綠能前瞻永續台灣

依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

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焦點專欄

國際氫能基礎建設之發展與推動現況

  • 發佈日期:2022/5/20
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摘要

氫氣為潔淨能源載體,為當前國際極力發展之節能減碳技術,包含產氫、儲存、運輸、發電、供熱 、合成燃料等關鍵課題。氫能產業的建立及是否可快速擴大規模,則仰賴國家戰略級的氫氣基礎建設 全面擴增,從既有石化能源產氫,結合碳捕捉、封存及利用技術,最終轉換為再生能源製氫,加速各 種氫能源應用,以取代現有高碳能源的使用。在製氫設施方面,結合再生能源電解產氫為長期發展之 選項,而氫氣儲存和運輸可透過液態氫型態傳輸,提升氫能運輸的能量密度,降低運輸成本。此外, 亦可採用液態有機氫載體(LOHC),以現有化石燃料基礎設施儲運,或依靠既有天然氣管線及新設氫氣 管線運輸,以提高成本效益。我國能源主要仰賴進口,為因應未來國家能源轉型,可積極布局於氫氣 基礎設施相關技術,以奠定我國發展基礎。

一、前言

為解決全球暖化及環境汙染問題,國際間致力於發展減碳技術及擴大應用,然而,許多產業受限於 製程和應用情境,很難有效減少排放。因此,多用途的氫氣長期以來被視為最具有幫助減碳潛力的技 術,可以應對各種關鍵的能源挑戰。氫氣也可以作為存儲再生能源的主要選擇,近年來,因2050年全 球淨零碳排的目標,氫氣的技術和應用受到前所未有的政治和商業關注,許多補助或商業投資項目正 迅速擴大,對氫的投資幫助快速促進世界各地經濟體的新技術和工業發展,並創造就業機會。

氫氣能夠以不同的方式生產、儲存、移動和使用能源,包括再生能源、核能、天然氣、煤炭和石油 。目前,用低碳能源生產氫氣的成本很高,國際能源署(International Energy Agency, IEA)分析[1],未 來再生能源成本下降和氫氣生產規模擴大,到2030年再生能源生產氫氣的成本可下降30%。消費者 使用氫氣的價格,在很大程度上取決於有多少氫氣基礎設施,以及氫氣的供需量,因此包含製氫站、 氫氣管線和加氫站、氫氣儲槽等氫基礎建設的發展,對廣泛的採用氫能扮演重要的角色。IEA指出未 來十年內氫能的發展,應透過國家政策、氫基礎設施、及應用技術的發展相互配合,擴大基礎設施的 發展。

二、國際氫基礎建設之發展現況

氫氣生產為發展氫能社會之基礎,美國從1970年開始便針對氫能技術展開各種研發項目的補助,包 含氫氣生產、運輸、存儲和利用進行研發[2]。中國則是世界最大的產氫國,每年可產出2500萬噸的工 業製氫。目前全球仍以化石燃料產氫為主,電解產氫僅佔4%左右,主要因為電解製氫的成本較高。 但基於減碳考量,美國、中國和歐洲三大經濟體未來發展趨勢仍以再生能源電解產氫為主,預期成本 將下降至具有相當的市場競爭力。

日本是最致力於發展氫能的國家之一,其經濟產 業省發布的基本氫戰略中促進了氫的採用。著眼 於擴大可再生能源的使用,日本東芝等大廠與新 能源產業技術綜合開發機構(NEDO)合作展開福島 氫能研究場(FH2R)技術開發項目[2],於2018年完 成建置20 MW的太陽能發電設施(圖1),搭配電網 電力可供10 MW級製氫裝置中的水進行電解,每 小時可生產、儲存和供應高達1200 Nm3氫氣。

隨著製氫成本的下降,輸送和分配氫氣成本將成為下一個重點課題。以液態氫型態來儲存和運送為 目前國際積極發展的技術之一,可大幅減少氫氣的體積。圖2(a)為日本川崎重工開發的液態氫儲槽[3] ,其絕熱效能比LNG儲槽好,可維持儲存液化氫所需的-253°C條件,減少氫氣儲存過程的氣體蒸發損 耗。液態氫的運輸同樣需要具高絕熱、防爆之專用載具,圖2(b)和(c)為川崎重工開發之運輸用槽車及 運輸船。

圖2、川崎重工開發的(a)液態氫儲槽、(b)運輸槽車及(c)運輸船[3]


