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焦點專欄

再生能源展望-氫能篇

  • 發佈日期:2018/11/19
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再生能源展望-氫能篇

前言
      煤炭的使用促使第一次工業革命[註1],透過煤炭驅動機器,讓大規模工廠生產模式取代個體工廠。因為電力及內燃發動機的普及,引發了第二次工業革命[註2],在第一次與第二次工業革命中,通過化石能源的使用,提供充沛的動力來源,也奠定第三次工業革命[註3]的基石。因此煤炭、天然氣跟石油等化石能源一直被視為驅動工業革命的動力來源,這樣的時代被稱為化石燃料時代。但大量的化石能源使用,造成全球面臨著環境崩壞的邊緣,全球暖化、酸雨汙染、空氣汙染等環境問題正衝擊著全球生態環境。因此,全球各國不斷呼籲應減少化石燃料的使用,並讓人類的經濟活動朝低碳或零碳經濟發展,而再生能源的使用正是引導人類經濟活動朝低碳經濟發展的重要途徑。
      依據2015年12月所通過的巴黎協議,各簽約國達成一項重要的共識,希望將全球平均氣溫升幅控制在工業革命前水平以上低於2°C之內,並努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5°C之內。根據IRENA在2018年4月所發布的報告指出[連結1],推估至2050年全球能源相關二氧化碳排放量約為12,300億噸(Gt)/年,若以全球各國現行的減碳政策作為基礎情境(Reference Case)設定,預估至2050年時每年約可減少350億噸(Gt),推估2050年全球會升溫2.6°C至3.0°C,恐無法達到升溫2.0°C的目標。但若採取再生能源極大化之模擬情境(Renewable Energy Roadmap case, REmap case),至2050年時將可能減少251億噸(Gt)/年,推估有66%的機率將可以達成控制溫度上升2.0 °C的目標[圖1]。換言之,未來若希望能有機會達成巴黎協議的減碳目標,全球需積極採行REmap case之路線,方能使全球溫度上升控制在2.0°C的目標。另外,在2018年9月,IRENA發布了新的研究報告指出[連結2],若要達成2050年的減碳目標,需要積極提升電力部門的再生能源比例,透過風力發電或太陽光電來供應60 %以上的電力[圖2]。

[圖1] 2010至2050年間能源轉型情境比較

[圖2] 在再生能源情境下之電力部門供應結構

能源使用轉型
      若將全球的能源使用轉型,把原本以化石燃料的能源使用型態轉變成再生能源使用型態,當最終能源消費模式(total final energy consumption,TFEC) 中再生能源佔比提高至65%以上時[圖3],且全球能源密集度可以每年2.8%的速度改善,方能助達成2050年的減碳目標(全球溫升控制在2.0°C之目標)。而觀察2015年全球各部門能源使用之二氧化碳排放結構[圖4],可發現以電力部門、工業部門及運輸部門的能源使用比例最多。電力部門可以透過再生能源電力的導入來改善二氧化碳排放的問題,但運輸及工業部門仍相對依賴化石燃料,該如何協助改善工業部門與運輸部門的二氧化碳排放,也將決定是否能在2050年達成巴黎協議減碳目標的關鍵。
[圖3] 在基礎情境與再生能源情境下之最終能源消費佔比


[圖4] 2015年全球各部門能源使用之二氧化碳排放結構

      而現今的常見再生能源使用方式,是利用可循環再使用的自然能量(如陽光、風等)透過發電設備的轉換成將能量變成電力,此方式也逐漸成為全球各國發展低碳電力供應的方式之一。然將再生能源能量轉變成電力後,大都採即發即用的方式將所產生的電力消耗掉,其原因是電力儲存不易,若以現今常見的電力儲存方式,如鋰離子電池儲能、化學儲能、鈉硫電池儲能、抽水蓄能、空氣蓄能等,常受限到儲存成本、設置環境條件限制、存儲能量密度過低等問題,導致無法大規模發展儲能設施。因此如何改善再生能源問題,強化再生能源電力儲蓄並將再生能源應用擴及其他部門,將是未來加速再生能源普及發展的重要課題。

