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台湾氢谷动起来
氢能源成国家战略目标

【作者: 季平】2023年11月21日 星期二

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2050净零趋势造就另一种「淘金潮(Gold Rush)」,有别於19世纪的加州淘金热或20世纪初的黑金(石油)热,21世纪全球淘金热的主角是「绿金」绿色能源。


常见的绿色能源包含太阳能、风力能、水力能、地热能、氢能与生质能,其中,氢气能源(Hydrogenic Energy)是以氢为原料,主要经电解水、蒸气法等方式产生,透过燃料电池将化学能转换为电力。由於氢气每单位能量密度极高,不仅可以用於发电,用於合成气体、燃料或产制工业原料,也能成为运输工具的动力来源,应用范围极广,因此成为万众期待的绿能明星。


近年来航空业积极投入使用环保能源,如积极寻找可持续航空燃料(Sustainable Aviation Fuel)、氢燃料或相关电池技术,希??在2050年前能源转型成功。一般咸认,氢动力比航空燃油更为环保,主要原因在於,氢气燃烧时只会产生水而不会产生碳排,非常适合作为零碳航空燃料。


以色列企业Eviation Aircraft自2019年以来积极开发氢燃料全电动飞机Alice,并於2022年9月成功试飞。Alice可搭载1-2名飞行员及9名乘客,最大速度约260节,充电30分钟约可飞行1小时,飞航距离约815公里,载重量达1,200公斤。虽然速度不快,但噪音较小,而且不会产生碳排,适用於短程通航及货运运输。该公司表示,Alice的营运成本较同尺寸传统动力飞机低30-70%,预计2027年投入商用服务。



图一 : Alice可搭载1-2名飞行员及9名乘客(source:Eviation Aircraft)
图一 : Alice可搭载1-2名飞行员及9名乘客(source:Eviation Aircraft)

2022年11月底,易捷航空(Airline EasyJet)与飞机发动机制造商劳斯莱斯集团(Rolls-Royce)也成功以国内小型线涡轮螺旋桨发动机AE 2100-A做为测试,利用苏格兰奥克尼群岛(Orkney Islands)的潮汐与风电产生的「绿氢」作为驱动能源,成功运行飞机发动机。未来将针对劳斯莱斯Pearl 15喷射引擎进行全面的地面测试。



图二 : 易捷航空和劳斯莱斯集团成功测试氢动力飞机发动机(source:Rolls-Royce)
图二 : 易捷航空和劳斯莱斯集团成功测试氢动力飞机发动机(source:Rolls-Royce)

颜色辨氢气 料源、制程、能效、成本大不同

据统计,一架波音747大型空巴约需100万公升的氢气才可能支应约25万公升喷气燃料的航行距离,目前看来,氢燃料用於长程运输仍有一段长路要走,加上「绿氢(Green Hydrogen)」是透过再生能源电力电解而成,虽然制程几??零碳,成本却相对较高,这些都是氢能源真正普及之前需克服的问题。


工研院产科国际所研究经理石蕙菱指出,氢是分子最小的元素,多与其他分子相结合而非独自在大气中以自然形态存在,因此被归类为二次能源,也就是须要经过加工转换後才能取用的能源。氢气的应用层面广泛,过去多成为工业原料(如生产氨气、盐酸)之用,或用於半导体、电子材料制程,能源使用方式则为氢气经燃烧或电化学产生能量以供电、供热。


提到绿能或新能源,不得不提发电装置燃料电池(Fuel Cell)。有别於一般非充电电池或充电电池,燃料电池可持续添加燃料以维持电力发电,所需燃料为氢,因此被归类为新能源。燃料电池主要利用氢及氧的化学反应产生电流及水,完全无污染,也没有传统电池需充电的问题,市场期待它能普及应用於车辆及其他高污染发电工具,有助改善空污及温室效应。有监於此,氢所扮演的角色更为重要。国际再生能源署(IRENA)早於2021年发布《能源转型的地缘政治氢气部分(Geopolitics of the Energy Transformation:The Hydrogen Factor)》报告,报告指出,绿氢将是改变未来地缘政治局势的明日之星。


