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产用氢能追求慎始善终
聚焦低碳工业与交通

【作者: 陳念舜】2023年11月22日 星期三

浏览人次:【13592】

为了加速迎接在2050年净零碳排的终极目标,「氢」已俨然成终极洁净能源之一。既可直接导入终端,协助工业、运输载具脱碳;同时推进发电及碳捕捉技术发展,於起始端产出灰、绿、蓝氢,并通过液/固态等载体储存输送,以逐步完整实现氢经济。


由於「氢(H2)」本身既不含碳,加上燃烧时热值高,能源转换效率也不差,常被视为「终极洁净能源」,早在1970年的能源危机便诞生出「氢经济(Hydrogen Economy)」一词,最後却因成本居高不下而失利。如今则受惠於国际净零碳排浪潮、俄乌战火之後,确实加速催生了许多既有或创新的氢能计画,甚至弭平了灰氢与绿氢之间存在已久的价差。对比战前灰氢的成本约落於1~2美元/kg,预计绿氢最快可在2030年跌破每公斤2美元,在再生能源丰沛的地区,甚至可能降至1美元/kg。


依国际能源署(IEA)预估到了2050年,氢能将占全球能源使用比重的13%,全球氢供应量将上看每年5.3亿吨,对照2020年仅8,700万吨的成长潜力巨大;预估未来10年,全球氢能源投资将超过3,000亿美元,不仅是地球永续的关键,更关??各国与产业竞争力。


截至2023年9月,全球已有42国及地区发布国家等级氢能策略,台湾也在2021年宣布将氢能列为2050年净零碳排路径图的12项战略之一,并陆续发布相关法规与不同洁净程度的认定标准,分别导入发电、运输、工业等场域,被看好可普及应用於新能源车的低碳动力来源,以及钢铁及石化、电力工业的低碳燃料和原料。


迎接氢能新经济 工研院推发展蓝图

为协助产业迎接即将到来的「氢能新经济」,工研院2022年也发表「2050氢应用发展技术蓝图」,涵盖台湾在未来30年於氢气供应、发电应用、工业应用、载具应用,及法规标准、基础设施等氢应用发展等面向。


建议可在台湾西岸分别设立北、中、南三大主要氢应用园区,包括:利用北部既有电厂改以专烧氢、氨气发电;中部配合离岸风电,规划生产绿氢与储能,以及南部既有石化钢铁聚落投入蓝/蓝绿氢应用,规划重工业减碳园区。


在低碳发电方面,台湾将发展混烧与专烧氢氨气的燃气与燃煤发电,逐步取代以往燃烧化石燃料的发电机组,以降低电力碳排;在低碳工业领域,钢铁、石化产业可使用氢气治金、钢化联产及使用蓝绿氢以降低制程碳排,并将半导体制程产生的大量馀氢回收、纯化再利用;低碳交通方面,则聚焦高载重、长途运输、高运转率的大客车与货车,将以氢燃料发电动力。另为配合氢氨供需情境,也将规画建设氢氨输储基础设施,包括接收站、储槽、管线、加氢站等,以完备低碳氢能应用。



图一 : 为协助产业迎接即将到来的「氢能新经济」,工研院2022年也发表「2050氢应用发展技术蓝图」涵盖台湾未来30年氢气供应及发电、工业、载具应用等面向。(source:工研院)
图一 : 为协助产业迎接即将到来的「氢能新经济」,工研院2022年也发表「2050氢应用发展技术蓝图」涵盖台湾未来30年氢气供应及发电、工业、载具应用等面向。(source:工研院)

氢能车竞逐利基市场 商用车後来居上

当中国大陆近年来电动车品牌与欧美大厂短兵相接时,氢能车更成为业界开发新能源车的另类选择。克服过去产业因为偏重在乘用车领域,碍於供气成本高与加氢设施不足,导致产品未能发挥特性优势,降低终端消费者的采用意愿。甚至让Tesla创办人马斯克(Elon Musk)认为:「氢能车的能源转换率太差,是『傻瓜才信』的愚蠢生意(Fuel cells=Fool sells)」。


