台灣氫能發展實務

政府多元化新能源開發

文／曾重仁　國立中央大學工學院能源研究中心主任、台灣氫能與燃料電池學會 理事長

　　由於全球暖化及氣候變遷的影響，各國政府紛紛於2015年《巴黎協定》中承諾，將全球平均氣溫升幅控制在低於2 °C之內，並希望進一步限制在1.5 °C內，期望於2050年實現全球碳中和（carbon neutrality）目標。於2021年5月18日，國際能源署（International Energy Agency, IEA）發表了一份全球能源系統達到淨零排放的預測路徑分析報告「2050淨零：全球能源部門路徑圖（Net zero by 2050: A roadmap for the global energy sector）」，分析達到減碳目標所需的行動和時程；此外，報告中進一步分析了低碳技術的發展，對經濟和能源產業、全球自然資源開採、能源安全等不同面向的影響，並提到以現有減碳技術可貢獻至2030年，而到2050年則有將近一半的技術目前僅處於原型或示範階段，因此各領域專家學者紛紛成立研發團隊積極開發再生能源相關技術，包含太陽能、風力、氫能、生質能源等潔淨能源已達到永續發展和碳中和目標（IEA, 2021: 1-222）。

　　目前全世界已有超過130個國家及地區承諾於2050年實現淨零碳排目標，而台灣也於2021年宣布將於2050年達成淨零碳排的目標，並於2022年3月30日發表跨部會聯合編製的「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」，報告中以台灣電力年均成長2%左右進行規劃，至2050年電力需求增幅將超過50%，各項電力占比分別為60~70%的再生能源，9~12%的氫能，20~27%的火力發電，並有搭配碳捕捉技術。其中電力需求的增長包含其他含碳能源使用的電氣化，例如：加油汽車被電動車取代、瓦斯爐灶改用電灶等，報告最後提出了12項關鍵戰略，如圖1所示。氫能在其中扮演重要角色，最終將使進口能源依存度由97%降至50%以下（國家發展委員會等，2022：70）。IEA在「氫能未來（The Future of  Hydrogen）」報告中也指出，氫能將為能源的來源之一，可減少碳排放，同時氫氣應用廣泛，可取代現有燃料或材料並能提供電力（IEA, 2019: 1-199）。

圖1臺灣2050淨零轉型之12項關鍵戰略

資料來源：（國家發展委員會等，2022：70）。

　　氫能可視為儲能方法之一。當再生能源於電網中的占比逐漸增加，太陽能、風能等再生能源，其發電過程受地理環境、氣候等因素之影響，具有間歇性及不確定性，在不同時刻會造成電力過剩或短缺，故需有儲能設備儲存與補償。一般比較為國人熟悉的鋰離子電池，具有能快速反應的特性，非常適合短時間儲能之需求，但在大尺度與長時間的儲能方面，氫能將扮演更重要的角色。

　　氫能是具有高度應用彈性的能源系統，參見圖2所示，當電力過剩時可藉由電轉氣（Power to gas, P2G）技術電解水產氫（反應式：2H₂Oà2H₂+O₂），將電能不斷轉換為氫氣，以化學能形式儲存，而當電力短缺時則利用P2G的逆反應，將氫氣持續通入燃氣輪機或燃料電池中持續產生電力與熱能。

　　氫氣除了可用於發電外，也可取代傳統化石燃料應用於交通載具與取暖、加熱，亦可作為化工、煉鋼與煉油之原料，幫助相關產業達成低碳轉型。天然氣（分子式：CH₄）或生質氣等也屬於含氫燃料，可經由蒸氣重組、純化等技術轉成氫氣、一氧化碳與二氧化碳，再搭配碳捕捉技術也是零碳排能源。另外無碳的氨（分子式：NH₃）也是作為氫元素載體的候選物質。氨氣運用廣泛，除了可加熱分解為氫氣外，也可直接用於合成尿素，用於農業肥料與柴油尾氣處理、燃煤電廠混燒減碳、以氨燃料電池直接產電等。國際氫能委員會估計到2050年為止，氫能將占世界整體能源需求的18%，使二氧化碳每年減少排放60億噸，氫能及相關市場規模將超過2.5兆美元（Hydrogen Council, 2017:7-74）。