根据料源及制造方式的不同,氢在制程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源产业会使用颜色区别氢,主要为灰氢 (Grey Hydrogen)、蓝氢(Blue Hydrogen)、蓝绿氢(Turquoise Hydrogen)与绿氢 (Green Hydrogen)。


最常见的灰氢是在高温触媒环境下利用水蒸气与碳氢化合物反应转换出氢气,成本较低,但碳排较高;蓝氢是利用碳捕捉技术将氢气所排放的二氧化碳回收封存;蓝绿氢则是在生产氢气的过程中利用热裂解技术,在氢气分离之际使二氧化碳直接形成固体碳储存;绿氢的生产方式多为利用过剩的再生能源(如太阳光电或风力发电)在电解槽中水电解取得氢气与氧气,制程中几??零碳,而且绿氢燃烧时不会产生碳,只留下水蒸气,所以相对环保,非常适合做为绿色替代能源。


石蕙菱分析,灰氢的优点是技术成熟,成本相对便宜,缺点是含大量二氧化碳,不符国际减碳趋势;蓝氢的优点是制程中的碳排量可以有效降低,符合国际需求,缺点是封存与再利用机制(CCSU)技术成本较高;蓝绿氢的优点是可有效降低制程中的碳排量,而且二氧化碳为固体,不会散发至大气中,便於储存,也可以用於炼钢等其他用途,缺点是热裂解过程中需要大量燃料或能量才能产生热能,整体能效低且技术成本高。


绿氢的优点是制程几??无碳排,生产规模较具弹性,还能协助整合再生能源,缺点则是水电解转换效率仅约70-80%,整体能源利用低,加上电解槽装置成本较高,使绿氢的制造成本居高不下,是其他氢气的3-8倍。


此外,也有以气化法透过煤炭制造的「褐氢」(Brown Hydrogen),但是碳含量最高,若使用黑煤作为料源,生产成本甚至高於天然气,一般工业用氢较为少用。



图三 : 根据料源及制造方式的不同,氢在制程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源产业会使用颜色区别氢。(source:能源教育资源总中心)
图三 : 根据料源及制造方式的不同,氢在制程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源产业会使用颜色区别氢。(source:能源教育资源总中心)

产官学研团积极打造「台湾氢谷」

国际能源署(IEA)指出,2050年全球若想实现净零碳排,氢能应用於发电、载具、工业及建筑等占比应达全球整体能源供给比例的13%。由於氢燃料电池在能源转型中占据重要位置,美、欧、日、中等国已将其纳入国家战略,如美国能源部提供6,400万美元於氢研究,推动氢能与燃料电池技术,其中,加州已通过约20亿美元的延长洁净能源汽车与燃料补贴法案,2023年前编列每年2,000万美元建设加氢站,2025年加氢站目标为200座。看好氢能源发展,美国总统拜登已於今年10月宣布总金额高达70亿美元的联邦补助计画,选定7个氢能投资案,如亚马逊(Amazon)及埃克森美孚( Exxon Mobil)共同叁与的氢能计画即为其中之一。


台湾也将氢能纳入12项关键战略,并且制订氢能发电、氢气供应、氢能载具等短中长期目标。不过,台湾绿电主要倚重太阳光电与风电,受气候条件影响较大,绿电并网後的稳定性也成为另一项待克服的挑战,因此,台湾的净零转型更有赖新能源、储能与系统整合等技术助战。


此外,「台湾2050净零排放路径」将2050年氢能目标占比订为9-12%,但是台湾法规中,氢气仍属於工业??产物或工业制程原料,需修订《能源管理法》方能视其为「能源」,并须进一步订定「氢能管理专法」,针对氢能进囗、产销、设置、安全及无碳认证等范畴予以规范。虽然法规有待时间催化完善,台湾产官学研团早已积极抢滩氢能与储能发展,努力打造「台湾氢谷」。


