2024 年 5 月 17 日

氫能的展望與限制之其一:技術篇

作者:蔡穎杰

目錄

一、時事背景

根據國發會2050淨零轉型之階段目標及關鍵戰略,提出2030年我國氫能發電裝置容量為891MW。2023年6月經濟部國貿署報導,全球氫能市場預料在2030年超越液化天然氣,並在2050年達到每年1兆4,000億美元的規模,亞太市場將占6,450億美元,其中,「綠氫」在未來數十年料將推動整體氫能市場成長。與「藍氫」不同的是,「綠氫」是利用再生能源分解水取得的氫氣,從源頭實現零碳排放,不受天然氣價格波動影響。[1] 不過,根據國際能源總署(IEA)估計在2022年,低碳排氫氣的全球年產量僅達到100萬公噸。而在2022年,全球氫氣使用量為9500萬公噸。換言之,目前多數的氫氣來源並不符合綠氫原則。[2] 按IEA估計,2030年全球氫氣用量為1億5000萬公噸,其中僅7000萬公噸符合低碳排製程。美國能源部於2023年6月發布《國家乾淨氫能策略及路徑》,預計2030年美國乾淨氫產量為1000萬公噸。值得注意的是,美國政府對於乾淨氫能(clean hydrogen)的定義為,生產1公斤的氫氣的生命週期排放溫室氣體小於2公斤二氧化碳當量。據報導,美國財政部基於IRA法案對氫能產業將提供數十億美元補貼,但僅補貼較嚴格標準的清潔氫氣,引發爭議,部分業者認為將不利於整體氫氣產業,以及不利於核電廠開發新客戶。根據美國財政部2023年12月22日草案,新清潔氫能稅收抵免不會讓現有核電廠受益。同時,許多草根團體仍然對不斷增長的氫工業的潛在影響抱持擔憂,尤其是主流水蒸法的設施可能造成空氣污染。[3] 而IEA的淨零路線情境設定比美國寬鬆,IEA的2030年情境為為生產1公斤的氫氣的生命週期排放溫室氣體6-7公斤二氧化碳當量。2022年,台電已與西門子能源公司簽署「混氫技術合作備忘錄」。在2025年前,將於興達發電廠複循環機組的3號氣渦輪機,展開5%混氫的示範發電,該計畫已於2023年2月舉行動土儀式。[4]

圖片來源:Department of Energy,2023a: 2

圖1、美國氫能的用途及佔比。單位,百萬公噸。

說明:總生產潛力可達每年1200萬公噸。目前美國的目標是在2031年達成每公斤氫氣平均生產成本降低為1美元。
圖片來源:Department of Energy,2023b: 15,57。

圖2、美國規劃中的氫氣製造計畫。

以下先簡單介紹三大類氫能技術的減碳效益,再以地緣政治視角加以評析未來氫能的發展前景。

二、氫氣發電:減碳效益比一比

當前主流的氫氣發電方式為混氫發電,但混氫發電需要先另行生產氫氣,本文比較混氫發電與中研院研發中的去碳然氫技術,去碳燃氫乃是先使用綠電在反應器加熱天然氣,裂解一部分天然氣生產氫氣,再把兩者混合燃燒發電。值得注意的是,表1假設20%混氫發電使用美國標準乾淨氫氣以及美國預定的未來氫氣成本。如改用主流水蒸法灰氫,則混氫發電的減碳效益不如中研院去碳燃氫技術。

表1、比較去碳燃氫與混氫發電,假設2030年全國燃氣發電1676億度
全面使用該技術,混氫技術使用美國定義乾淨氫氣

項目去碳燃氫發電5%混氫發電20%混氫發電
發電方式以天然氣為燃料,透過高溫裂解產出氫氣和固態碳,並混合氫氣發電以天然氣為95%燃料,
摻入5%的氫氣發電
以天然氣為80%燃料,摻入20%的氫氣發電
燃氣機組
天然氣 用量
  2241萬公噸 天然氣1782萬公噸天然氣, 外加13萬 公噸美國 乾淨氫氣1503萬公噸天然氣, 外加51萬 公噸美國 乾淨氫氣
發電端減碳 淨效益 (跟燃氣發電比較)436萬 公噸/年51萬 公噸/年742萬 公噸/年
氫氣儲存不需要需要儲存 設施需要儲存 設施
技術 成熟度發展中2024 興達電廠 示範機組發展中
其他相關
設備成本
NA氫氣接收、
運輸、儲存
氫氣接收、運輸、儲存
資料來源:作者彙整。

三、氫氣煉鋼,自產或外購?

傳統的鍊鋼方式為高爐煉鋼與電弧爐煉鋼。當前發展中的氫氣煉鋼的原理為結合電弧爐。先用氫氣與鐵礦石混合,產生還原鐵,再把還原鐵送入電弧爐,進一步混合其他金屬,煉製成鋼。以此,氫氣煉鋼與傳統電弧爐煉鋼的主要差異在於前者先製造氫氣與還原鐵,因此氫氣煉鋼的電力需求遠大於傳統電弧爐,必須使用綠氫,方能有減碳效益。表2整理傳統高爐煉鋼、電弧爐煉鋼、氫氣煉鋼的耗能與碳排。

