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整理包/打造氫谷變「親辜」!全球氫能產業大爆發 如何運用、概念股有哪些?六大觀念一次看https://money.udn.com/money/story/5612/7370979?from=ednappsharing&fbclid=IwAR2zX0WJEtDtntf7hcNTE-DAe3HKuXL1hRb-vmZ_srU0DKsdzrU78nFy5us

 

淨零排放浪潮席捲全球,被視為終極潔淨能源的氫,也成為各國積極追求的目標。 業者/提供

淨零排放浪潮席捲全球,被視為終極潔淨能源的氫,也成為各國積極追求的目標。 業者/提供

本文共5772字

經濟日報 新聞部編輯中心/數位編輯徐建峰整理
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你知道台灣正試圖打造媲美美國矽谷(silicon valley)的台灣氫谷(hydrogen valley)嗎?為達2050淨零排放,政府陸續公布包含成立碳權交易所等多項政策措施。不僅如此,行政院2022年核定「淨零12項關鍵戰略行動計畫」,其中,號稱「終極潔淨能源」的氫能也列在其中,未來更將擴及應用在產業、交通、發電三大領域。對此,《經濟日報》整理相關產業資訊,供讀者參考。

 

 

 

一、氫能將成未來不可或缺能源?

 

 

氫能發展並非新技術,美國德州農工大學教授博克里斯(John Bockris)在1970年代就曾提出「氫經濟」(Hydrogen Economy)的概念。隨著「節能減碳」議題興起,氫能發展備受重視與討論。

 

面對氫能,曾任工研院綠能所氫能與燃料電池計畫經理、現任氫豐綠能總經理的李鈞函解釋,把海水電解之後就會產生氫氣和氧氣,在缺電的時代,只要有氫氣就可以發電,而且過程中不會排放二氧化碳,這就是淨零排碳。(延伸閱讀:VIP》台灣2050氫能發電占比1成行不行? 經部兩階段向「西方取氫」

 

 

 

二、氫氣能源有哪幾種?

 

 

作為新型潔淨能源,氫能未來發展可期,而氫能種類大致可分為下列四種:

 

1. 綠氫(green hydrogen):

 

使用可再生能源,如風力發電、水力發電等,所產生的電力進行電解水所產生的氫能稱為「綠氫」,其在製程過程中幾乎零碳,所以非常適合做為未來綠色替代能源發展,但成本也較高。以台灣現狀來說,無法成為氫能發展主力。

 

 

再生能源可產綠氫,不過台灣綠氫發展目前非常有限。 (聯合報系資料庫)
再生能源可產綠氫,不過台灣綠氫發展目前非常有限。 (聯合報系資料庫)

 

 

 

*電解:通過電流,將水(H ₂ O)分離成氫氣(H ₂)與氧氣(O ₂),達成氧化還原反應。

 

 

2. 灰氫(gray hydrogen):

 

製造成本低,為現今主流氫能技術,根據財團法人汽車研究中心資料顯示,灰氫主要以高碳燃料重組技術、氣態燃料重組技術、低碳液態燃料重組技術的方式產氫,並會運用於「燃料電池」上。

 

而所謂的「重組產氫」就是利用觸媒(催化劑;反應前後保持不變的元素化合物)以化學方式將燃料中之氫原子取出產生氫氣。另有透過煤,氣化產製的氫能,稱為「褐氫」。

 

 

*燃料重組技術:使用煤氣(CO)或天然氣(CH₄)加水蒸氣(H₂O)進行化學反應,產生氫氣(H₂)及一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO₂),此種方法會排放大量碳元素到空氣中,是目前工業常用的製氫方式。 主要可分為汽油、柴油等生質燃料的高碳燃料重組技術、天然氣為主的氣態燃料重組技術,以及以甲醇為原料的低碳液態燃料重組技術。

 

 

3. 藍氫(blue hydrogen):

 