圖2氫能應用之架構

資料來源：修改自（Hydrogen Council and McKinsey & Company, 2021b:15）。

　　除了利用技術外，氫能範疇尚包含產氫、儲氫及運送氫氣等技術。產氫的方法有很多種，國際上依不同製程以不同顏色歸類氫氣如表1所示（氫氣實際上是無色的，顏色僅代表製程差異）。目前世界氫氣90%以上皆為使用化石燃料所生產之灰氫，未來化石燃料產氫製程將逐漸引入碳捕捉技術以避免碳排放與被課徵高額碳稅，此類氫氣被稱為藍氫。以各式再生能源電解水產氫則為零碳生產潔淨氫氣的最重要方法，稱為綠氫。藍綠氫為直接以甲烷熱裂解產生氫氣，並可得到有經濟價值之固體碳等副產物，同樣無二氧化碳排放。國外已有公司投入研發，國內中研院也有投入。使用核能之技術生產的氫氣被稱為粉紅氫。

表1氫氣的「顏色」

資料來源：整理自（IEA, 2019: 1-199）與（Lei, 2022）。

　　淨零碳排的氫能在世界各國與不同地區發展有著不同優勢，例如綠電充足地區將成為未來的綠氫輸出者，如澳洲、智利、沙烏地阿拉伯、北非等。過去幾年已有多個大型綠氫計畫被宣布，預估2030年氫氣年產量將達1,800萬噸，其中的綠氫相當於93GW綠電。

　　傳統天然氣生產地區則可搭配碳捕捉與封存技術降低碳稅影響，也可成為氫氣供應方，將供應給能源需求中心，如北美、西歐、東亞等地區。而缺乏再生能源或天然氣地區，如日本、韓國與台灣，將倚賴進口氫氣。

　　國際氫能委員會報告預測2030年，以運輸距離8,000公里左右，如智利到美國、沙烏地阿拉伯到歐洲、澳洲到日本，分別以不同儲氫技術，如氨、液氫、液態有機氫載體（LOHC）運送，綠氫生產並運抵到港價格可降至3.2~4.4美元/公斤，其中綠氫生產價格約1.6美元/公斤左右，儲運則占約1.8~2.7美元/公斤（Hydrogen Council and McKinsey & Company, 2021a:24）。

　　氫氣到岸後主要運輸方式有兩類，一為運氫車輛，將高壓或液化氫以罐裝拖車運送至目的地，二為供氫氣管線，或是注入現有的天然氣管線。歐洲因為具發達之天然氣管線系統，可直接將不超過總體10%的氫氣混入天然氣管線輸送，在不影響管線的安全性下，又提升天然氣的燃燒效能（石蕙菱，2021）。台灣地理與經濟特性與日韓相近，自身再生能源較難有固定盈餘用於產氫，所以未來也需進口綠氫或藍氫，故應逐步規劃與建設氫能相關之接收與儲運等基礎設施。除了產氫之外還有工業上的製程餘氫，如半導體廠EUV機台設備需使用大量氫氣，此用過的氫氣純度仍然相當高，可以用來發電以提供部分之廠內用電（洪友芳，2021）。

　　與鋰電池相比，氫氣在儲能方面的優勢之一為不會有電池自放電的問題，所以較適合長時間儲存。氫氣的儲存可分為物理儲存、材料的物理吸附儲存與化學儲存。物理儲存是將氫氣壓縮至高壓狀態儲存於高壓容器內以減少體積，目前此技術相對較為成熟。儲氫容器分為五種類型，