台湾的氢气几??100%需要进囗原料制造,工研院预估,2050年氢气需求约385万吨、氨约315万吨,其中,氢气进囗约75%、自产约25%。目前台湾已有六大企业集团或国营事业投入氢能布局或储能业务,如台塑、台泥、台肥、中油、台电、联华等,积极抢进上兆美元市场大饼。其中,台湾中油近期将配合氢能载具,引进可移动式加氢站,积极建立台湾氢能供应链,未来发展锁定「先蓝氢、後绿氢」。


目前评估以天然气为进料,透过重组制程产制小型制氢工厂,并同步搭配CCUS技术;台电则锁定2025年兴达电厂3号机达5%混氢发电。今年10月登场的「台湾国际智慧能源周」与「台湾国际净零永续展」中,台塑、台泥均展示了「储能」最新成果。


台湾工研院领军百馀家台厂於氢能相关技术的研发与制造,新创团队氢丰绿能科技股份有限公司即以氢燃料电池金属板电池技术及馀氢发电等相关技术,投入洁净能源发电应用及工业馀氢再利用等领域,希??串起国内氢能产业链,同时建立台湾氢能与燃料电池夥伴联盟。



图四 : 工研院新创团队氢丰绿能投入洁净能源发电应用及工业馀氢再利用领域(source:工研院)
图四 : 工研院新创团队氢丰绿能投入洁净能源发电应用及工业馀氢再利用领域(source:工研院)

氢丰绿能未来将透过技转方式协助发展台湾氢能发电关键技术、培养维运能力并累积运转经验。国产燃料电池金属板电池组是该公司的关键技术之一,电池组是以高导电、高抗蚀的覆碳镀层技术,透过智慧产线制造组装,制成??级金属板燃料电池组,组装产品功率逾30kW,与业界常见的石墨双极板燃料电池相较,更为轻薄也更具成本竞争力,有助降低燃料电池价格,同时提升国际竞争力。


第二项关键技术是领先全球的混氢燃料电池系统,即便是纯度不高的混氢也能搭配空气产生电力,同时产生热水。看好氢燃料电池零碳排与续航力超强的特色,未来该公司也将积极将触角延伸至氢能交通载具的应用及推广。



图五 : 氢丰绿能的混氢燃料电池系统(source:工研院)
图五 : 氢丰绿能的混氢燃料电池系统(source:工研院)

过去大家对燃料电池的认知是氢气纯度要99.99%纯氢发电,但台湾半导体、石化业在制程中多会产生工业??产氢,虽然氢气纯度仅约50%,但回收氢气再透过氢燃料电池的混氢发电系统,也可以发电。氢丰绿能公司董事长李钧函指出,公司的关键技术可以让石化业或半导体业更放心地使用工业??产氢发电,而不是加入天然气烧掉或排掉,与其烧掉??产氢,不如用来发电,一方面可以降低碳排,再方面可以增加电费收入,让??产氢变得更有价值。


氢能应用场景多元,被视为最具潜力的新能源。除了前面提到的航空业积极投入氢能转型,汽车业也不遑多让。以台湾为例,台湾政府公布的净零路径规画预计氢能载具於20230-2030年间完成示范运行。和泰汽车总经理苏纯兴表示,台湾未来要实现净零排放愿景,氢能是不可忽略的选项之一,日本更是氢技术运用的领先者,并以全球首个「氢经济体」作为国家发展目标。


为实现净零排放,比纯电动车更乾净的氢能车是重要选项。相较於纯电动车充电时间较长,氢能车「加氢」约5-10分钟即可加满。以丰田TOYOTA Mirai为例,加氢5分钟内即可充满,可行驶750公里。丰田也陆续推出行驶过程中只会排出水的氢能电动车(FCEV),如氢能小客车、氢能巴士、氢能堆高机等。不过,氢能源车或载具的致命伤仍在於价格太高,如氢能巴士售价约台币2,000-3,000万元,价格是同级电动巴士的2倍以上;氢能乘用车的售价逾台币200万元,价格是纯电动车的1.5倍。


随着2050年的逼近,全球「氢能战」只会越来越白热化,未来氢能源能否成为「普级绿能」,有待时间、技术催化,如果政府能适时补助与补位,铁定是最隹「神队友」,有助国家队及早达阵得分。


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