使用化石燃料製氫(灰氫),再利用碳捕捉技術,將製作氫氣中所排放的二氧化碳回收並封存的氫氣,就會被歸類在藍氫 。但製造藍氫以現有的封存二氧化碳再利用技術成本較高,製造成本也因此提升。

 

另還有利用技術將天然氣中的氫抽離,再將二氧化碳以固體方式封存的藍綠氫 (Turquoise Hydrgen),可有效降低碳排並增加二氧化碳用途,但製程需要大量燃料,技術成本高。

 

4.粉紅氫(blue hydrogen):

 

使用核能提供的電力,進行水電解產生的氫被歸類為粉紅氫。根據台達電子文教基金會整理資料顯示,據《路透社》報導,加拿大陸地能源公司(Terrestrial Energy)研究發現,核反應爐供應的高溫熱能,比傳統的水電解法產氫可提高最多四成效率。

 

顧問公司拉札德(Lazard)發表《2023年能源均衡化成本報告》(LCOE Report)評估,既有核電廠生產粉紅氫的成本,在補貼和沒補貼的情況下,分別為每公斤0.48~1.81美元以及2.75~ 4.08美元,堪稱最低廉的產氫方式之一。

 

 

氫氣能源因取得方式不同也分為數種類型。資料來源:採訪整理 林安妮/製表;溫于璇/...
氫氣能源因取得方式不同也分為數種類型。資料來源:採訪整理 林安妮/製表;溫于璇/製圖

 

 

 

 

三、氫能成「黑馬」 三關鍵技術打造下一座護國神山

 

 

目前台灣氫氣在法規中仍屬於工業副產物或工業製程的「原料」,需透過修訂《能源管理法》,才能被視為「能源」,並進一步針對氫能進口、生產、銷售、設置、安全要求及無碳認證等規範,訂定「氫能管理專法」。(延伸閱讀:VIP》氫能起跑/大陸、韓國都開跑了,台灣氫能管理專法沒消沒息一年多

 

不過,產業部分,則由工研院積極主導設立氫豐綠能科技股份有限公司,以及建立台灣氫能與燃料電池夥伴聯盟,發展多項技術,要將台灣打造成媲美美國矽谷的台灣氫谷。

 

A. 混氫技術

 

因為氫氣產量短期有限,半導體工業製程也會排放工業副產氫 ,藉由混氫混燒的方式,可以暫時維持氫氣需求量不會驟升,並有效利用多餘的「廢氫」,也能在短期內見到減碳效果。(延伸閱讀:氫能起跑/半導體不要的廢料,竟能拿來發電,這兩位「氫瘋雙俠」怎麼辦到的?

 

據工研院報導指出,國發會預計於2050年氫能占比將提升至9~12%。根據氫能藍圖規劃,未來將以混燒或專燒氫氣的燃氣發電,逐步取代燃燒化石燃料的發電機組。

 

台電副總經理郭天合先前則表示,2022年4月與西門子簽訂氫能混燒合作備忘錄(MOU),今年(2023年)將混燒5%氫氣評估可行性,預計2040年將混燒比例拉高至20%。

 

未來天然氣電廠將轉型燃氫氣,工研院預估,2050年氫氨需求約700萬噸,氫氣約385萬噸、氨約315萬噸。其中氫氣進口約75%、自產25%。

 

 

*氨同樣因為經化學反應不含碳(氫跟氮反應),近年也逐步受到討論,但其反應後產出氮化物為污染物之一,利用效果有待商榷;此外,氫氣雖然好取得,但目前政府力拚「純淨」綠色氫能,成本高,有相對難度,大部分還是以灰氫、藍氫的「準綠能」為主。

 

 

李鈞函強調,「我們鼓勵業者,與其把副產氫燒掉,不如拿來發電,不但可以降低碳排,還可增加電費的收入,把副產氫的痛點,變成更有價值的事情。」

 

 

台灣2050氫氣需求及供給初步評估。 圖/工研院提供
台灣2050氫氣需求及供給初步評估。 圖/工研院提供

 

