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產用氫能追求慎始善終
聚焦低碳工業與交通

【作者: 陳念舜】   2023年11月22日 星期三

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為了加速迎接在2050年淨零碳排的終極目標,「氫」已儼然成終極潔淨能源之一。既可直接導入終端,協助工業、運輸載具脫碳;同時推進發電及碳捕捉技術發展,於起始端產出灰、綠、藍氫,並通過液/固態等載體儲存輸送,以逐步完整實現氫經濟。


由於「氫(H2)」本身既不含碳,加上燃燒時熱值高,能源轉換效率也不差,常被視為「終極潔淨能源」,早在1970年的能源危機便誕生出「氫經濟(Hydrogen Economy)」一詞,最後卻因成本居高不下而失利。如今則受惠於國際淨零碳排浪潮、俄烏戰火之後,確實加速催生了許多既有或創新的氫能計畫,甚至弭平了灰氫與綠氫之間存在已久的價差。對比戰前灰氫的成本約落於1~2美元/kg,預計綠氫最快可在2030年跌破每公斤2美元,在再生能源豐沛的地區,甚至可能降至1美元/kg。


依國際能源署(IEA)預估到了2050年,氫能將占全球能源使用比重的13%,全球氫供應量將上看每年5.3億噸,對照2020年僅8,700萬噸的成長潛力巨大;預估未來10年,全球氫能源投資將超過3,000億美元,不僅是地球永續的關鍵,更關乎各國與產業競爭力。


截至2023年9月,全球已有42國及地區發布國家等級氫能策略,台灣也在2021年宣布將氫能列為2050年淨零碳排路徑圖的12項戰略之一,並陸續發布相關法規與不同潔淨程度的認定標準,分別導入發電、運輸、工業等場域,被看好可普及應用於新能源車的低碳動力來源,以及鋼鐵及石化、電力工業的低碳燃料和原料。


迎接氫能新經濟 工研院推發展藍圖

為協助產業迎接即將到來的「氫能新經濟」,工研院2022年也發表「2050氫應用發展技術藍圖」,涵蓋台灣在未來30年於氫氣供應、發電應用、工業應用、載具應用,及法規標準、基礎設施等氫應用發展等面向。


建議可在台灣西岸分別設立北、中、南三大主要氫應用園區,包括:利用北部既有電廠改以專燒氫、氨氣發電;中部配合離岸風電,規劃生產綠氫與儲能,以及南部既有石化鋼鐵聚落投入藍/藍綠氫應用,規劃重工業減碳園區。


在低碳發電方面,台灣將發展混燒與專燒氫氨氣的燃氣與燃煤發電,逐步取代以往燃燒化石燃料的發電機組,以降低電力碳排;在低碳工業領域,鋼鐵、石化產業可使用氫氣治金、鋼化聯產及使用藍綠氫以降低製程碳排,並將半導體製程產生的大量餘氫回收、純化再利用;低碳交通方面,則聚焦高載重、長途運輸、高運轉率的大客車與貨車,將以氫燃料發電動力。另為配合氫氨供需情境,也將規畫建設氫氨輸儲基礎設施,包括接收站、儲槽、管線、加氫站等,以完備低碳氫能應用。



圖一 : 為協助產業迎接即將到來的「氫能新經濟」,工研院2022年也發表「2050氫應用發展技術藍圖」涵蓋台灣未來30年氫氣供應及發電、工業、載具應用等面向。(source:工研院)
圖一 : 為協助產業迎接即將到來的「氫能新經濟」,工研院2022年也發表「2050氫應用發展技術藍圖」涵蓋台灣未來30年氫氣供應及發電、工業、載具應用等面向。(source:工研院)

氫能車競逐利基市場 商用車後來居上

當中國大陸近年來電動車品牌與歐美大廠短兵相接時,氫能車更成為業界開發新能源車的另類選擇。克服過去產業因為偏重在乘用車領域,礙於供氣成本高與加氫設施不足,導致產品未能發揮特性優勢,降低終端消費者的採用意願。甚至讓Tesla創辦人馬斯克(Elon Musk)認為:「氫能車的能源轉換率太差,是『傻瓜才信』的愚蠢生意(Fuel cells=Fool sells)」。


