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全球氫能技術與建設正當紅
從運輸動力走向替代能源
[作者 盧傑瑞]   2023年11月26日 星期日 瀏覽人次: [1533]

當氫與氧結合時,會產生大量能量,這些能量可用於發電等等。由於氫能在使用時還具有不排放二氧化碳的特點,因此已經被視為是替代化石燃料的新能源。


由於氫原子的高活性,氫氣不存在自然界中,而是以化合物,如水、甲烷之形態存在。地球表面的氫原子大部分以海水的形式存在,氫分子必須透過工業製造才能更進一步的獲得氫能源,雖然氫氣本身雖然不含碳,但獲得氫氣的原料或轉換製程仍會衍生碳排,其來源將影響減碳效益。因此如何在不排放二氧化碳的方法下,來大規模生產氫氣,已成為現階段技術的研究重點。


透過顏色來區分各種製程的氫氣產物

氫是構成各種物質的重要元素。可以透過化學分解這些物質來提取氫氣,方法也有很多種,例如工業上,生產方法有水電解法和天然氣化學分解法。


進行電解水時,由於淡水的導電能力較差,因此在電解前比需加入氫氧化鉀等電解質(固體高分子電解法)。此外,也可以利用水電解從海水中提取鹽,並在製鹽過程中獲得副產品的氫氣(圖一)。



圖一 : 利用電解方式來獲得氫氣能源。(source:日本三井物產)
圖一 : 利用電解方式來獲得氫氣能源。(source:日本三井物產)

在天然氣的化學分解中,則是透過天然氣中所含的甲烷(CH4),與水蒸氣反應來獲得包含氫氣的大量氣體,這時就需要透過特殊設備來提取氫氣。除了這些方法之外,還有一種類似天然氣化學分解的方法,透過生物質在高溫下分解,所產生的氣體再與水蒸氣反應後而獲得氫氣。


通常氫氣多以顏色來區分製成的不同。利用碳氫燃料重組獲得的稱為灰氫,碳排為約12 kg CO2/kg H2。煤氣化、熱裂解、水解等方法獲得的氫氣稱之為褐氫,碳排為5 kg CO2/kg H2。利用再生能源或核能進行電解水製成的氫氣,被稱為綠氫。


最後,在灰氫生產過程中產生的二氧化碳,將其收集後儲存在地下,一般認為這並不排放任何二氧化碳,因此用這種方法生產的氫氣被稱為「藍氫」。目前生產的氫氣中95%以上是灰氫,因此未來有必要減少灰氫的比例,來降低碳排放。


日本氫能擴大到電動車、住宅與核能

以氫能做為燃料的電動車(FCV)也被開發出來,雖然是以氫能當做燃料,但並非和汽油一樣是使用內燃機,而是透過燃料電池的與氧氣結合交換來產生電力。不僅小型車,目前使用也開始出現使用燃料電池的大型卡車。最大特點除了,不再使用內燃機和無需充電之外,在行駛時完全不排放二氧化碳。


目前在日本,已經有使用氫能源的「燃料電池巴士」、「燃料電池卡車」和「燃料電池踏板車」在道路上行駛。根據日本產經省的統計,預計在2030年使用燃料電池作為動力的電動車將超過80萬輛。


此外,針對個人或家庭用的小型設備方面,目前已有利用氫能作為主要燃料的發電機,這是一款由Panasonic在2009年,推出的家用燃料電池發電機Ene-Farm。根據日本產經省的統計,在2019年ENE-FARM的銷售量超過28萬台,預估到2030年,這一數字將達到530萬台。


關西電力嘗試在核電廠生產氫能

日本主要發電城市之一的福井縣敦賀市,雖然有著日本原子力株式會社的敦賀發電廠1號、2號機組,以及北陸電力株式會社的敦賀火力發電廠。但是在東北地震後所造成的不安感下,在面對「零碳」基本政策時,設置新核電廠已經不再是首選,而是轉而轉向考慮同樣不會排放二氧化碳,包括再生能源和氫等能源多樣化的可能性。