 

B. 研發特殊氫瓶

 

氫氣分子極小,運送時須以高壓儲氫瓶進行裝運,若以一般的鋼瓶儲存,氫氣會鑽入金屬的結構中,長久下來,金屬瓶會產生氫裂(hydrogen embrittlement;氫氣鑽入金屬等物質中,會加速物質退化、疲勞現象)現象。

 

對此,據工研院指出,利用碳纖維複合材料打造儲氫瓶,透過碳纖維分子比氫氣還要小的特性,不但重量減少60%以上,使用上也更加安全。

 

 

工研院跟德宏集團德宇複合材料合作,打造輕量碳纖氫氣瓶,重量省60%,是未來氫能車...
工研院跟德宏集團德宇複合材料合作,打造輕量碳纖氫氣瓶,重量省60%,是未來氫能車關鍵零件之一。 王郁倫/攝影

 

 

技術層面,工研院完成基於機械手臂的自動化纏繞製程系統,相較於傳統動輒上千萬元的龍門型纖維纏繞專用機,能大幅降低建置成本,並具有小量多樣的生產彈性。目前這項技術已和德宇複合材料合作投入開發,未來將鎖定氫能車儲氫瓶市場。

 

C. 去碳燃氫

 

不僅要減少碳排,還要主動「去碳」,又可以分成兩種不同方向的策略,分別為「碳捕捉、再利用與封存」( CCUS;carbon capture, utilisation and storage, )與碳捕捉技術(CCU; Carbon Capture, Utilization ),前者多了封存技術,技術難度較高,運用範圍尚未廣泛。

 

 

CCUS技術六步驟:1. 識別來源 -> 2. 捕獲與分離 -> 3. 淨化與壓縮 -> 4. 運輸 -> 5. 儲存 -> 6. 再利用

 

 

 

碳捕捉 養綠藻 中小企業面對淨零碳排目標有層層阻礙,政府推動企業「以大帶小」拚減...
碳捕捉 養綠藻 中小企業面對淨零碳排目標有層層阻礙,政府推動企業「以大帶小」拚減碳也尚無具體政策,只靠企業自主行動。圖為台泥在花蓮把排碳捕捉回收養綠藻。 圖/台泥提供
中鋼加入脫煤減碳行列,啟動鋼化聯產,發展碳捕捉技術,黃色、灰色變壓吸附塔可捕捉轉...
中鋼加入脫煤減碳行列,啟動鋼化聯產,發展碳捕捉技術,黃色、灰色變壓吸附塔可捕捉轉製程產出的一氧化碳、二氧化碳,提供下游業者再利用。 圖/中鋼提供

 

 

其中 CCUS 技術與過往僅封存,只有增加成本不同,轉而將捕獲的二氧化碳,將其轉化成有價值的產品或材料,以達到碳的再利用。

 

氫能是 CCUS 技術中的一個重要組件,因為氫氣可以用作還原劑,將捕獲的二氧化碳與氫氣反應,產生甲烷(天然氣的主要成分)、甲醇或其他有用的化學品、生質燃料。這些產品可以再用於工業製程、化學產品生產或能源存儲等,完成一個完整的循環。

 

 

 

四、燃料電池新紀元 氫能成最佳推手

 

 

燃料電池有別於原電池(一次電池;不可充電電池),可以透過穩定的供應氧和燃料來源,在燃料耗盡前,持續不間斷的提供穩定電力。

 

根據維基百科指出,1839年,英國物理學家威廉·葛洛夫製作了首個燃料電池。而燃料電池的首次應用就在美國國家航空暨太空總署1960年代的太空任務當中,為探測器、人造衛星和太空艙提供電力。在搭上氫能熱潮後,運用將更加廣泛。

 

燃料電池(Fuel cell)

 

燃料電池是一種主要利用氧或其他氧化劑進行氧化還原反應,把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置 。其中,使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物,如:天然氣、甲醇、乙醇、沼氣等。

 

 