氫氣能運用說明
      氫氣的使用過程不會產生溫室氣體和其他污染物質,是一種可以取代傳統化石燃料的潔淨燃料,可成為無汙染的發電或運輸燃料。而氫元素是宇宙間常見的化學元素,在地球上大部份的氫都以分子的形態存在,比如水和有機化合物等。透過電解的方式,可以將水拆分為氫氣跟氧氣,電解取得氫氣,其每單位能量密度極高且應用範圍極廣,可作為燃料電池的燃料來源, 也能成為工業或交通運輸的燃料,直接運用於交通或工業部門之動力設備的燃料。
      在2018年9月,IRENA發布了一篇探討氫能的研究報告[連結2],內容主要探討能源轉型過程中氫能對再生能源技術展望。而依據IRENA的報告指出, 工業生產部門使用氫氣作為原料已有數十年的經驗,目前其產值約為1,150億美元,且氫氣原料市場將持續成長,預估至2022年其產值將達到1,550億元。而全球約有2/3的氫氣是用來與氮氣合成為氨氣原料,再將氨氣用於化學肥料或清潔用品的生產,或是用於石油工業的加氫裂解精製等用途。另外鋼鐵業也會使用氫氣來切割或熔接金屬,在食品加工業上,也利用氫氣來氫化植物油,生產人造奶油等。

      氫氣產製主要有化石燃料製氫、水電解法、工業餘氫、水光電解法及生物法等。其中又以化石燃料製氫、水電解法為最成熟的產製技術。但化石燃料製氫會產生大量的二氧化碳,而水電解法相較前者則較為耗電製氫成本相對較高。在生產成本考量下,目前全球95%以上的氫氣來源是以煤炭、天然氣或石油為原料產製,其餘約4%則是透過電解的方式生產[圖5]。

[圖5] 全球氫氣產製來源佔比

      另外氫氣因為分子小活性大,如以氣體型態容易逸散到大氣中,因此需要進行加壓或液化再以特殊的容器才能進行運送。而因為氫氣的分子特性, 在儲存相對不易,目前常用的儲存方式可分為壓縮氫氣、液態氫、儲氫合金及奈米碳管儲氫等,其中壓縮氫氣是目前最普遍的儲存技術,儲存的成本也最低。此外也有運用儲氫合金(如鐵鈦、鉻、鎂、鋁等合金材料)進行吸附儲氫,但單位體積儲存量小且成本昂貴,而奈米碳管儲氫,雖具有高儲存密度,但仍在發展初期,離商業化階段仍有一大段距離。

      目前以天然氣進行氫氣產製的生產成本約每公斤1美元,而採用電解法產製氫氣的成本約3美元(每生產一公斤氫氣,約需耗費32.9度,若以2016年美國平均電價0.1255美元計算,每公斤氫氣生產成本約3美元)。另外氫氣的運輸及儲存的成本約每公斤2-4美元,而每公斤氫氣能量密度約相當於1加侖的汽油。若按2016年美國每加侖汽油價格2-3美元,氫氣使用成本仍高出汽油成本2倍左右。氫氣生產成本仍相對較高,且使用者如要使用氫氣也需進行設備轉換,如使用燃料電池車或是設置燃料電池發電系統,且目前氫能的基礎設施不足。造成氫氣使用者及氫氣供應者都需要投入大量資金來進行能源使用的轉換(化石能源轉換成氫能源),導致氫能使用尚無法直接與現有化石能源競爭。

