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台灣氫谷動起來
氫能源成國家戰略目標
[作者 季平]   2023年11月21日 星期二 瀏覽人次: [1863]

2050淨零趨勢造就另一種「淘金潮(Gold Rush)」,有別於19世紀的加州淘金熱或20世紀初的黑金(石油)熱,21世紀全球淘金熱的主角是「綠金」—綠色能源。


常見的綠色能源包含太陽能、風力能、水力能、地熱能、氫能與生質能,其中,氫氣能源(Hydrogenic Energy)是以氫為原料,主要經電解水、蒸氣法等方式產生,透過燃料電池將化學能轉換為電力。由於氫氣每單位能量密度極高,不僅可以用於發電,用於合成氣體、燃料或產製工業原料,也能成為運輸工具的動力來源,應用範圍極廣,因此成為萬眾期待的綠能明星。


近年來航空業積極投入使用環保能源,如積極尋找可持續航空燃料(Sustainable Aviation Fuel)、氫燃料或相關電池技術,希望在2050年前能源轉型成功。一般咸認,氫動力比航空燃油更為環保,主要原因在於,氫氣燃燒時只會產生水而不會產生碳排,非常適合作為零碳航空燃料。


以色列企業Eviation Aircraft自2019年以來積極開發氫燃料全電動飛機Alice,並於2022年9月成功試飛。Alice可搭載1-2名飛行員及9名乘客,最大速度約260節,充電30分鐘約可飛行1小時,飛航距離約815公里,載重量達1,200公斤。雖然速度不快,但噪音較小,而且不會產生碳排,適用於短程通航及貨運運輸。該公司表示,Alice的營運成本較同尺寸傳統動力飛機低30-70%,預計2027年投入商用服務。



圖一 : Alice可搭載1-2名飛行員及9名乘客(source:Eviation Aircraft)
圖一 : Alice可搭載1-2名飛行員及9名乘客(source:Eviation Aircraft)

2022年11月底,易捷航空(Airline EasyJet)與飛機發動機製造商勞斯萊斯集團(Rolls-Royce)也成功以國內小型線渦輪螺旋槳發動機AE 2100-A做為測試,利用蘇格蘭奧克尼群島(Orkney Islands)的潮汐與風電產生的「綠氫」作為驅動能源,成功運行飛機發動機。未來將針對勞斯萊斯Pearl 15噴射引擎進行全面的地面測試。



圖二 : 易捷航空和勞斯萊斯集團成功測試氫動力飛機發動機(source:Rolls-Royce)
圖二 : 易捷航空和勞斯萊斯集團成功測試氫動力飛機發動機(source:Rolls-Royce)

顏色辨氫氣 料源、製程、能效、成本大不同

據統計,一架波音747大型空巴約需100萬公升的氫氣才可能支應約25萬公升噴氣燃料的航行距離,目前看來,氫燃料用於長程運輸仍有一段長路要走,加上「綠氫(Green Hydrogen)」是透過再生能源電力電解而成,雖然製程幾乎零碳,成本卻相對較高,這些都是氫能源真正普及之前需克服的問題。


工研院產科國際所研究經理石蕙菱指出,氫是分子最小的元素,多與其他分子相結合而非獨自在大氣中以自然形態存在,因此被歸類為二次能源,也就是須要經過加工轉換後才能取用的能源。氫氣的應用層面廣泛,過去多成為工業原料(如生產氨氣、鹽酸)之用,或用於半導體、電子材料製程,能源使用方式則為氫氣經燃燒或電化學產生能量以供電、供熱。


提到綠能或新能源,不得不提發電裝置燃料電池(Fuel Cell)。有別於一般非充電電池或充電電池,燃料電池可持續添加燃料以維持電力發電,所需燃料為氫,因此被歸類為新能源。燃料電池主要利用氫及氧的化學反應產生電流及水,完全無污染,也沒有傳統電池需充電的問題,市場期待它能普及應用於車輛及其他高污染發電工具,有助改善空污及溫室效應。有鑑於此,氫所扮演的角色更為重要。國際再生能源署(IRENA)早於2021年發布《能源轉型的地緣政治—氫氣部分(Geopolitics of the Energy Transformation:The Hydrogen Factor)》報告,報告指出,綠氫將是改變未來地緣政治局勢的明日之星。