敦賀市政府於2019年,在公設區域設置的「敦賀氫能源站」,利用站內的太陽能發電系統生產氫氣,供應給燃料電池汽車,或儲存在稱為Cadre的特殊容器中,可在需要時使用(圖二)。



圖二 : 一名駕駛將氫能源站的氫氣燃料加入電動車中;為電動車補充氫氣燃料(左)及儲氫Cadre(右)。(source:日本產經省)
圖二 : 一名駕駛將氫能源站的氫氣燃料加入電動車中;為電動車補充氫氣燃料(左)及儲氫Cadre(右)。(source:日本產經省)

致力於利用核能生產無碳氫

長久以來,敦賀市就是通往日本內陸的門戶,更擔負著敦賀港的交通樞紐,遍佈著通往關西、中京、北陸的陸路、鐵路、高速公路等。因此,敦賀市政府相信未來使用氫能的長途運輸大型卡車的數量將會增加,在這種情況下,市政府決定將重點發展零碳氫化合物能源,並且也啟動了一個利用核電廠的新氫計畫。


這是日本首次利用關西電力自有核電廠生產的電力生產核氫的試驗性運轉。因為核電與再生能源一樣,是一種不排放二氧化碳的能源,因此核電產生的氫也是無碳氫化合物。


由於關西電力了解到敦賀市正在努力創建多個核心產業,並建立能源多元化的氫能源供應鏈,因此決定合作創造名為「核能發電氫」的清潔能源。


在本次規劃中,利用關西電力核電廠產生的電力,透過輸配電網路供應至敦賀氫氣供應站來製造氫氣燃料,並透過追蹤從核能發電電力到氫氣使用的一系列能量流,來證明出供應站中得氫氣燃料,是利用核能發電電力生產的(圖三)。



圖三 : 透過關西電力核電廠所產生的電力,來提供生產氫氣時所需要的電力。(source:關西電力株式會社)
圖三 : 透過關西電力核電廠所產生的電力,來提供生產氫氣時所需要的電力。(source:關西電力株式會社)

EnBW與西門子合作實現氫能發電

德國能源巨擘EnBW與西門子能源在2022年宣布,雙方將共同推廣使用綠氫作為發電燃料。這一項重要的試驗計畫將在EnBW位於巴登-符騰堡州斯圖加特的區域供熱廠進行。此外,斯圖加特市附近還有一座區域供熱廠,從煤炭改用天然氣後,該地區將不再使用煤炭發電或供熱。這預計將在2026年左右實現。


該工廠計劃採用西門子能源公司的兩台最先進的燃氣渦輪機,這部渦輪發電機可將高達75%的氫進行混合後進行燃燒。EnBW期望在三年內將所使用的燃料從煤炭轉換為天然氣,並且在轉換時,所有設備的建造方式將最終能夠從天然氣轉換為100%氫氣。這2台渦輪機的輸出功率各為62MW,足以取代目前的三台燃煤鍋爐,預計綠色氫能電力將在10到12年內問世。


這台渦輪發電機是採用西門子能源所開發的DLE技術,DLE技術的本質是在燃燒前混合燃料和空氣,以精確控制火焰溫度,從而控制產生氮氧化物排放的化學過程的速率。但是氫氣的較高反應性卻會給給DLE系統中的混合技術帶來了特殊的挑戰。因此,西門子透過了渦流穩定火焰與稀薄預混相結合來實現低NOx且無需稀釋燃料,但如果希望將氫氣量推至超過50%甚至高達100%,則需要更改硬體和控制系統,例如新的燃燒器設計。


圖四 : 西門子的DLE工業燃氣渦輪機可以100%使用氫氣來發電(source:西門子能源)
圖四 : 西門子的DLE工業燃氣渦輪機可以100%使用氫氣來發電(source:西門子能源)

新加坡至2050年50%的電力來自於氫能

新加坡在2030年初宣布了一項策略,計畫到2050年時,發電燃料的一半將採用氫能,期望透過支持氫發電廠和供應網路的商業化,以降低目前對天然氣高達90%以上的依賴度,並且實現國家零碳排放的目標。同時新加坡的能源市場監理局開始製定法規。並向業界提交了一份法規草案,要求新建或更新的燃氣發電廠的設備能夠將至少30%的燃料與氫氣混合併燃燒。不過,這項計畫可能會對高度依賴煤炭的鄰國的能源政策產生影響。