在亞洲地區又以日、韓為首,從導入商用車市場優先,初期訂單量少,不必投入過大生產規模。加上商用車大多是採取固定路線運行的物流或客貨運業者,只須設立最少的加氫站點,就能支援最多的車輛使用,所以投放資源較為精準。


且重型卡車或巴士都有一定的重量上限規範,車體越輕,才能載運越多的人或物。純電動車BEV在與氫能源車FCEV相同續航力下,加上電池重量將無法滿足長途/重載車輛需求,而犧牲大量的貨物載重;且相較於純電動巴士充電3~4小時,氫能巴士的燃料加注只需10~20分鐘,還能在氣溫-30℃下環境正常運作超過300公里,已可解決市區公車與長途客運需求。



圖二 : 亞洲地區從導入商用車市場優先,礙於供氣成本高與加氫設施不足,未能發揮特性優勢。(source:koreabizwire.com)
圖二 : 亞洲地區從導入商用車市場優先,礙於供氣成本高與加氫設施不足,未能發揮特性優勢。(source:koreabizwire.com)

聚焦運輸及工業應用 氫能新經濟成型

當氫能經濟已被擴充導入交通移動領域發展以來,博世集團(Bosch)集團因兼備汽車產業長才與完整氫能價值鏈營運能力,更不可錯過這波商機。博世集團董事會成員及博世智慧交通業務主席馬庫斯.海恩(Markus.Heyn)博士表示:「博世為現今全球極少數有能力量產燃料電池電堆等技術複雜產品的公司之一,不僅擁有所需的系統長才,還兼具加速新品量產的開發能力,成為全球首家同時在德國和中國大陸生產燃料電池動力模組的企業,預估氫能科技到了2030年,將可為集團帶來約50億歐元營收。」


除了燃料電池動力系統之外,博世也將著重氫氣引擎的研發,在交通移動領域積極推動氫能經濟的發展,正在開發適用於氫能的進氣口噴射系統及直噴系統,尤其適用於長途重載的重型商用車。Markus.Heyn認為:「氫氣引擎不僅可執行柴油引擎的所有功能,並具備碳中和的優勢,能協助快速且經濟實惠地達成氫能交通。」博世的優勢在於已經掌握90%的相關技術,預計2024年氫氣引擎即可上市,至今已獲得全球主要經濟區域的4件生產專案訂單;預估到了2030年,該產品銷量將逾10萬台。



圖三 : 除了燃料電池動力系統之外,博世也將著重氫氣引擎的研發,在交通移動領域積極推動氫能經濟的發展。(source:Bosch)
圖三 : 除了燃料電池動力系統之外,博世也將著重氫氣引擎的研發,在交通移動領域積極推動氫能經濟的發展。(source:Bosch)

德國西門子(Siemens)能源部門則在經營氫能業務超過30年,砸下3,000億歐元之後,即將在柏林打造全新超級工廠投注綠氫,相較於愛爾朗根廠區每年約可生產400個氫能電解槽的電堆(stacks),估計新廠首年即可生產1,000個、2025年後產量預計超過3,000個。


西門子數位工業近期也在台灣展出創新垂直整合數位企業解決方案。包含:完整的儲能系統,整合風能、太陽能、氫能等新能源需求,主力產品涵蓋SINAMICS PCS功率調節系統、EMS能源管理系統、RUGGEDCOM高資安電力通訊網路,以及最新氫能趨勢應用,協助產業建立穩定電力基礎建設以及能源供應,實踐製造業淨零碳排。



圖四 : 西門子數位工業近期也在台灣展出創新垂直整合數位企業解決方案。包含:完整的儲能系統,整合風能、太陽能、氫能等新能源需求。(source:Siemens)
圖四 : 西門子數位工業近期也在台灣展出創新垂直整合數位企業解決方案。包含:完整的儲能系統,整合風能、太陽能、氫能等新能源需求。(source:Siemens)