根據料源及製造方式的不同,氫在製程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源產業會使用顏色區別氫,主要為灰氫 (Grey Hydrogen)、藍氫(Blue Hydrogen)、藍綠氫(Turquoise Hydrogen)與綠氫 (Green Hydrogen)。


最常見的灰氫是在高溫觸媒環境下利用水蒸氣與碳氫化合物反應轉換出氫氣,成本較低,但碳排較高;藍氫是利用碳捕捉技術將氫氣所排放的二氧化碳回收封存;藍綠氫則是在生產氫氣的過程中利用熱裂解技術,在氫氣分離之際使二氧化碳直接形成固體碳儲存;綠氫的生產方式多為利用過剩的再生能源(如太陽光電或風力發電)在電解槽中水電解取得氫氣與氧氣,製程中幾乎零碳,而且綠氫燃燒時不會產生碳,只留下水蒸氣,所以相對環保,非常適合做為綠色替代能源。


石蕙菱分析,灰氫的優點是技術成熟,成本相對便宜,缺點是含大量二氧化碳,不符國際減碳趨勢;藍氫的優點是製程中的碳排量可以有效降低,符合國際需求,缺點是封存與再利用機制(CCSU)技術成本較高;藍綠氫的優點是可有效降低製程中的碳排量,而且二氧化碳為固體,不會散發至大氣中,便於儲存,也可以用於煉鋼等其他用途,缺點是熱裂解過程中需要大量燃料或能量才能產生熱能,整體能效低且技術成本高。


綠氫的優點是製程幾乎無碳排,生產規模較具彈性,還能協助整合再生能源,缺點則是水電解轉換效率僅約70-80%,整體能源利用低,加上電解槽裝置成本較高,使綠氫的製造成本居高不下,是其他氫氣的3-8倍。


此外,也有以氣化法透過煤炭製造的「褐氫」(Brown Hydrogen),但是碳含量最高,若使用黑煤作為料源,生產成本甚至高於天然氣,一般工業用氫較為少用。



圖三 : 根據料源及製造方式的不同,氫在製程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源產業會使用顏色區別氫。(source:能源教育資源總中心)
圖三 : 根據料源及製造方式的不同,氫在製程中的碳含量或排碳量也有所不同,一般能源產業會使用顏色區別氫。(source:能源教育資源總中心)

產官學研團積極打造「台灣氫谷」

國際能源署(IEA)指出,2050年全球若想實現淨零碳排,氫能應用於發電、載具、工業及建築等占比應達全球整體能源供給比例的13%。由於氫燃料電池在能源轉型中占據重要位置,美、歐、日、中等國已將其納入國家戰略,如美國能源部提供6,400萬美元於氫研究,推動氫能與燃料電池技術,其中,加州已通過約20億美元的延長潔淨能源汽車與燃料補貼法案,2023年前編列每年2,000萬美元建設加氫站,2025年加氫站目標為200座。看好氫能源發展,美國總統拜登已於今年10月宣布總金額高達70億美元的聯邦補助計畫,選定7個氫能投資案,如亞馬遜(Amazon)及埃克森美孚( Exxon Mobil)共同參與的氫能計畫即為其中之一。


台灣也將氫能納入12項關鍵戰略,並且制訂氫能發電、氫氣供應、氫能載具等短中長期目標。不過,台灣綠電主要倚重太陽光電與風電,受氣候條件影響較大,綠電併網後的穩定性也成為另一項待克服的挑戰,因此,台灣的淨零轉型更有賴新能源、儲能與系統整合等技術助戰。


此外,「台灣2050淨零排放路徑」將2050年氫能目標占比訂為9-12%,但是台灣法規中,氫氣仍屬於工業副產物或工業製程原料,需修訂《能源管理法》方能視其為「能源」,並須進一步訂定「氫能管理專法」,針對氫能進口、產銷、設置、安全及無碳認證等範疇予以規範。雖然法規有待時間催化完善,台灣產官學研團早已積極搶灘氫能與儲能發展,努力打造「台灣氫谷」。