在亚洲地区又以日、韩为首,从导入商用车市场优先,初期订单量少,不必投入过大生产规模。加上商用车大多是采取固定路线运行的物流或客货运业者,只须设立最少的加氢站点,就能支援最多的车辆使用,所以投放资源较为精准。


且重型卡车或巴士都有一定的重量上限规范,车体越轻,才能载运越多的人或物。纯电动车BEV在与氢能源车FCEV相同续航力下,加上电池重量将无法满足长途/重载车辆需求,而牺牲大量的货物载重;且相较於纯电动巴士充电3~4小时,氢能巴士的燃料加注只需10~20分钟,还能在气温-30℃下环境正常运作超过300公里,已可解决市区公车与长途客运需求。



图二 : 亚洲地区从导入商用车市场优先,碍於供气成本高与加氢设施不足,未能发挥特性优势。(source:koreabizwire.com)去
图二 : 亚洲地区从导入商用车市场优先,碍於供气成本高与加氢设施不足,未能发挥特性优势。(source:koreabizwire.com)去

聚焦运输及工业应用 氢能新经济成型

当氢能经济已被扩充导入交通移动领域发展以来,博世集团(Bosch)集团因兼备汽车产业长才与完整氢能价值链营运能力,更不可错过这波商机。博世集团董事会成员及博世智慧交通业务主席马库斯.海恩(Markus.Heyn)博士表示:「博世为现今全球极少数有能力量产燃料电池电堆等技术复杂产品的公司之一,不仅拥有所需的系统长才,还兼具加速新品量产的开发能力,成为全球首家同时在德国和中国大陆生产燃料电池动力模组的企业,预估氢能科技到了2030年,将可为集团带来约50亿欧元营收。」


除了燃料电池动力系统之外,博世也将着重氢气引擎的研发,在交通移动领域积极推动氢能经济的发展,正在开发适用於氢能的进气囗喷射系统及直喷系统,尤其适用於长途重载的重型商用车。Markus.Heyn认为:「氢气引擎不仅可执行柴油引擎的所有功能,并具备碳中和的优势,能协助快速且经济实惠地达成氢能交通。」博世的优势在於已经掌握90%的相关技术,预计2024年氢气引擎即可上市,至今已获得全球主要经济区域的4件生产专案订单;预估到了2030年,该产品销量将逾10万台。



图三 : 除了燃料电池动力系统之外,博世也将着重氢气引擎的研发,在交通移动领域积极推动氢能经济的发展。(source:Bosch)
图三 : 除了燃料电池动力系统之外,博世也将着重氢气引擎的研发,在交通移动领域积极推动氢能经济的发展。(source:Bosch)

德国西门子(Siemens)能源部门则在经营氢能业务超过30年,砸下3,000亿欧元之後,即将在柏林打造全新超级工厂投注绿氢,相较於爱尔朗根厂区每年约可生产400个氢能电解槽的电堆(stacks),估计新厂首年即可生产1,000个、2025年後产量预计超过3,000个。


西门子数位工业近期也在台湾展出创新垂直整合数位企业解决方案。包含:完整的储能系统,整合风能、太阳能、氢能等新能源需求,主力产品涵盖SINAMICS PCS功率调节系统、EMS能源管理系统、RUGGEDCOM高资安电力通讯网路,以及最新氢能趋势应用,协助产业建立稳定电力基础建设以及能源供应,实践制造业净零碳排。



图四 : 西门子数位工业近期也在台湾展出创新垂直整合数位企业解决方案。包含:完整的储能系统,整合风能、太阳能、氢能等新能源需求。(source:Siemens)
图四 : 西门子数位工业近期也在台湾展出创新垂直整合数位企业解决方案。包含:完整的储能系统,整合风能、太阳能、氢能等新能源需求。(source:Siemens)

