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