氫能源特色與未來
      氫氣除了作為工業生產原料,也同時被視為能量的載體,可以透過不同的方式生產出來,雖目前全球氫氣產製仍依賴化石燃料,但透過再生能源也能是一種氫氣產製的模式,因此IRENA提出了利用再生能源產製氫氣的研究報告,分析未來如何在能源轉型下,利用再生能源產製氫氣,擴大再生能源的應用範圍,進而減低化石燃料的使用,使其順利達成2050年減碳目標。而根據IEK在2018年3月發布評析報告[連結3],認為氫能是一種使用後不會對環境產生污染的潔淨能源。其在全球能源轉型的過程具備幾點特色,無論在能源生產端或能源消費端均可提供相當的應用服務,各項特色分述整理如下:
1.具有整合性(生產端):
      將過剩的太陽光電或風力發電之電力來產製氫氣,產製後的氫氣可做為燃料電池的燃料來源。因此可藉由氫能載體整合各式再生能源,能平衡各類 再生能源供電缺口或不穩定。
2.具有流通性(生產端):
      當氫氣產製後,其應用的場域不受到地區、產業及時間之限制,如透過再生能源電力產製氫氣後,能配合使用者的需求進行各種應用服務。
3.降低運輸部門的碳排放量(消費端):
      氫氣使用過程僅會產生水氣,不會造成環境汙染,若用來取代運輸部門的化石燃料,將可大幅減少二氧化碳的排放。
4.工業生產低碳化(消費端):
      氫氣的助燃效果佳,讓工業生產過程的化石燃料使用量減少,加上氫氣能與二氧化碳結合形成甲烷,可做為工業生產過程的燃料之用,有助降低生產過程總體二氧化碳排放。
      而依據[圖4]發現,各部門能源相關二氧化碳排放中,以工業、建築物及電力、運輸部門的比例最高,若能在工業部門中大量使用再生能源產製的氫氣原料,可助減少化石燃料產製氫氣的比例,進而降低化石燃料的使用及二氧化碳的排放;若能在建築物或電力部門中使用再生能源產製的氫氣,可透過氫氣取代天然氣的輸送網路,替換建築物供熱所需的天然氣,另外透過離峰的再生能源電力來產製氫氣,也能擴大再生能源發電營利範疇,使業者能利用再生能源產製的氫氣供給其他以氫氣作為原料或燃料的部門,再者當電力網路呈現用電高峰時,也可通過氫燃料電池或以氫氣為燃料的渦輪發電機,協助電網提供尖峰用電的輔助來源。另外在運輸部門,氫氣可提供給燃料電池車(FCEV)使用,或作為純電動車之輔助動力來源,進而漸少交通運具對化石燃料的依賴。
      目前雖氫氣價格仍無法與汽油相競爭,但考量未來各國持續推動二氧化碳減量政策,勢必會針對化石燃料的使用過程所造成的外部成本,加徵環境稅、碳稅或能源稅等稅賦,導致化石能源的使用成本提高,進而使氫氣的使用成本趨近化石燃料。再者,一旦氫氣有機會成為再生能源時代重要的能源載體時,可讓再生能源不僅僅是作為電力來源,還能將再生能源的能量轉變成氫氣形式,大量運用在不同部門的能源使用上。
知識小百科


[註1]第一次工業革命,約起於於1760年代,並持續到1830年代至1840年代的歷史時期。在這段時期人類生產逐漸轉向新的製造過程,出現了以機器取代人力、獸力的趨勢,以大規模的工廠生產取代個體工場手工生產的一場生產與科技革命。
[註2]第二次工業革命,指1870年至1914年的工業革命。其中西歐(包括英國、德國、法國、低地國家和丹麥)和美國以及1870年後的日本,工業得到飛速發展。第二次工業革命緊跟著18世紀末的第一次工業革命,並且從英國向西歐和北美蔓延。第二次工業革命以電力的大規模應用為代表,電燈的發明為標誌。
[註3]第三次工業革命,指在第二次世界大戰後,因電腦和電子資料的普及和推廣而在各行各業發生的從機械和類比電路到數字電路的變革。數位化革命使傳統工業更加機械化、自動化,減少了工作成本,徹底改變了整個社會的運作模式,也創造了電腦工業這一高科技產業,它是人類歷史上規模最大、影響最深遠的科技革命。

資料來源:  
[連結1] The International Renewable Energy Agency, IRENA
[連結2] HYDROGEN FROM RENEWABLE POWER TECHNOLOGY OUTLOOK FOR THE ENERGY TRANSITION,IRENA
[連結3] 石蕙菱,氫能技術與產業發展現況與趨勢,工研院IEK
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