台廠遙望中上游前景 期盼加入供氫生態系

台灣則因為在OEM代工及AM零組件市場之外的整車製造業相對弱勢,既不如日、韓有強大汽車製造業當引擎;以及大陸企業挾全球最大產氫國家、自有汽車市場規模優勢,在推動氫能發展時,主要著眼於搶占「汽車產業」市場。


因此少了投入補助研發氫能車的利基,出口導向的製造業更需要穩定能源,卻面臨減碳壓力,只能對於「要減碳」或「要產業」的兩種不同思維取捨,或許會先從日、韓進口氫能車上路、布建加氫站設施等規範取經。


進而期待業者可在短期內發揮ICT科技優勢,從混合動力系統所需的氫電控制模組、關鍵零件耐久度提升著手,與美、歐、日、韓廠商合作搶進生態系,切入美歐乃至印度、澳洲等新興市場商機;甚至還可以學習如南韓現代集團投資產氫,搶進最上游的原料供應財。


其中關鍵的燃料電池主要由電堆(Stack)、次系統(Balance of Plant;BOP)兩部份構成。推估若每量產50萬件80kW燃料電池,不含儲氫系統的成本中,Stack約占系統比重44%、BOP占56%,兩者又以模電極組27%與空氣系統26%占比最大,未來務必要攻克高成本占比零組件、提升耐久性,創造新需求和統一國際規格。


目前台廠氫燃料電池供應已逐步成形,包括:1.氣體供應商-亞東工業氣體、三福氣體(美國Air Products集團);2.氫系統及料源處理廠-中興電、高力;3.氫氣儲能加氫站-中油、中興電;4.儲氫組件及系統廠-晉陞太空科技;以及氫能發電:1.集中式生產廠-台電、漢翔;2.分散式(燃料電池)零組件廠-台達電、高力、中興電、順德、康舒、華城、士電;3.工業製造廠-中油、台塑、帆宣、台積電、中鋼;4.交通載具廠-車王電、華德動能、和泰、三陽工業等。


現今全球SOFC固態氧化物燃料電池大廠美國BE公司(Bloom Energy)也自2006年開始與康舒、高力、華城、保來得、宏進金屬等台灣廠商合作,負責供應BE約30%硬體設備零件到北美組裝,銷售全球。


另有彩碤新能源、研華工業、明安國際等台廠共同打造的氫能巴士原型車,則採用約6成台製零組件,包括行車安全模組由研華科技提供、明安國際提供碳纖氫瓶;仍有4成零組件須與國外供應鏈建立合作,包括供氫模組(燃料瓶)來自英國;燃料電池與加拿大、日本、英國供應鏈合作;高低壓DC/DC直流轉換器分別來自德國、荷蘭。


至於現今氫能源車要上路必不可少的關鍵基礎設施,台灣已規劃有兩座示範型加氫站,將由聯華實業與德商林德集團合資成立的工業氣體大廠聯華林德,在自家台南樹谷工業園區工廠利用天然氣裂解產出,並搭配二氧化碳捕捉封存再利用(Carbon Capture, Utilization and Storage;CCUS)技術減碳而成為藍氫,並特別送往美國Airborne實驗室,驗證通過氫能載具標準,再就近輸送到示範加氫站,調整氫氣的壓力;同時協助中油於高雄完成第一座加氫站,但具體位址依舊成謎。


業者坦言加氫站短期難以獲利,主要目的還是在於示範當氫能載具發展成熟,中油或台塑等加油站業者加入之後,可提供穩定品質且安全的氫氣,並與Hyzon Motors公司共同開發氫燃料電池商用車。



圖五 : 現由彩碤新能源、研華工業、明安國際等台廠共同打造的氫能巴士原型車,採用約6成台製零組件,並完全排除「紅色供應鏈」,預計2024年第4季正式上市。(source:研華)
圖五 : 現由彩碤新能源、研華工業、明安國際等台廠共同打造的氫能巴士原型車,採用約6成台製零組件,並完全排除「紅色供應鏈」,預計2024年第4季正式上市。(source:研華)

