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氫:未來的潛力能源

2016 年 08 月 01 日

作者 / 賴志遠,國研院科政中心

氫的原子序數為 1,化學符號為 H,在元素週期表上排列第一位的元素,其原子質量為 1.00794u,為目前已知最輕的元素,也是自然界含量最多的元素。氫在常溫常壓下,是一種易燃、無色無味無臭的氣體,其燃燒的焰色呈藍色不易被肉眼發現,且當氫氣濃度以 4~74% 與空氣混合時即容易產生爆炸,具一定的危險性。氫的分佈很廣,水、土壤、石油、天然氣及生質體內均含有氫,而在宇宙中,氫是含量最多的元素。

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圖片來源:國研院科政中心

氫的能源潛力

氫能源是一種潔淨能源,但是嚴格而言,氫不是一種能源,它只是能源載體 (energy carrier),跟我們熟知的能源,如:石油、天然氣、煤炭等相比,這些傳統的化石能源在燃燒產生電力或動力後就消耗了,而氫氣燃燒後會排放水 (H2O),因此它可以重復的使用。氫的來源非常復雜,包括水,生質材料、化石燃料都是氫的來源之一。產氫的方法及技術非常多樣,從傳統煉鋼廠、煉油廠生產過程中之煤炭和石油中的烴 (碳氫化合物) 會產生氫氣,這是副生氫氣,以往通常會被廠商排放掉,如今已經有很多廠商蒐集氫氣作為副產品販售。

此外,化石燃料,如:天然氣、石油、煤炭都富含大量的烴,能在高溫高壓的環境下經過觸媒轉換器與水蒸汽產生氫氣;而最廣為人知的,就是透過電解水製造氫氣。以目前熱門討論的再生能源-氫能系統為例,再生能源以太陽、風力或生質材產生電力,電解水產生氫氣,而氫氣可供燃料系統發電或產生熱,其副產品為水,因此這是一個再生循環的永續系統。

而在應用面上,以氫作為燃料使用,將不須要擔心使用這類潔淨能源所產生的排放物污染環境問題,以氫燃料電汽車 (Fuel Cell Vehicle,FCV) 為例,FCV 車引擎產生動力後所排放的是水,因此不會像使用柴油或汽油的汽車會排放氮化物 (NOx)、一氧化碳 (CO)、碳氫化合物 (HC)、硫化物 (SOx)、微粒等會破壞環境空氣品質及影響人體健康等問題。

基本上,氫可以說是未來 2030 年後所能找到的能源永續運用及解決環境破壞問題之完美解答之一。

氫與其他能源比較

氫與其他能源的比較,有優點也有不足之處,譬如氫的原子序數小,在存儲的過程中很容易滲透金屬,造成金屬「脆氫」現象,因此必須慎選儲氫的材料,氫易燃且濃度提高到一定程度後容易自爆,燃燒焰色呈藍色不易被肉眼目視,有一定的危險性。

自然界沒有純氫,氫多存在於水或其他的化合物,因此要使用氫氣必須經過提純製備,以電解水產氫為例,2.95 度電能生產 1m3 的氫和 0.5m3 的氧,這也使得氫的成本目前仍無法降低。但氫的燃燒熱值 (heat of combustion) 比石油高三倍,是目前已知能源燃燒效率最高的,因此使用氫作為運輸載具的燃料有其優勢所在。

氫的優點:

  1. 存量豐富且來源多樣化
  2. 對環境友善
  3. 燃燒效率高
  4. 可再生

氫的缺點:

  1. 成本較石化燃料高
  2. 易燃、安全疑慮
  3. 存儲運輸不易

國外對氫的想法與態度

對於氫的開發應用,國際上的態度也是積極的,國際能源署 IEA (International Energy Agency ) 於 2006 年出版了「氫生產與儲存研究優先順序與缺口」報告,對氫能源的發展佈局定了一個以產氫的設施架構為主超過30年的架構,報告中認為在過去的約 10 年間 (2003~2015年),市場上的製氫及儲氫主要是以分散式的體系為主,這是因為製氫設備仍然是以小型化的機器為主,且人們對氫能的安全性接受度不強以及生產技術仍在發展階段的狀況下,市場對氫設備的接受度需要一段時間教育及認同。

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圖片來源:國研院科政中心

之後進入第二階段,市場對製氫的原料開始多元化,會嘗試使用更多石化燃料,如:天然氣、煤、石油類的碳基化合物作為製氫的原料,而相關的產品及設備也會逐漸出現在市場,並成為發電基礎設施或氫燃料的來源之一,爾後在市場對氫能的接受度提高後,大量生產氫氣或氫能的設施將成為主流,原來的小型化分散式生產方式將轉化為大量產氫的基礎設施為主,這種以再生能源或核能進行電解水產氫的技術或設施才能滿足人類對氫能的需求。因此部份的專業機構認為氫能源的推廣將在 2030~2040 年到達成熟期。