以液態有機氫載體(Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHC)來進行氫氣的運輸和儲存,為另一 種低成本的方式。如圖4所示,二芐基甲苯酚在升高溫度和壓力下,透過催化劑進行反應,可進行加 氫/脫氫反應,其儲運體積和重量相較於高壓儲氫及金屬儲氫技術而言較有優勢,且液態有機氫化物成 本低、可多次循環使用,且可使用現有化石燃料基礎設施在常溫常壓下進行運輸及儲存,佔地面積小 。LOHC產出氫氣可供燃料電池轉換為電量,或在工業製程中使用。目前國際上LOHC儲存設施發展 ,以日本千代田公司建置的LOHC示範運轉廠為代表[4],已成功完成超過10,000小時的測試,性能符 合預期目標。以LOHC儲運氫能,利於搭配定置型氫能發電設施之應用,千代田同時與NEDO合作進 行SOFC搭配LOHC進行再生能源製氫與發電示範計畫,將LOHC脫氫反應所需的熱能由SOFC系統回 收取得,以減少使用LOHC之能源損耗,提升效益。

圖3、二芐基甲苯酚的加氫/脫氫反應示意圖[5]

氫氣管道網絡為另一種具成本效益的方式,氫氣輸送管路可以部份使用現有的天然氣基礎設施,在 短期發展中降低運輸成本。近年來,韓國大力推動氫能應用,並投入氫基礎建設的開發,其天然氣供 應商KOGAS在2019年投入40.1億美元在製氫設施上,建設25個製氫設施,以及總長度為700公里的氫 氣輸送管道,預計2030年將可提供173萬噸氫/年,供給在地的氫氣設施應用。儘管與許多替代方案相 比,氫氣管道的運輸成本更低,但是氫氣網絡的實際成本會因類型、網絡長度以及改造後的管道本身 的狀況而異。Hydrogen Council報告指出[6],陸上輸送網絡的典型資本支出成本將在每公里0.6到120 萬美元之間,而新建的氫氣管道則在每公里2.2到450萬美元之間,因此氫氣的運輸成本為0.13-0.23 美元/ kg / 1,000 km,如圖4所示。因此,如何在改造/新建氫氣管路和其他運輸氫氣技術之間,選取 最佳策略方案,為擴大氫氣應用、降低氫氣成本最重要的課題之一。

圖4、不同氫氣輸送管路類型比較

三、結論

氫能為潔淨、多元應用的能源,其製造、儲存、運輸可透過不同方式,未來市場擴大,氫氣成本可 望與化石燃料相近。國際能源署指出,未來十年氫能發展,應透過政策推動、氫基礎設施及應用技術 的配合。在製氫設施方面,目前以化石燃料產氫為主,未來則以再生能源電解產氫為發展主流。在氫 氣儲存和運輸方面,建立液態氫儲槽和相應的運輸槽車、運輸船為具效益的方式之一,而採用液態有 機氫載體進行氫能運輸和儲存,可在常溫常壓下使用現有石油基礎設施,亦具有低成本效益。建立氫 能儲槽可供產業製程或定置型發電使用,其氫氣釋出所需的能量可由系統整合中取得。此外,以現有 的天然氣基礎設施建立氫氣管道網絡,其運輸成本更低,亦為定置型氫能設施補充氫氣之方式。

我國能源仰賴進口,未來除積極發展再生能源外,亦應參考國際氫能政策及技術發展,發展多元化 氫能應用技術,以因應國家能源轉型所需之電力、熱能、化工等民生及工業需求,減少碳排放達成 2050淨零碳排之全球發展目標。台灣已有部分廠商具備製氫技術和供給加氫站產品的能力,因此,台 灣未來可積極與國際合作,建立氫氣儲存、運輸等基礎設施,以奠定我國發展基礎。

參考文獻
  1. The Future of Hydrogen, International Energy Agency (IEA), 2019.
  2. Hydrogen Roadmap Europe, FCH JU, 2019.
  3. 川崎重工,https://global.kawasaki.com/en/stories/hydrogen/
  4. 8Introduction of Liquid Organic Hydrogen Carrier and the Global Hydrogen Supply Chain Project, Chiyoda Corporation & AHEAD, 2018.
  5. LOHC Systems, Energy Storage with Liquid Organic Hydrogen Carriers, Covalion.
  6. Hydrogen Insights, Hydrogen Council, McKinsey & Company, 2021.


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