台厂遥??中上游前景 期盼加入供氢生态系

台湾则因为在OEM代工及AM零组件市场之外的整车制造业相对弱势,既不如日、韩有强大汽车制造业当引擎;以及大陆企业挟全球最大产氢国家、自有汽车市场规模优势,在推动氢能发展时,主要着眼於抢占「汽车产业」市场。


因此少了投入补助研发氢能车的利基,出囗导向的制造业更需要稳定能源,却面临减碳压力,只能对於「要减碳」或「要产业」的两种不同思维取舍,或许会先从日、韩进囗氢能车上路、布建加氢站设施等规范取经。


进而期待业者可在短期内发挥ICT科技优势,从混合动力系统所需的氢电控制模组、关键零件耐久度提升着手,与美、欧、日、韩厂商合作抢进生态系,切入美欧乃至印度、澳洲等新兴市场商机;甚至还可以学习如南韩现代集团投资产氢,抢进最上游的原料供应财。


其中关键的燃料电池主要由电堆(Stack)、次系统(Balance of Plant;BOP)两部份构成。推估若每量产50万件80kW燃料电池,不含储氢系统的成本中,Stack约占系统比重44%、BOP占56%,两者又以模电极组27%与空气系统26%占比最大,未来务必要攻克高成本占比零组件、提升耐久性,创造新需求和统一国际规格。


目前台厂氢燃料电池供应已逐步成形,包括:1.气体供应商━亚东工业气体、三福气体(美国Air Products集团);2.氢系统及料源处理厂━中兴电、高力;3.氢气储能加氢站━中油、中兴电;4.储氢组件及系统厂━晋升太空科技;以及氢能发电:1.集中式生产厂━台电、汉翔;2.分散式(燃料电池)零组件厂━台达电、高力、中兴电、顺德、康舒、华城、士电;3.工业制造厂━中油、台塑、帆宣、台积电、中钢;4.交通载具厂━车王电、华德动能、和泰、三阳工业等。


现今全球SOFC固态氧化物燃料电池大厂美国BE公司(Bloom Energy)也自2006年开始与康舒、高力、华城、保来得、宏进金属等台湾厂商合作,负责供应BE约30%硬体设备零件到北美组装,销售全球。


另有彩掸新能源、研华工业、明安国际等台厂共同打造的氢能巴士原型车,则采用约6成台制零组件,包括行车安全模组由研华科技提供、明安国际提供碳纤氢瓶;仍有4成零组件须与国外供应链建立合作,包括供氢模组(燃料瓶)来自英国;燃料电池与加拿大、日本、英国供应链合作;高低压DC/DC直流转换器分别来自德国、荷兰。


至於现今氢能源车要上路必不可少的关键基础设施,台湾已规划有两座示范型加氢站,将由联华实业与德商林德集团合资成立的工业气体大厂联华林德,在自家台南树谷工业园区工厂利用天然气裂解产出,并搭配二氧化碳捕捉封存再利用(Carbon Capture, Utilization and Storage;CCUS)技术减碳而成为蓝氢,并特别送往美国Airborne实验室,验证通过氢能载具标准,再就近输送到示范加氢站,调整氢气的压力;同时协助中油於高雄完成第一座加氢站,但具体位址依旧成谜。


业者坦言加氢站短期难以获利,主要目的还是在於示范当氢能载具发展成熟,中油或台塑等加油站业者加入之後,可提供稳定品质且安全的氢气,并与Hyzon Motors公司共同开发氢燃料电池商用车。



图五 : 现由彩掸新能源、研华工业、明安国际等台厂共同打造的氢能巴士原型车,采用约6成台制零组件,并完全排除「红色供应链」,预计2024年第4季正式上市。(source:研华)
图五 : 现由彩掸新能源、研华工业、明安国际等台厂共同打造的氢能巴士原型车,采用约6成台制零组件,并完全排除「红色供应链」,预计2024年第4季正式上市。(source:研华)

