因COVID-19 疫情而延期一年舉辦的東京奧運倍受大眾關注,主辦單位在永續發展上的創舉更是媒體爭相報導的焦點話題,其中在能源的選擇上,氫能在大會中的大量使用更是使人眼睛為之一亮。本次系統風險系列文章將介紹氫能發展上的關鍵議題,先說明氫能為何日漸受到重視,再帶各位讀者們看看近年來各國在氫能項目上的布局,最後介紹台灣各產業對氫能技術應用的情況。
氣候,氫氣,淨零,能源,革命

氣候變遷新解?氫氣的能源革命

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行事曆icon 2022/10/24
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整理/胡祐瑄 中心助理研究員

C02

因COVID-19 疫情而延期一年舉辦的東京奧運倍受大眾關注,主辦單位在永續發展上的創舉更是媒體爭相報導的焦點話題,其中在能源的選擇上,氫能在大會中的大量使用更是使人眼睛為之一亮。本次系統風險系列文章將介紹氫能發展上的關鍵議題,先說明氫能為何日漸受到重視,再帶各位讀者們看看近年來各國在氫能項目上的布局,最後介紹台灣各產業對氫能技術應用的情況。

  國際再生能源總署(International Renewable Energy Agency, IRENA)認為氫氣有機會為能源部門的永續轉型帶來新氣象,更可能在各經濟體淨零碳排中扮演關鍵的角色。目前,相較於其他能源,氫能的成本高出許多,因此相關運用仍侷限於少數產業部門中。然而,隨著越來越多國家設定淨零碳排目標,以潔淨方式生產的氫能越來越受到重視,並獲得一些公私部門的支持,在某些國家中,甚至已經訂定國家氫能策略。世界經濟論壇 (World Economic Forum, 以下簡稱WEF)在其戰略情報(Strategic Intelligence)系列的「氫能」(Hydrogen)專題中盤點了當前氫能發展的七大關鍵議題,分別是「氫在氣候變遷調適中的角色(Hydrogen's Role in Mitigating Climate Change)」、「氫在能源系統中的地位(Hydrogen's Place in the Energy System)」、「促進更多氫利用的措施(Measures to Enable Greater Hydrogen Use)」、「氫能未來的機會(Future Opportunities for Hydrogen)」、「氫能地緣政治(Hydrogen Geopolitics)」、「擴大氫氣規模的挑戰(Challenges for Scaling up Hydrogen)」、「國家氫能策略(National Hydrogen Strategies)」。本文將透過其中「氫在氣候變遷調適中的角色」以及「氫在能源系統中的地位」兩議題所討論的範疇,首先介紹氫能的特性,以及氫當前在能源部門中所扮演的角色,再探討氫能是否能助人類一臂之力對抗暖化。


氫能在能源部門中的角色定位

  氫本身是一種能量載體,而不是一種能源。氫的密度相較於其他氣體高,適合大量、長時間儲存與運輸。然而,它的能量密度相當於甲烷的三分之一,液體燃料的五分之一,因此需要相對更大的體積來滿足相同的能源需求。氫氣不含碳,這意味著它在燃燒時不會產生任何二氧化碳、硫氧化物或臭氧,使用於燃料電池時只會排放水。數十年來,氫已經被使用於化學工業、煉油廠、鋼鐵生產以及熱力和發電。

  氫能供電量穩定,可以彌補太陽能與風電等間歇性發電不易儲能的缺點,同是儲能技術,氫燃料電池相較於鋰電池儲存能量的時間更長久。這些特性被各國政府、企業與投資人看好,可以成為排碳大戶如鋼鐵、水泥等重工業,以及貨車、工程車、船舶,甚至飛機等大型運輸工具的最佳減碳解決方案。也因此,目前開發綠氫技術最積極的行業與國家,就是鋼鐵與汽車生產大國。

  氫是宇宙中最豐富的元素,但它並不是以自由形式存在的 — — 氫能是否具有永續性取決於它的生產方式。氫能根據生產方式的排碳量可以分成若干種,包括綠氫(Green hydrogen)、藍氫(Blue hydrogen) 、灰氫(Grey hydrogen) 、黑氫(Black hydrogen) 、褐氫(Brown hydrogen) 、藍綠氫(Turquoise hydrogen)等,各種氫能的定義如下表一。除了表中的分類,另外還有像是以甲烷熱裂解,搭配固碳做鋰電池的「青氫 」等分類。

表1 氫能的分類

Carbon Brief 氫能產品分類

資料來源: Carbon Brief 氫能產品分類

*所謂生質能(biomass)產氫,係指利用生質能電解水斷鍵,以水蒸氣作為氣化劑,將廢塑膠 、污泥作為發電原料,以廢棄物產氫。這解決了綠氫因為來自再生能源電力,而無法連續發電的性質。