表2、不同煉鋼技術生產1公噸鋼鐵的碳排放與消耗電力

生產方式煉鋼製程碳排放
(公噸)
製程消耗電力需要氫氣製造氫氣
的碳排放
技術成熟度
傳統高爐煉鋼2.2NANANA成熟
傳統電弧爐0.4-0.6400-800度 灰電NANA成熟
自產綠氫煉鋼0.0253500度 綠電50公斤0發展中
外購綠氫煉鋼0.025400-800度 綠電50公斤0發展中
灰氫煉鋼0.44400-800度 綠電50公斤440公斤發展中
資料來源: Bhaskar at al. ,2020; European Parliament, 2020; Gajdzik et al. ,2021; 陳建任,2023。作者彙整。

由表2可知,自產綠氫煉鋼最大的競爭對手為傳統電弧爐,前者的用電量為後者的4到8倍,因為綠氫來自於電解水,耗電量極大。因此,傳統電弧爐如果也跟進採用綠電降低碳排放,自產綠氫煉鋼將遭到龐大市場競爭壓力。氫氣如果改為外購綠氫,較能提升氫氣煉鋼的競爭力。以生產1000萬公噸粗鋼為例,如果改為全部外購綠氫煉鋼,則約需購買50萬公噸綠氫。

如果不用綠氫,改用主流水蒸法製造氫氣,則碳排放跟傳統電弧爐差不多。但水蒸法較不符合永續資源利用原則,因為使用水蒸法,每生產1公斤氫氣要消耗約8公斤天然氣(包括用來當燃料加熱用的天然氣),而8公斤天然氣蘊藏的能量大約是1公斤氫氣的3.3倍。因此,水蒸法未來的技術商機也包括開發出更加節省燃料的製程。

另外,傳統電弧爐的原料主要為回收廢鋼鐵,而氫氣煉鋼的主要原料則為鐵礦石。因此,實務上也要考量原料的價格。一個折衷的辦法是,進口外國的還原鐵作為原料,再使用傳統電弧爐煉鋼。如果還原鐵是由綠氫製造,則等同於間接使用綠氫。

四、氫能車比電動車更減碳嗎? 氫能卡車 vs. 電動卡車

氫燃料卡車遭遇的挑戰跟氫能煉鋼類似,最大的競爭對手為電動卡車。如雙方都使用灰電(灰氫),電動卡車的能源效率及減碳效益放略優於氫能卡車。如雙方都使用綠電(綠氫),則碳排放都為0,但氫燃料卡車的每公里耗電量將大幅提升,原因在於製造綠氣的耗電量甚大。見表3。

表3、電動卡車與氫燃料卡車比較

 等級8電動卡車等級8氫燃料卡車
型號Freightliner
 eCascadia
Hyzon
HyHD8-200
分別使用灰電(灰氫)
滿載能量438度電1667度電
續航力354公里563公里
每公里耗能1.24度電2.96度電
每公里燃料費1.24度電費0.09公斤氫氣費用
攜帶氫氣NA50公斤
每公里碳排放0.56公斤0.78公斤
每公里消耗初級能源 (轉換率60%)0.13公斤天然氣0.71公斤天然氣
使用綠電(綠氫)
碳排放 0公斤0公斤
滿載 需要綠電438度電2500度電
(電解水產氫 50公斤)
每公里耗能1.24度電4.44度電
資料來源:原始資料來自Freightliner 與 Hyzon 公司網頁,由作者換算。

五、小結: 氫能的潛力與限制

承上,前述三種氫能應用,減碳效益的關鍵在於是否使用綠氫。在混氫發電應用上,如使用美國標準乾淨氫氣,混氫發電20%表現優於中研院去碳燃氫,如使用主流灰氫,則減碳效益不如中研院去碳燃氫。

而氫能煉鋼與氫能車的最大競爭對象分別為傳統電弧爐與電動車。因為使用灰氫的減碳效益跟傳統電弧爐與電動車差異不大。因此,氫能煉鋼與氫能車的減碳優勢同樣取決於綠氫的取得,而我國的綠電有多少比例能提供用於生產綠氫,將會是氫能減碳的關鍵。而如果國內綠電不足以提供製造綠氫時,可以使用主流水蒸法搭配碳封存技術,或是進口國際清潔氫氣,下一篇我們將介紹國際氫氣產業鏈的地緣政治面向。

參考文獻

  • 陳建任。2023。全球鋼鐵業碳排現況與低碳化發展動向 [趨勢新知]。經濟部產業技術司。 https://www.moea.gov.tw/Mns/doit/bulletin/Bulletin.aspx?kind=4&html=1&menu_id=13553&bull_id=15900。
  • Abhinav Bhaskar , Mohsen Assadi and Homam Nikpey Somehsaraei.2020. Decarbonization of the Iron and Steel Industry with Direct Reduction of Iron Ore with Green Hydrogen. Energies. doi:10.3390/en13030758
  • Bo˙zena Gajdzik , Włodzimierz Sroka, and Jolita Vveinhardt. 2021. Energy Intensity of Steel Manufactured Utilising EAF Technology as a Function of Investments Made: The Case of the Steel Industry in Poland. Energies. https://www.mdpi.com/1996-1073/14/16/5152.
  • Department of Energy. 2023a. U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap at glance.
  • Department of Energy. 2023b. U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap at glance.
  • European Parliament. 2020. The potential of hydrogen for decarbonising steel production.

[1]https://www.trade.gov.tw/Pages/Detail.aspx?nodeID=45&pid=763313
[2]https://www.iea.org/reports/hydrogen-2156
[3]https://www.theverge.com/2023/12/22/24012141/hydrogen-tax-credit-45v-biden-treasury-irs-clean-energy
[4]https://tpcjournal.taipower.com.tw/article/5463

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