氫-新世代能源轉型的關鍵推動力

編輯部 2020-07-09

氫能的演變
隨著石化原料逐漸枯竭,加上地球因世界發展造成碳排放下高居不下,由大自然中獲取新能源成為世界先進國家研究的方向。因此,不論是岸置風電、離岸風電、太陽能發電、地熱發電、生質發電乃至於沼氣發電等,都成為次世代供給電能的方式選項。只是,這些新技術的發電方式,與傳統使用石油、天然氣乃至於核能發電最終關鍵問題依舊,皆卡在“儲能”上。
 
雖然綠能發電對於環境友善,卻有諸多限制與不可控制性,例如採用國際間現階段主流所採用的風力發電、太陽能發電為主要綠能供應模式時,則意味著在無風、夜間或陰天等環境時,這類的發電方式將停擺,無法供應電力至電網讓使用者使用。因此,利用儲存的方式進行穩定持續的電力供應成為顯學,亦即在能產生電力之時,將產生的電力輸送至電網滿足所需,而需求降低時,可將多餘的電力儲存起來,以便在無法發電之時與電網連結不中斷持續供應,以收移峰填谷之效。
 
傳統燃煤的火力發電方式,雖然低廉經濟,卻造成大量的碳排放,縱然技術進步可利用超超臨界方式減少排放,卻依舊不是最佳解決方案。(圖片取自PIXBAY)
 
 
太陽能與風能發電,近年來拜技術發展之賜,成本逐年下降且發電效率提昇,已經成為現在與未來的綠能之星。(圖片取自PIXBAY)
 
 
日前,全球風能理事會(GWEC)在其官方網站發布了《2019 年全球風電報告》(GlobalWind Report 2019)詳細總結了2019 年全球以及重點地區的風電產業發展情況。其中提到「氫」在過去幾年中已成為能源行業的熱門話題,未來十年將成為能源顛覆性關鍵的動力。氫能具有在運輸和替代石化燃料的潛力,並為石油和天然氣公司提供了低碳模式的發展機會。除了其多功能性,能源轉換的關鍵要素是氫氣的產生可由再生能源提供動力,產生稱為“綠色氫氣”的零排放燃料。
 
自從1783年氫能量首次應用於舉升氣球以來,氫氣開始廣為應用,然而,氫氣產生的方式主要是通過蒸汽重整(steam reforming method)的方法生產,只是這種方式會排放大量溫室氣體至大氣中,造成溫室效應。目前,氫氣的產生有兩種方式,其一為利用石化燃料產生的氫氣,被稱為“灰色氫氣”(grey hydrogen)。 使用這種方法通過碳捕獲和存儲(Carbon capture and storage, CSS)產生的氫又被稱為“低CO2”氫或“藍色氫氣”(blue hydrogen)。 儘管藍色氫氣較能被業界接受,但CCS技術在很大程度上尚未得到技術驗證,而且其昂貴的技術也面臨著擴大規模和物流供應二方面的挑戰。相反的,使用可再生能源所產生的電力進行電解水所產生的綠色氫氣”(green hydrogen)則為零碳排放。
 
如何兼顧環保與用電需求,將是未來綠能發展的最重要考量。(圖片取自PIXBAY)
 
 
使用再生能源所產生的電力,其併聯於電網講究的是穩定度,若將強風、強日照所產生的過量電能用來製造氫氣並加以應用,所產生的效益除了穩定電力系統外,還可為再生電力開發提供額外增長的收益,減少價格波動及靈活調度能源。
GWEC目前正積極與相關機構合作,以促進風電與發展的氫工業的快速整合,並確保這些政策能為風能和氫能創造真正的“雙贏”方案。
 
 
產氫的成本主宰未來的走向
據彭博社報導,2019年的綠色氫氣成本每千克約2.50美元至4.50美元之間,其產氫的成本主要取決於電解槽的價格。為了使綠色氫與煤具有競爭力,價格必須降到2美元以下,而與灰色氫競爭則必須降至0.6美元。
 
根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA)的報告《氫的未來》,中提到,2030年生產綠色氫的成本可能會因再生能源產氫成本減少和氫能應用的擴大而下降30%。在北歐,離岸風電發電成本已降至5570歐元/兆瓦時(與2015年相比降低了65%)。愈來愈多案例顯示,再生能源與氫氣的結合,將會是下一世代能源零碳排的終極目標。
 
如圖一所示,離岸風電-氫能方案中,將多餘的海上風能轉換為電解製氫的動力來源,將水分子分解為氫和氧,再將綠色氫氣壓縮並儲存在儲罐系統中,在需要能量時再予以卸壓使用。再如圖二所示,利用海上加氫平台,可以將液態氫(LH2)轉換為合成天然氣(SNG)或更好化學原料“氨”,然後再將其運送到用戶端進行多種用途。由於海洋運輸是一種相對昂貴的運輸方式,因此電解槽也可以部署在通過高壓海底電纜連接到變電站的沿海地區,這樣,綠色氫氣可以在壓縮後直接通過陸上氫氣管道或卡車運輸。
 
另一種創新的海上風能─氫能方案,是利用多餘的海上風能為位於石油和天然氣平台上的電解槽供電,以從海水中產生綠色氫氣,如圖三所示,綠氫被混入天然氣管線中,並通過現有的天然氣基礎設施運輸到陸地。此方案已被工業氣體生產廠商廣泛用於化學和精煉工業的供應鏈。預計最多可以將20%的氫氣按體積混合到現有的天然氣管道中。儘管將綠色氫混合到現有的天然氣管道中無法實現100%的脫碳,但在短期內它仍將是一個有力的解決方案,因為在不久的將來,現有天然氣供應將繼續用於平衡電力系統,綠色氫的混合將有助降低的碳排放。
 
圖一 離岸風電製氫示意圖(圖片來源:GWEC, 'GLOBAL WIND REPORT 2019')
 
 
圖二 離岸風電製氫示意圖(圖片來源:GWEC, 'GLOBAL WIND REPORT 2019')
 
 
圖三 離岸風電製氫混合天然氣示意圖(圖片來源:GWEC, 'GLOBAL WIND REPORT 2019')
 
 
我國98%能源仰賴進口,提升能源自主刻不容緩。目前正值能源轉型之際,2025年再生能源發電佔比將達20%,並以太陽光電與風力發電作為能源轉型推動重點。對於能源轉型的過程,是否能藉由綠色氫氣降低發電碳排量,乃至於2025年後再生能源逐步落實後之儲能,氫能的應用將隨技術成熟、成本降低而愈來愈被重視。本工程司期望持續深耕風光互補及氫燃料電池應用示範計畫,為台灣氫能研究留住一盞火種。
 
相關連結
http://www.ceci.org.tw/Upload/Download/ED0887BB-4462-4B24-9A55-5371EF5938AA.pdf
 
 
碳捕捉與電解法產生氫氣介紹與應用影片(英文)
https://www.youtube.com/watch?v=Kv8WT3-7ZHE&feature=emb_rel_end

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