  目前氫產量僅佔所有最終能源需求的 3%左右,其中幾乎完全以高碳排的方式生產 — — 約 47% 來自天然氣,27% 來自煤炭,22% 來自石油(作為副產品),僅4% 來自電力電解。截至 2020 年底,全球只有 1% 的氫氣是來自再生能源的綠氫,幾乎僅來自示範項目,這些示範項目的總容量約為 200 兆瓦,大約相當於為普通氨工廠供應氫氣所需的四分之一。

  推廣綠氫的最大挑戰在於價格。綠氫生產成本每公斤約5到7美元,高出汽油2倍左右。四大國際會計師事務所之一普華永道(PricewaterhouseCoopers,PwC)旗下的顧問公司思略特(Strategy&)指出,若能降低綠氫成本,產量就可以在2050年達到5.3億公噸,滿足全球18%的能源需求。美國銀行(Bank of America)也估計,綠氫將幫助全球碳排放量減少三分之一,並在未來30年創造超過11兆美元的基礎設施投資機會。

  1970 年代的石油危機激發了人們對氫的興趣,當時它被視為能源供應和燃料運輸多樣化的替代方案。然而,隨著再生能源成本的下降以及碳中和的目標漸受重視,在過去約十年中,氫才逐漸成為交通、工業用途和電力的可行選擇。到 2019 年,工業以外的氫氣使用仍然有限。全球僅約 25,000 輛燃料電池電動汽車、 4,500 輛公共汽車、1,800 輛輕型和中型卡車以及少數重型卡車已部署在各地。氫在能源部門中顯然是一個利基市場,但是像是管道和加氫站等相關運輸和配送所需的基礎設施數量仍然有限。


氫能如何協助對抗氣候變遷?

  截至2020 年底,已經超過110 個國家(這些國家佔全球二氧化碳排放量將近三分之二)宣布了 2050 年淨零目標,同時,再生能源的發電佔比已超過四分之一。WEF戰略情報指出,氫可以在「難以減排」('hard-to-abate') 的項目上發揮關鍵的減碳作用,若考量經濟效益,專家認為相關的減碳技術可行而且已經開始被應用。

  目前,再生能源僅分別供應了建築部門(供暖)10.7%、交通部門 3.5%的需求量,而氫高能量密度的特性,比直接電氣化更適合高溫加熱,也比較合適用在一些特定的運輸應用,對於增加這些部門再生能源佔比上發揮特別重要的作用。氫能實現「跨部門耦合」(sector coupling)一概念,所謂「跨部門耦合」係指針對最終消費部門電氣化,提高再生能源的使用比例,同時強化其平衡間歇性發電能源的供需差距,透過「電轉氣(Power to Gas, P2G)」技術整合電力和天然氣的供應。也就是說,如果能在能源運營商和網絡之間建立一個更加整合的系統,在其中以電解的方式將再生能源所產的電力轉換成氫氣,並藉由這些氫氣作為下游應用的原料或載體(氫氣也可以轉化為氨,或與二氧化碳結合產生甲烷、甲醇和合成油),這樣的生產模式相較於直接傳送電力更容易儲存和運輸,並提供了一個新解方,減少原本難以電氣化的最終用途應用的排放(例如長途航空和卡車運輸)。


小結

  氫能的應用為對抗氣候變遷帶來新希望,值得注意的是,氫能本身雖然不含碳,卻仍可能因製造方式的不同而產生碳排,其中最潔淨的「綠氫」,是以再生能源生產,現階段成本尚高,產量少。

  為加速綠氫的發展,IRENA在2020 年建立了「綠氫合作框架」(Collaborative Framework on Green Hydrogen),其中開放私部門和其他國際組織參與,提供再生能源中的氫能有效對話、合作和協調行動的工具,並有效整合IRENA掌握的綠氫技術與知識,以及該機構著手的綠氫工作。該框架工作範圍包含「氫能開發的環境、安全方面和社會接受度」、「氫的運輸和分配」以及「電解槽和再生能源之間的連接」等九個領域,IRENA在2021年則是側重於全球氫貿易所需的基礎設施、投資和認證,以及更廣泛地實現大規模部署所需的支持措施。


參考資料

Evans, S. and Gabbatiss, J., 2021. In-depth Q&A: Does the world need hydrogen to solve climate change?.

International Renewable Energy Agency. 2021. Collaborative Framework on Green Hydrogen.

Strategic Intelligence. 2021. Hydrogen.

王慶. 2021. 氫能股大熱!鋼鐵、半導體都需要它,「綠氫」是什麼?.

邱凡玶. 2021. 經濟部溫室氣體減量管理推動辦公室研究專題. 

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