• 第一型為全金屬製容器，最常見且便宜，但較重，最大儲氫壓力約200 bar。
• 第二型為玻纖複合包覆的金屬容器，較第一型提升50%成本，但降低30~40%重量，可承受壓力約為300 bar。
• 第三型為全複合包覆金屬內襯容器，主要以（碳纖維）複合物包覆於（鋁）金屬內襯，此類容器重量較輕，可耐壓450~700 bar，成本較第二型提升一倍。
• 第四型為全複合材質容器，通常以高密度聚乙烯（HDPE）作為內襯，碳纖或玻纖複合物為包覆材料，是最輕型的且可耐壓700 bar。
• 第五型則為無內襯全複合材質容器，是尚在研究開發階段的技術（Moradi & Groth, 2019: 12254-12269）。

　　物理儲存也包含將氫氣降溫（<-253 ^oC）液化後儲存，如日本Kawasaki公司建造了日本第一艘液化氫運輸船，並將液化氫容器應用在陸路運輸液化氫（Kawasaki, 2019），可將大量液化氫帶到消費地點。但目前液態氫儲存仍有自然蒸發問題，不適作為長期儲存之用。材料物理吸附儲存則是在容器內裝填氫吸附材料，材料與氫以凡得瓦力交互作用吸脫附。化學儲存則是將氫元素化合為含氫物質如氨、硼烷氨、金屬氫化物、LOHC等。日本提出的LOHC技術，可通過液態甲苯和液態甲基環己烷之間的相互轉化，實現氫氣的安全存儲及運輸（Hydrogen Council and McKinsey & Company, 2021a:2-42）。

表2各種儲氫技術之優缺點比較

　　在零碳轉型的過程中氫能將扮演重要角色，台電已有針對燃煤混氨與燃氣混氫的發展計畫（鍾泓良，2021），目前興建中的大潭電廠8號與9號機組即為美國通用（GE）新型的可天然氣混氫共燒之燃氣輪機複循環機組，未來興達與台中電廠也將部署此類可混氫共燒的燃氣輪機複循環機組（GE, 2020）。GE此型燃氣輪機7HA.03目前最高可混燒50 %氫氣，未來機型將可使用100 %氫氣為燃料，達到零碳排之目標。中油作為台灣最大能源供應商，近年積極轉型，並且將最終的能源供應設定為氫能，將著手規劃與建設氫氣接收、輸運，目標在2040~2050年達成「氫淨家園」（林昕潔，2022）。

　　上述介紹的氫燃氣輪機發電是屬於集中式發電。另一受矚目的氫能發電技術是透過燃料電池將氫的化學能直接轉換為電能，是一可高度模組化之分散式發電系統。台灣過去20年來已在燃料電池領域打下良好的基礎，世界高溫型燃料電池發電系統之領導廠商Bloom Energy有超過一半的零組件是由台灣的高力熱處理、保來得、康舒、宏進等廠商所提供的。

　　在具氫氣需求之產業園區，如半導體廠區，可在廠內建置P2G設備，強化調節再生能源間歇性供電之能力，提升廠區電力品質，並能因應未來自有再生能源提升到一定占比後，發電尖峰餘電問題，可將餘電用於產氫，如亞東工業氣體投資於台南建設的電解水產氫廠，將提供台積電高純度氫氣（劉光瑩，2021）。

　　此外，也可異業結合，如中油可提供中鋼氫氣，將煉鋼時產生的大量副產物一氧化碳與二氧化碳轉化為甲烷、甲醇等具經濟價值的化工產品（傅珮晴、錢玉紘，2021）。煉鋼廠所製造的碳排約佔全世界碳排之5-8%，因為煉鋼過程需使用焦炭作為還原劑。瑞典的煉鋼廠HYBRIT 於2020年8月正式啟動計畫（Carpenter, 2020），將在2024年前完成試驗計畫，改用綠氫當還原劑煉鋼以去除碳排。中鋼也可考慮進行類似之計畫。

　　當氫能在社會發展具有一定規模後，可進一步將其導入其他部門發展，如可使用部分氫氣投入交通領域，減輕純電動車對電網之壓力，並使氫能技術擴及各個領域，逐漸邁向2050淨零排放的願景。

參考文獻

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