在開發氫能源作為代替化石能源的態度及行動上,日本是目前國際上已知最積極的國家,日本能源幾乎百分百進口,倚賴中東產油國及其他能源大國甚深,而褔島危機又讓日本民眾對核能產生更大的疑慮,因此能源安全一直是日本政府最關切的政策課題之一,而氫能源可能是目前已知最符合日本社會及民眾預期的候選替代能源,因為相較其他的再生能源,氫原料來源受國外控制的可能性是最低的,同時在氫能源應用的開發上,日本產業界在氫燃料電池車的開發已經取得最具優勢的成果。

此外各國在氫能源的推動上也是不遺餘力,希望在未來取代化石能源的開發競爭上能取得一席之地。中國在氫能的開發運用上,也投注了一定的心力與資源,將氫燃料車與純電動車、混合動力車作為發展目標,期望在 2020 年能與國際水準同步,對氫能的開發上主要準中在氫製備、儲運及加注技術為主。

其他國家如德國在 2014 年 9 月內閣通過「電動車法」(electric mobility law,EmoG),內容包含了未來德國要推動的電動車定義,納入的車型包括:全電池電動車、插電式電動車、燃料電池車等三大類,氫能作為潔淨能源則被納入燃料電池車的推動項目下,同時德國由交通、建築與城市部主導 (BMVI),結合國家創新計畫 (NIP) 的氫與燃料技術開發項目,共投入約 4 千萬歐元於加氫站的輔助與建設;而挪威也在 2014 年正式啟動 H2OSL 項目,把氫能作為發展項目。而法國則把氫能開發納入「新型工業國家」計畫項下,而美國、英國加拿大等國均將氫能視為未來重要的能源選擇,而投入一定的資源。

圖片來源:Toyota
圖片來源:Toyota

氫能,未來能源的完美解決方案

氫能源的發展,在目前化石原料逐漸枯竭的危機下,而其他的再生能源仍有來源不穩或是成本問題,以目前能夠解決發電、運輸、環境保護三大前提的,氫能是眾多學者認可的完美解決方案。不過,氫能源的應用也不是完全沒有雜音,特別是在交通運輸體系上,純電動車與燃料電池車的爭議,例如:美國特斯拉與日本 TOYOTO 的氫燃料車何者對環境更友善,以及何者更為低碳的爭議與比較。

台灣目前對氫能,如:氫燃料汽車、機車、各類新型的燃料電池的開發仍持不一的態度,針對這些未來 15 年氫社會來臨後,將成為市場主流產品的技術或各類儲氫材料,與運輸系統將大幅調整為適應氫能的基礎建設需求及市場需求,台灣的因應措施為何呢?台灣四面環海,氫能來源多樣化其中最方便的一種就是水,因此比較其他的能源、如:核能、生質能、化石能源等,運用氫能將使台灣的能源安全得到更大的保障,可大幅降低對國外進口能源的依賴與需求。

參考資料:

  1. 經濟部能源局,德國柏林西區史班島「加氫站」,http://energymonthly.tier.org.tw/outdatecontent.asp?ReportIssue=200610&Page=8
  2. 賽迪顧問,日本製定”氫社會”戰略的啟示,http://www.ccidconsulting.com/sc/20140827/9600.html
  3. 日經技術在線,日本發佈氫能源白皮書,將氫發電列為第三大支柱,http://big5.nikkeibp.com.cn/news/eco/71570-201407291427.html?ref=ML
  4. 國際能源署IEA(International Energy Agency),”Hydrogen Production And Storage–R&D Priorities And Gaps”,2006
  5. InternationalPartnership For Hydrogen And Fuel Cells In The Economy,22nd IPHE steering committee (SC) meeting, 2014/12/2~3, Rome, Italy. ,「4-1-8 country updates report-Germany」
  6. 搶先開賣,傳豐田燃料電池車MIRAI將在12月推出,http://www.energytrend.com.tw/news/20141017-9641.html
  7. 日經中文網,「終極環保車」其實不環保?http://zh.cn.nikkei.com/industry/icar/13354-20150305.html
  8. 中國氫能源網,中國節能與新能源汽車發展規劃,http://www.china-hydrogen.org/cs/2012-06-04/1681.html
  9. 中國氫能源網,全國氫能標委會召開2012年年會,http://www.china-hydrogen.org/cs/2012-12-13/2198.html

 

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站未來的氫社會

 

圖片來源:https://flic.kr/p/udn3v,Created by Tracey Adams

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