全球高喊2050淨零排放,不少國家紛紛啟動低碳能源新方案,燃燒後只產生水的氫氣,成了後石油時代重要的潔淨能源選項。國際能源署(IEA)指出,2050年全球氫氣供應量可達每年5.3億噸,全球現已有31個國家與地區,發表氫能戰略藍圖,世界正站在能源轉型的關鍵時刻,迎接氫能新時代。
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氫能時代來臨

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行事曆icon 2022/09/05
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撰文/陳怡如

氫是宇宙最豐富的元素,燃燒後不會產生二氧化碳,被視為「終極潔淨能源」。

氫是宇宙最豐富的元素,燃燒後不會產生二氧化碳,被視為「終極潔淨能源」。


全球高喊2050淨零排放,不少國家紛紛啟動低碳能源新方案,燃燒後只產生水的氫氣,成了後石油時代重要的潔淨能源選項。國際能源署(IEA)指出,2050年全球氫氣供應量可達每年5.3億噸,全球現已有31個國家與地區,發表氫能戰略藍圖,世界正站在能源轉型的關鍵時刻,迎接氫能新時代。

從取之不盡的水資源中分解氫,透過能量轉換提供電力並生成水,如此周而復始的資源循環,描繪出人們對於未來永續世界的想像。氫是宇宙最豐富的元素,能量密度大,燃燒後又不會產生二氧化碳,因而被視為「終極潔淨能源」。

早在1970年,美國德州農工大學教授博克里斯(John Bockris),在通用汽車技術中心的一場演講當中,提出「氫經濟」(Hydrogen Economy)一詞,設想未來以氫氣取代石油,成為支撐全球經濟的主要能源。20多年前,氫燃料電池有了新的技術進展,日本和美國再次倡議氫經濟,但最終受限於成本和技術尚未成熟,仍舊無法實現氫經濟願景。

近來氫能復興,最主要的驅動力就是2050淨零排放。為了達到淨零目標,全球苦尋替代傳統石化燃料的潔淨能源,工研院綠能與環境研究所副所長萬皓鵬指出,取自大自然的再生能源雖然扮演要角,但發展有其環境限制,仍需部分低碳燃料支撐零碳世界。

國際能源署在其公布的「全球能源部門2050淨零排放路徑」中指出,若想達到2050淨零排放,氫能需占整體能源使用13%,在國發會公布的臺灣2050年淨零排放路徑中,氫能也占電力供給的9%至12%。從整體能源使用角度來看,「氫能不僅是全球、也是臺灣達到2050淨零排放的關鍵角色。」

為了加速臺灣邁向氫能時代,工研院在近日提出「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」。氫氣長期做為石化煉製中不可或缺的要角,中油董事長李順欽就指出,「這是氫能發展的一小步,卻是臺灣邁向2050淨零排放的一大步;要達到淨零排放,沒有氫能萬萬不能。」


2040綠氫將成主力

氫氣依照來源不同,而有灰氫、藍氫、與綠氫的分別。以化石燃料如天然氣經蒸汽重組產生的氫氣,稱為灰氫;若將蒸汽重組過程中的碳排,經由碳捕捉及封存或再利用,避免二氧化碳排放到大氣中,則稱為藍氫;只有以再生能源電解水產氫的方式,才是最潔淨的綠氫。現今全球氫氣生產大部分為灰氫,隨著技術提升與成本下降,預計在2040年綠氫將會成為主力。

萬皓鵬指出,目前臺灣氫氣用量大約在30~40萬噸,主要來自以石化燃料產氫,幾乎百分之百都是灰氫。在工研院規畫的藍圖裡,2050年臺灣氫氣需求量將達435萬噸,成長10倍之多。這些氫氣來源,評估臺灣再生能源設置與調節情境下,高達四分之三要靠進口,四分之一則是自產藍氫及綠氫,自產數量約為110萬噸,估計其中7成是綠氫,3成是藍氫。

雖然氫氣進口成本不低,但萬皓鵬認為,到了2050年,使用化石燃料需付出碳費,而氫氣成本以鄰近日、韓所提出的目標,均在每公斤2元美元左右,而未來可能的氫氣供應大國澳洲,則提出出口目標為每公斤1.4-1.5美元,雖然比目前天然氣貴一點,但若加上碳排和碳費的考量,「氫能和化石燃料在經濟成本上的競爭就會拉近,會具備替代能源的優勢。」


多管齊下投入氫能發電

萬皓鵬指出,未來氫能主要有三大應用,也就是發電、工業應用和交通載具,臺灣各有不同機會。首先在發電上,分為定置型發電和分散型發電兩種模式,前者就像大眾熟知的火力發電廠,後者最具代表性的就是燃料電池發電。

在定置型發電上,近幾年國際已實地測試以氫氣替代天然氣燃燒,30%的混燒比例已完成技術驗證。臺灣因產業能量及市場規模等因素,切入大型發電系統的機會不大,但未來引進氫氣機組後,在地的工程公司可負責運轉維護。

