產業追蹤/加速研發 填補技術面缺口
根據美國能源部先進研究計劃署的研究報告,全球每年需要約5億噸的氫氣供應方能達成國際能源署規劃的2050年淨零目標,如果要徹底達到能源轉型,例如燃料上完全取代天然氣等,則預估每年需要約10億噸的氫氣。
如果期望全部是綠氫,以5億噸目標及產出每公斤氫氣需要45度電的效率,需要約22,500百萬兆瓦時的電能,等於22.5兆度電(1度電=1千瓦時),這還不算壓縮儲存的耗能。以國際能源署根據各國再生能源建置規劃的估計,2050年的全球再生能源發電量在25至30兆度電的規模,也就是說綠氫的生產要用掉幾乎九成的再生能源。這還沒有考慮以目前電解技術所需的貴金屬如鈀、銥和鉑等,其需量預估是目前全球產量七倍以上。加上開採煉製或回收這些金屬所需的能源,這個情境挑戰很大。
比較務實的看法是在電能供應上,需要考慮使用具備便宜又環保的恆定發電電力,以解決再生能源不足。其次是需要加入從化石燃料裂解的藍氫,以及從生質料源產氫,這兩者與電解水不同,主要產生氫氣的能量是熱能,如驅動蒸氣甲烷重組的吸熱反應,包含後續二氧化碳捕捉與轉化的熱能均可由燃燒部分的甲烷或是氫氣供應。使用生質料源產氫也是類似過程,只是若生質料源是吸收大氣中的二氧化碳,這個過程中如不捕捉,則一般視為碳中和,也就是沒有增加空氣中的二氧化碳。如果捕捉,則可視為負碳。
總而言之,兩個方式均不會對再生能源的供應產生負擔,但化石燃料長遠來看需面對枯竭的現實。值得一提是近年來為提升甲烷產氫效率及避免產生二氧化碳,許多研究使用電漿熱裂解,直接產生氫氣及固體的碳黑。若得以規模化,可解決碳封存的困難,同時其所產的氫發電部分可回饋提供電漿的電能,降低再生能源需求。
如果所產出的氫氣用於發電,則須考慮其應用情境,重要指標是往返效率(round trip efficiency),意思是用1度電所產生的氫再去發電所產出的度數,用百分比計算。以再生能源儲能併網的應用來看,其目的是解決再生能源發電不穩定問題,在剩餘時儲存起來供不足時補充。目前既有的儲能方法的往返效率是:抽蓄水力75%至80%,飛輪80%至90%,化學電池75%至90%,電熱(ETES) 65%至75%,壓縮空氣65%至75%。
目前技術上電解水的綠氫再轉化為電能,往返效率為18%至46%,即使用效率較高的甲烷電漿熱裂解,其效率僅也在20%至50%。其重要原因是氫在壓縮儲存或事液化需耗費額外能源,例如壓縮將使用氫氣原始能量的10%至30%,而液化更耗能,消耗氫氣能量的30%至40%。再者氫燃料電池的產電效率通常在60%至80%。因此用氫來儲存及發電的應用優勢,在於能量密度需求高且無法直接觸及電網的場合,如汽車、飛機、輪船或是沒有電網與供電不穩的偏遠地區。
從上述分析看,除非石油枯竭或開採成本過高,以再生能源驅動的氫經濟現階段很難取代石油經濟,但在減緩全球暖化趨勢下,兩種經濟活動將並存。
綠氫基本上需要的只是再生能源及水,因此對國家能源與工業生產的韌性極度重要。其次,不能忽略未來脫碳的氫經濟所需要龐大產業鏈及商機,從各項數字與科學推論,許多問題都需要科技來解決,這也提供新創公司的機會。
帶動氫經濟發展是長遠目標,氫能除生產課題外,還包含儲存、運輸及使用的層面,本文僅略窺氫氣生產的情況與問題,其他層面及近年來逐漸受到重視的自然或地質氫,這些項目在規模放大上仍面臨許多科技導入的缺口。這些就仰賴政府與企業合作,積極投入研發資源。(作者是工研院副院長)
工研院
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