未來的氫社會

導讀
石油能源危機下,各國在尋求替代能源的發展,氫氣在自然界中含量最多,目前的科技已可以從水中提煉出氫氣,OECD各國組織也希望找出替代石油的能,源,亞洲的日本是最積極開發氫能源的國家,研究汽車的能源來代替汽油,透國能源政策給予支持、中國大陸也在推動氫能源政策,發展氫能源汽車及設置氫能源開發政策,來規範各國在內地發展氫能源,台灣四面環海,擁有充分的資源來開發氫氣能源,以永續發展為方向的能源政策,才可以降低對國外進口能源的依賴與需求,亦是因應未來的發展趨勢。
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想像一個未來的情境,在2040年的台北市大安區,某個早晨王小強要開車上班,上車後按了汽車的啟動按鈕,引擎就靜悄悄的啟動並且由電子聲音提示王小強,「王先生,車子已經啟動,但車上氫氣量不足,不夠開到公司,請你到最近的加氫站加滿氫氣。」王小強:「那我們到和平東路的友愛加氫站吧。」行車電腦:「王先生,建議您到新生南路的中氫加氫站,這個時段和平東路會塞車。」行車電腦提供行車路程建議並獲得王小強同意後就上路了。在抵達中氫加氫站後,車子剛停下來,一個外型憨厚的加氫機器人就快步跑過來向王小強致意,機器人臉上的虛擬面板顯示氫氣一巴的價格是50信用點,加滿1000點送一盒面紙,並開口問道:「歡迎光臨!請問先生要加多少?」在確認王小強的需求,機器人對車子車牌號碼掃瞄,然後機器人就為車子加氫。當加完氫後,就對王小強說:「感謝您的消費,這次中氫公司將對你○○銀行帳號扣款500個信用點,祝您一天順利。」

氫的本質

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。

氫的物理性質及化學性質分別如下(見表一):

表一.氫的物理化學性質

物態 氣體
密度 (0 oC,101.325kPa)0.08988 g/L
熔點 14.01K,-259.14 oC
沸點 20.28K,-252.87oC
三相點 13.8033K (-259oC),7.042 kPa
臨界點 32.97K,1.293 MPa
熔化熱 0.117 kJ.mol-1
汽化熱 0.904 kJ.mol-1
比熱容 28.836 J.mol-1.K-1
蒸汽壓 10kPa (15K);100kPa (20K)

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。氫的優缺點可整理如下表(表二)。

表二.氫能源的優缺點

優點 缺點
存量豐富且來源多樣化
對環境友善
燃燒效率高
可再生
成本較石化燃料高
易燃、安全疑慮
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(見圖1),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;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到達成熟期。

圖1 氫能源發展路徑

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。

2014年4月,日本內閣會議通過「能源基本計畫」,內容包含了氫能源的應用與推廣。同年6月,經濟產業省(Ministry Economy, Trade, Industry,METI) 發佈日本2040年的氫社會策略地圖,根據地圖,日本在2020年就要擴大國內的固定式燃料電池及氫燃料電池車的使用量,在2030年進一步擴大氫燃料的需求,使氫能源納入傳統發電發熱的能源體系,形成一個新的二次能源結構;在2040年則採用二氧化碳CO2捕獲與封存技術,建立完整的二氧化碳CO2零排放的氫供應鏈體系。

同年7月,日本經濟產業省轄下的獨立行政法人,「日本新能源與產業技術綜合開發機構」(NEDO)提出「NEDO氫能源白皮書」(NEDO水素エネルギー白書 ),該報告將以氫為燃料的燃氣輪機、家用燃料電池、燃料電池車作為氫能源應用開發的三大技術,預期氫能在未來將成為日本除核能、石化能以外的主要發電源之一。報告並預測到了2030年,氫能源的整體市場規模將達1兆日元,到了2050年會進一步擴大為8兆日元。報告內容包含了政策動向、製造/運輸/儲藏/應用開發等相關技術及未來發展方向等關鍵資料。

同年12月,日商TOYOTA在東京車展展出成功開發並命名為Mirai的FCV車,TOYOTA並宣稱該車的售價為700萬日元。該燃料電池車一次充滿氫能夠跑650~700公里,而且每次充氫只需3分鐘,在使用習慣上與目前所使用的汽油或柴油車一致,因此消費者的行為不需要改變或再教育,對推廣燃料電池車有非常大的幫助。而在充氫時間和行動距離又遠遠優於全電動車,這是目前燃料電池汽車相對於比純電動車的優勢。

在2014年,日本產官研對推動氫能源、氫社會的發展可以說打了一場非常漂亮的組合拳,首先由內閣對能源政策的規劃願景進行調整,然後由主管部會提出如何達成宗旨的策略地圖,再由智庫研究單位就整體的發展方針及科技解決方案作了完整的介紹及說明,最後由產業界公開推出符合宗旨的產品,可以說讓氫社會這個終極目標有了一個很好的開場介紹,也讓外界看到日本政府在此議題著力之深,期待之切,用心之細,整體的操作極其細緻且有效率,也讓國外瞭解日本對氫能源的發展野心。這種決策或是政策推動的模式,我國應深入探討並應學習其操作之方法,使國人對國家的科技政策的施政有感。

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。我國的近鄰中國,在氫能的開發運用上,也投注了一定的心力與資源,於2012年6月由該國國務院公佈的「節能與新能源汽車產業發展規劃(2012~2020年)」,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。而在同年,中國氫能標準委化技術委員會於2012年年底召開年會,會議上公佈目前該委員會已經制定了氫能國家標準23項,其中6項已經正式發佈,報批的則有4項,徵求意見並準備審查中有1項,已完成草案但仍未徵求意見都有2項,編制中的則有8項,新立案的則有2項。顯示中國在推動氫能開發應用上,對國家標準的設定已經跨出很大的步伐,未來外國廠商要進入中國市場必須遵守中國所製定標準,這對中國廠商的競爭或爭取外國技術先進的廠商合作有很大的優勢。而在2014年,中國也對外公佈「加氫站安全技術規範」國家標準,並對外徵求意見。該標準的內容包含了技術術語與定義、站址選擇、平面佈置、基本要求、氫氣輸送、液氫、儲存系統、加氫機、壓縮機、安全消防等。

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。

結論與建議

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,以美國特斯拉與日本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,就讓吾人對氫能源的應用開放無法完全抱持一個樂觀的態度。

我國目前對氫能,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,我國的因應措施為何?我國四面環海,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,運用氫能將使我國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,我國可把更多的資源投入到社會褔利、基礎建設或研發教育等政策措施上;因此大幅擴大氫能的使用可能是我國未來發展的重大里程碑。

可於現階段盤點我國學研界的儲氫、製氫及氫應用的研發人才及關鍵技術,同時對各種取代能源的選擇作比較分析,以確實瞭解符合我國的能源需求,我國未來重點產業的發展施力點;透過盤點比較分析,進一步對我國下一階段產業政策及能源政策進行調整,以提早因應未來的發展,對未來有可能實現的氫社會提早對民眾宣示及說明,以使未來政策推動更為順利及有感。

延伸閱讀