台灣的氫氣幾乎100%需要進口原料製造,工研院預估,2050年氫氣需求約385萬噸、氨約315萬噸,其中,氫氣進口約75%、自產約25%。目前台灣已有六大企業集團或國營事業投入氫能布局或儲能業務,如台塑、台泥、台肥、中油、台電、聯華等,積極搶進上兆美元市場大餅。其中,台灣中油近期將配合氫能載具,引進可移動式加氫站,積極建立台灣氫能供應鏈,未來發展鎖定「先藍氫、後綠氫」。


目前評估以天然氣為進料,透過重組製程產製小型製氫工廠,並同步搭配CCUS技術;台電則鎖定2025年興達電廠3號機達5%混氫發電。今年10月登場的「台灣國際智慧能源周」與「台灣國際淨零永續展」中,台塑、台泥均展示了「儲能」最新成果。


台灣工研院領軍百餘家台廠於氫能相關技術的研發與製造,新創團隊氫豐綠能科技股份有限公司即以氫燃料電池金屬板電池技術及餘氫發電等相關技術,投入潔淨能源發電應用及工業餘氫再利用等領域,希望串起國內氫能產業鏈,同時建立台灣氫能與燃料電池夥伴聯盟。



圖四 : 工研院新創團隊氫豐綠能投入潔淨能源發電應用及工業餘氫再利用領域(source:工研院)
圖四 : 工研院新創團隊氫豐綠能投入潔淨能源發電應用及工業餘氫再利用領域(source:工研院)

氫豐綠能未來將透過技轉方式協助發展台灣氫能發電關鍵技術、培養維運能力並累積運轉經驗。國產燃料電池金屬板電池組是該公司的關鍵技術之一,電池組是以高導電、高抗蝕的覆碳鍍層技術,透過智慧產線製造組裝,製成瓩級金屬板燃料電池組,組裝產品功率逾30kW,與業界常見的石墨雙極板燃料電池相較,更為輕薄也更具成本競爭力,有助降低燃料電池價格,同時提升國際競爭力。


第二項關鍵技術是領先全球的混氫燃料電池系統,即便是純度不高的混氫也能搭配空氣產生電力,同時產生熱水。看好氫燃料電池零碳排與續航力超強的特色,未來該公司也將積極將觸角延伸至氫能交通載具的應用及推廣。



圖五 : 氫豐綠能的混氫燃料電池系統(source:工研院)
圖五 : 氫豐綠能的混氫燃料電池系統(source:工研院)

過去大家對燃料電池的認知是氫氣純度要99.99%純氫發電,但台灣半導體、石化業在製程中多會產生工業副產氫,雖然氫氣純度僅約50%,但回收氫氣再透過氫燃料電池的混氫發電系統,也可以發電。氫豐綠能公司董事長李鈞函指出,公司的關鍵技術可以讓石化業或半導體業更放心地使用工業副產氫發電,而不是加入天然氣燒掉或排掉,與其燒掉副產氫,不如用來發電,一方面可以降低碳排,再方面可以增加電費收入,讓副產氫變得更有價值。


氫能應用場景多元,被視為最具潛力的新能源。除了前面提到的航空業積極投入氫能轉型,汽車業也不遑多讓。以台灣為例,台灣政府公布的淨零路徑規畫預計氫能載具於20230-2030年間完成示範運行。和泰汽車總經理蘇純興表示,台灣未來要實現淨零排放願景,氫能是不可忽略的選項之一,日本更是氫技術運用的領先者,並以全球首個「氫經濟體」作為國家發展目標。


為實現淨零排放,比純電動車更乾淨的氫能車是重要選項。相較於純電動車充電時間較長,氫能車「加氫」約5-10分鐘即可加滿。以豐田TOYOTA Mirai為例,加氫5分鐘內即可充滿,可行駛750公里。豐田也陸續推出行駛過程中只會排出水的氫能電動車(FCEV),如氫能小客車、氫能巴士、氫能堆高機等。不過,氫能源車或載具的致命傷仍在於價格太高,如氫能巴士售價約台幣2,000-3,000萬元,價格是同級電動巴士的2倍以上;氫能乘用車的售價逾台幣200萬元,價格是純電動車的1.5倍。


隨著2050年的逼近,全球「氫能戰」只會越來越白熱化,未來氫能源能否成為「普級綠能」,有待時間、技術催化,如果政府能適時補助與補位,鐵定是最佳「神隊友」,有助國家隊及早達陣得分。


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