善用工业、发电循环 提升自主产蓝氢比例

然而,依能源局推估到了2050年时,台湾除了自澳洲、加拿大、卡达、欧洲等国每年进囗「蓝氢」或「绿氢」,必须要达到330万吨之外,也应该自产氢气37万吨,才足以满足占比9%~12%的氢能发电与工业制程需求,兼顾减碳及供电稳定;未来还要加入氢能车一旦上路,所带来的庞大运输等整体需求有机会达2成以上。


届时若台湾自产氢气不足,仍有约75%比重须仰赖进囗,成本将是决定各国大规模应用的关键。目前市面上价格以灰氢最便宜、其次为蓝氢,绿氢高达每7~8美元/kg最贵。未来以美国预估2030年可降至1美元/kg最为乐观、欧盟也制订同期可达2美元/kg,但大多数国家须在2045或2050年实现。


估计未来5~10年短期内,规划将近3成的电力来自「蓝氢」将是可行又务实的做法,不仅比绿氢便宜6~7倍,实际上可以从进囗天然气裂解,或是台湾使用工业用(灰)氢范围广泛的石化及炼钢、半导体业制程中回收工业馀氢纯化,再将过程中排出的二氧化碳捕捉封存再利用CCUS等技术,碳排量较符合国际需求,还能化为产/输/储商机、利用「冷能」效益可二次发电,意味蓝氢效益比绿氢或灰氢要高。


根据能源局《氢能关键战略行动计画》,便将台湾氢能发展策略分成氢能应用、供给和基础建设,大多还是仰赖经济部所属国营事业进行示范计画。台电也已投入燃气混氢或专烧氢气的发电示范计画,正逐步提高混烧氢气的比例,取代燃烧化石燃料的发电机组,今年还与中研院共同发布「去碳燃氢」技术商转成果


经过串接65kW商用小型混氢型微气涡轮发电系统发电机,将天然气(即甲??CH4)高温裂解成为氢气和固态碳黑(carbon black)技术跨出实验室,投入发电及工业使用;碳黑固态碳则再另做精密、高产值化工业生产原物料、输/储备能源使用。


相较既有天然气蒸汽重组技术,产氢过程所需能量减少近40%,且不会产生二氧化碳,兼顾稳定供电及发挥减碳效益;免除了「蓝氢」要先变成高压流体,又要放到适合地层里储存二氧化碳,还有寻觅封存场址的课题,因此比「蓝氢」更接近「绿氢」,所以被称为「蓝绿氢」。


目前兴达电厂混烧氢能5%没有问题,既有发电机组设备也不用大幅改装,今年9月成功以混氢10%比例运转发电;待设备经过改装後,混烧比率还能增至15%;未来还应尽速开发可100%专用氢能发电机组,持续增加混氢比例与发电机功率,对台湾及全球天然气发电减碳有极大助益。


後续中研院将与台湾气体制造商扩展应用规模,目标在年底前将合作产出的氢气,应用於兴达电厂燃气机组氢气混烧示范去碳燃氢,以替代5%天然气估算,每年可减少超过7,000吨碳排放量,可??交出每发电1小时可减碳1吨的成绩单,未来将逐步提高混氢比例,同时配合这些涡轮发电机的制作厂商,才能全方位应用,并推展至台湾其馀电厂机组,产业燃气锅炉氢比例也将逐步提升。



图六 : 台电今年还与中研院共同发布「去碳燃氢」技术,将天然气高温裂解成为氢气和固态碳黑技术跨出实验室,投入发电及工业使用,被称为「蓝绿氢」。(source:中研院)
图六 : 台电今年还与中研院共同发布「去碳燃氢」技术,将天然气高温裂解成为氢气和固态碳黑技术跨出实验室,投入发电及工业使用,被称为「蓝绿氢」。(source:中研院)

**刊头图(source:Bosch)


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