能源產業技 術綜合開發機構（New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO）推動以無碳氨為燃料的金屬加熱熔爐計畫。第一個兩年期計畫（2021∼2022）由Rozai工業（ロザイ工業株式會社）、三研工業、北海道大學、東北大學、廣島大學所組成的產學研究團隊執行。第一階段研發使用30％氨混合70％壓縮天然氣（compressed natural gas, CNG）於金屬加熱熔爐的燃燒技術，利用高溫空氣燃燒，預熱溫度達1000℃並加入選擇性觸媒還原技術來達到低碳且低氮氧化物（low-NOx）的目標。針對使用氨燃料的高溫空氣燃燒金屬加熱熔爐研發，Rozai工業負責建立一大型可達數百千瓦（kW）的熔爐， 而廣島大學和三研工業負責建立小型數十千瓦的研究型熔爐，北海道大學和東北大學則根據基礎燃燒知識來解釋所獲結果。

氨燃料應用的未來展望

在高溫條件下，氨氣可作為固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）的優良燃料。筆者過去執行國科會「前瞻加壓型氨SOFC」的多年期研究計畫時，主要透過兩步驟將氨氣進行電化學反應。首先，在操作溫度750℃時，以鎳（nickel, Ni）為陽極觸媒，可以讓氨燃料幾近100％熱解成氫與氮；然後，再進行氫與氧電化學反應，它的電池性能與使用氫的電池性能相當接近。以氨氣為燃料的SOFC，在3∼5大氣壓力的高操作壓力條件下，可與微氣渦輪機（micro gas turbine, MGT）結合成SOFC／MGT高效率複合分散式發電系統。不過SOFC仍有成本和壽命的兩大難題有待研究突破才有大規模商業化的可能。

結尾應編輯之邀，淺談一下筆者未來的研究發展方向。預計將針對能源轉型不可或缺的無碳燃料，如氫氣和本文主要介紹的氨燃料等，進行高壓貧油預混紊流燃燒的引燃和火焰速度定量量測、以及加壓型氨SOFC性能和穩定性測試實驗，希望持續產出領先國際相關領域的學術成果。 近程目標為開發天然氣混氫、混氨燃燒科技，應用於燃氣機組發電、鍋爐等領域；遠程目標為研發安全可靠的純氫燃燒器，為能源轉型、永續環境盡一分心力。最後，培育優秀博、碩、學士人才，也是筆者是一生的志業。

延伸閱讀
1. Aika, K. I. (2023). Brief Review of the Japanese Energy Carrier Program and an Energy Science View of Fuel Ammonia. CO₂ Free Ammonia as an Energy Carrier, 3-16.
2. Shy, S. S. et al. (2018). A pressurized ammonia-fueled anodesupported solid oxide fuel cell: Power performance and electrochemical impedance measurements. Journal of Power Sources, 396, 80-87.