善用工業、發電循環 提升自主產藍氫比例

然而,依能源局推估到了2050年時,台灣除了自澳洲、加拿大、卡達、歐洲等國每年進口「藍氫」或「綠氫」,必須要達到330萬噸之外,也應該自產氫氣37萬噸,才足以滿足占比9%~12%的氫能發電與工業製程需求,兼顧減碳及供電穩定;未來還要加入氫能車一旦上路,所帶來的龐大運輸等整體需求有機會達2成以上。


屆時若台灣自產氫氣不足,仍有約75%比重須仰賴進口,成本將是決定各國大規模應用的關鍵。目前市面上價格以灰氫最便宜、其次為藍氫,綠氫高達每7~8美元/kg最貴。未來以美國預估2030年可降至1美元/kg最為樂觀、歐盟也制訂同期可達2美元/kg,但大多數國家須在2045或2050年實現。


估計未來5~10年短期內,規劃將近3成的電力來自「藍氫」將是可行又務實的做法,不僅比綠氫便宜6~7倍,實際上可以從進口天然氣裂解,或是台灣使用工業用(灰)氫範圍廣泛的石化及煉鋼、半導體業製程中回收工業餘氫純化,再將過程中排出的二氧化碳捕捉封存再利用CCUS等技術,碳排量較符合國際需求,還能化為產/輸/儲商機、利用「冷能」效益可二次發電,意味藍氫效益比綠氫或灰氫要高。


根據能源局《氫能關鍵戰略行動計畫》,便將台灣氫能發展策略分成氫能應用、供給和基礎建設,大多還是仰賴經濟部所屬國營事業進行示範計畫。台電也已投入燃氣混氫或專燒氫氣的發電示範計畫,正逐步提高混燒氫氣的比例,取代燃燒化石燃料的發電機組,今年還與中研院共同發布「去碳燃氫」技術商轉成果


經過串接65kW商用小型混氫型微氣渦輪發電系統發電機,將天然氣(即甲烷CH4)高溫裂解成為氫氣和固態碳黑(carbon black)技術跨出實驗室,投入發電及工業使用;碳黑固態碳則再另做精密、高產值化工業生產原物料、輸/儲備能源使用。


相較既有天然氣蒸汽重組技術,產氫過程所需能量減少近40%,且不會產生二氧化碳,兼顧穩定供電及發揮減碳效益;免除了「藍氫」要先變成高壓流體,又要放到適合地層裡儲存二氧化碳,還有尋覓封存場址的課題,因此比「藍氫」更接近「綠氫」,所以被稱為「藍綠氫」。


目前興達電廠混燒氫能5%沒有問題,既有發電機組設備也不用大幅改裝,今年9月成功以混氫10%比例運轉發電;待設備經過改裝後,混燒比率還能增至15%;未來還應盡速開發可100%專用氫能發電機組,持續增加混氫比例與發電機功率,對台灣及全球天然氣發電減碳有極大助益。


後續中研院將與台灣氣體製造商擴展應用規模,目標在年底前將合作產出的氫氣,應用於興達電廠燃氣機組氫氣混燒示範去碳燃氫,以替代5%天然氣估算,每年可減少超過7,000噸碳排放量,可望交出每發電1小時可減碳1噸的成績單,未來將逐步提高混氫比例,同時配合這些渦輪發電機的製作廠商,才能全方位應用,並推展至台灣其餘電廠機組,產業燃氣鍋爐氫比例也將逐步提升。



圖六 : 台電今年還與中研院共同發布「去碳燃氫」技術,將天然氣高溫裂解成為氫氣和固態碳黑技術跨出實驗室,投入發電及工業使用,被稱為「藍綠氫」。(source:中研院)
圖六 : 台電今年還與中研院共同發布「去碳燃氫」技術,將天然氣高溫裂解成為氫氣和固態碳黑技術跨出實驗室,投入發電及工業使用,被稱為「藍綠氫」。(source:中研院)

**刊頭圖(source:Bosch)


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