在分散型發電上,現階段市場主力有兩種,一種是可快速啟動的質子交換膜燃料電池(PEMFC);另一種是適合作為基載的固態氧化物燃料電池(SOFC)。早在20多年前,臺灣便投入PEMFC研究,有許多燃料電池供應商都以PEMFC為主,有些甚至已能做到整組成品輸出,外銷至東南亞和日本等地。工研院也投入發展PEMFC的金屬雙極板,不僅體積更輕薄,成本也只有原先碳板的50%,「未來臺灣在PEMFC的發展很有機會,」萬皓鵬說。

而SOFC有Bloom Energy等國際大廠掌握核心技術,臺灣則以關鍵零組件供應商的角色,切入供應鏈。工研院也打造了2套SOFC,自製率達75%,建立本土化SOFC系統整合技術。


氫能車滿足長途運輸需求

在工業應用上,萬皓鵬表示,產業因不同製程,使用氫氣已是行之有年,像是煉油業、石化業、鋼鐵業等,都是氫氣需求量很大的產業。此外,也有些產業在製程中,會有餘氫排出,如造紙業、半導體業等。過去工業餘氫直接排放或燃燒,但近年因為能源議題,也開始出現餘氫回收再利用的討論。

但若採用燃料發電,純度需達99%以上,如果餘氫雜質過多,可能會讓燃料電池的觸媒受到毒化,降低發電效率。工研院投入開發工業餘氫的純化跟回收技術,可將50%的低濃度氫氣直接發電或回收純化到99.999%回到製程使用,讓餘氫發揮最大價值。

在交通載具上,為達2050淨零排放,國際專家一致認為,小型車朝向電動化發展,許多國家研擬停售油車;但對於需要長途運輸和載重的巴士和貨車,電動車續航力就顯不足,也需要較長時間充電,預料大型車會以氫能車為主。

相比電動巴士最多只能跑200公里,充電動輒數小時,氫能巴士只要儲氫5到10分鐘,就能跑400公里,更具優勢。工研院也投入車用儲氫瓶技術,開發碳纖複合材料,更安全又輕量。


氨氣加速實現零碳願景

氫能雖然具備潔淨優勢,但也有不少挑戰。首先,在國際進出口上,由於氫液化後體積會比氣態時小了近1,000倍,可以載送更多氫氣,因此長途運輸都是採用液化氫的形式。

但氫要液化,溫度需達零下253度,為了達到如此低溫,能耗相對較大。同時在運輸過程中,也要全程維持低溫,且需重複加壓液化,導致損失部分氫氣及增加能耗,因此長途運輸目前仍在驗證中,今年初日本和澳洲也才剛完成全球第一艘液態氫運輸船的航程。

即使運輸到目的地,也還有關卡要克服。由於氫分子小,容易鑽入金屬的分子鏈中,久了就會產生裂斷現象,也就是所謂的「氫脆」,因此包含輸送氫氣的管線、儲氫瓶、接收站等設備,都要使用鋼管材料。同時,氫是易燃氣體,爆炸範圍比天然氣還要大,在儲存跟運輸上需要更加小心。目前國際上有幾個在地示範系統,大約可運輸100~200公里,但都還在驗證階段。

由於氫氣在儲存和運輸上的挑戰,讓國際開始思考短期替代方案,也就是氨氣。萬皓鵬表示,氨氣是由氫氣和氮氣反應而成,燃燒後同樣沒有碳排,又比氫氣安全,不易爆炸,最重要的是,氨氣液化的溫度只要零下33度,在長途運輸上非常具優勢。IEA指出,在1萬公里以上的運輸,氨氣的運輸成本只有氫氣的75%,過往氨氣作為肥料應用,在國際間運輸也非常成熟。

一般來說,氨氣可直接燃燒使用,不須再分解成氫,因此最好的應用就是直接用於發電。在工研院的「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」中,2050年臺灣的氨氣需求量約為315萬噸,百分之百依靠進口和煤炭進行混燒。台電公司規劃今年底和日本三菱重工簽訂MOU,預計將在林口發電廠先行驗證煤炭混燒5%的氨氣。

雖然氨氣優點不少,但萬皓鵬提醒,氨含有氮,在燃燒時會產生氮氧化物,也是一種污染物,因此目前日本和美國都在研究如何控制氮氧化物的排放量,不過看來技術難度不算太高,「整體來說,氫仍然是終極目標,但氨是短中期立刻就能使用,可加速實現零碳燃料的願景,」萬皓鵬解釋。


搶先布局未來氫能經濟

能源是最基礎的民生需求,但能源系統建置需要時間,不管是自產或進口,都需要長時間的規劃和建設,就像過去發展天然氣,也花了很長時間建置天然氣接收站,並且和天然氣供給國簽約。

萬皓鵬進一步指出,國際研究調查機構普遍估計,氫氣大規模使用將在2040年以後,看似還有不短時間,但臺灣從現在就要開始布局,不僅是建構儲存和運輸等基礎設施,還有法規調和,甚至要在氫能技術上做出突破,屆時臺灣就能以技術領先者的角色,在新興的「氫經濟」上搶得先機。

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