圖五 : 新加坡計畫在2050年達到50%氫能發電(source:日本日經)
圖五 : 新加坡計畫在2050年達到50%氫能發電(source:日本日經)

新加坡副總理黃循財曾在國際能源相關會議上表示,「氫能源將有可能成為下一個尖端領域」。如果技術創新取得進展,他相信到2050年,氫氣可以滿足多達一半的電力需求。


因此吸引了全球相關能源企業投入,例如目前當地最大的跨國企業-吉寶集團 (Keppel Corporation)正與日本的三菱重工、IHI等海外公司合作,希望能協助新加坡政府達到此一目標。吉寶計畫在該企業位於裕廊島的Sakra Cogen工廠,建造新加坡第一座氫能發電廠。總建設成本約7.5億新幣。發電量60MW,相當於一座中小型規模的核電廠。該廠初期將採用天然氣提供動力,預計於2026年上半年啟動後,氫氣的添加量將逐步增加。


亞洲成為最大的氫氣能源使用區域

亞洲必將成為全球最大的氫氣能源消費區域。根據氫能委員會和麥肯錫的報告顯示,2050年全球氫及衍生產品的需求量將達到6.6億噸。光是中國、日本、韓國、印度四個國家就佔了總數的40%以上。日本和韓國預計將透過進口滿足大部分需求,與氫氣生產國合作建立運輸方式並發展供應網絡。


圖六 : 亞洲區域對於氫氣的需求急速增加(source:氫能委員會)
圖六 : 亞洲區域對於氫氣的需求急速增加(source:氫能委員會)

而澳洲正在成為氫氣生產和出口的主要參與者。儘管日本是其煤炭和天然氣等化石燃料的主要出口國,但在2019年制定的國家氫能源戰略,並著眼於朝向零碳過渡,目標是到2030年成為主要出口國。有多個計劃在昆士蘭州和塔斯馬尼亞州等州建立氫氣生產和出口基地,澳洲政府投資總額為5.25億澳元。包括鐵礦巨頭Fortescue Metals Group,而石油天然氣巨頭Woodside Energy Group也計劃在澳洲生產氫氣。


氫能的未來與不足點

目前全球能源產業都能了解氫能的優點,但常見的製程技術,是從化石燃料產生氫氣,在製造過程中會排放二氧化碳。不過,如果未來能夠使用再生能源來供應製造氫氣所需的能源,就有可能獲得不排放二氧化碳的氫能源。


然而,由於氫氣具有腐蝕和脆化金屬的特性,它不可能像天然氣一樣儲存。因此,需要特殊的容器來儲存氫氣,而這些週邊設備更是成本負擔的一個重大因素。


高能源效率也意味著發生事故時造成的損失可能更大。與汽油一樣,氫氣引發事故的風險也不能說為零。


為了正確、安全地管理氫氣,更重要的是被儲存的氫氣完全不能有洩漏的風險、所以「檢測」是否有洩漏以及「不允許洩漏的氫氣殘留」等機制,是當前最急迫發展的技術。


另一方面,氫氣除了能源效率相當高之外,更可以從多種資源中生產,因此對於能源資源匱乏的國家相當受到關注,因為它可能大幅降低對於能源採購和依賴進口的問題。


不過,發展氫能產業更重要的一個問題,是氫供應鏈不夠發達。氫氣在氣態時單位體積的能量密度較低,需要大容量的儲存槽來儲存。而且為了保持液態,必須維持在-253℃的超低溫下,因此以目前對於儲存和運輸的技術能力而言,並不能說是非常高效的。此外,雖然部分國家已經開始安裝供應氫氣的「氫能供應站」,但可見率仍舊是相當低。


因此期望氫能可以成為下一代主力能源,正面臨的多方面的挑戰,在需求端最急迫的是如何擴大燃料電池汽車(FCV)的普及,而在供應端則建立供應鏈並確保氫氣的穩定供應。


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