氫氧燃料電池示意圖。資料來源:編輯整理 經濟日報/製表
氫氧燃料電池示意圖。資料來源:編輯整理 經濟日報/製表

 

 

目前燃料電池按其使用電解質的種類,主要可分為:

 

 

  • 質子交換膜燃料電池(PEMFC、PEMC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

     

     

     

  • 直接甲醇燃料電池(DMFC; Direct Methanel Fuel Cell)

     

     

     

  • 固體氧化物燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)

     

     

     

  • 鹼性燃料電池(AFC;Alkaline Fuel Cell)

     

     

     

  • 磷酸型燃料電池(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell)

     

     

     

  • 溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC;Molten Carbonate Fuel Cell)等

     

     

    其中,又以 PEMC、DMFC 和 SOFC 較多為廠商與研究機構所開發。

 

 

SOFC電池備受關注

 

近年氫能議題浮現,而常見於國外,作為氫氣儲能發電的 SOFC 電池也受到關注。

 

 

工研院台南沙崙綠能科技示範場研發的SOFC 氫能熱電發電系統,目前可達到25KW...
工研院台南沙崙綠能科技示範場研發的SOFC 氫能熱電發電系統,目前可達到25KW,輸出的電力可以輕鬆煮咖啡。 記者劉學聖/攝影

 

 

根據工研院報導指出,SOFC 電池是透過電化學反應,將碳氫燃料能量轉換為電力輸出,具有發電效率高(大於 55%)、低污染排放、低噪音等特點,SOFC 系統可適用天然氣、沼氣、工業副產氫及純氫等多元料源,是極具潛力的氫能分散式電力技術。

 

除了發電外,SOFC 電池附帶產出的熱水,也能多元運用在供熱、醫療、溫泉等措施上。工研院與亞氫動力等公司合作,建立本土化 SOFC 系統整合技術,自製率達 75%。

 

目前已打造一套系統置於台南沙崙綠能科技示範場域。同時也與中油公司展開實場驗證,後續將布局國際燃料電池分散式電力市場,帶動國內相關產業發展。

 

PEMC電堆技術省成本

 

在燃料電池核心組件電堆中,雙極板扮演重要角色,不但要具有耐高溫、防腐蝕,還要有高導電性等特性。不過,過去雙極板大多採用碳板(石墨),厚度較厚,體積難以縮小,同時放在移動載具上時,也容易因為震動而裂開。

 

經工研院研發,開發金屬雙極板技術,除有效解決體積、成本(傳統碳板的50%)問題,也更加耐震動、耐衝擊,適合用在交通載具或設置於如:可攜式及備援電力設備上。

 

其隨時開關的特性,搭配獨有的金屬雙極板流場結構設計、多層導電碳薄膜與電池模組化等專利技術,能有效提升電池功率密度與壽命,進而達到減碳效益。

 

 

 

五、 氫能車問世 將再改寫車史?

 

 

除了大型氫能儲存設施,燃料電池同樣運用於氫能車發展上,過去幾年雖然氫能車已有發展,但市場仍是以電動車為主,不過,隨著政府大力推動,各家廠商看準藍海商機,紛紛搶進,未來規模有望盛於電動車潮。

 

氫能車技術

 

氫燃料電池電動車的動力,來自車內儲存的氫氣與燃料電池進行化學反應,並產生動力驅動車輛,行駛過程中只會排放水,因此又被稱為「終極環保車輛」。

 

 

 

 

氫能車作用原理很簡單,根據太古汽車(VOLVO)資訊指出,氫氣可用於為類似於壓縮天然氣(CNG)引擎「內燃機」提供燃料的氫內燃載具(HICEV)。

 

以及另一種解決方案,在燃料電池中使用氫氣,氫氣在燃料電池中產生電力來為車輛提供動力的氫燃料電池載具(FCEV)。此外,氫氣還可以作為輔助燃料電池使用,為電池供電的電動汽車延長行駛里程。

 

 

氫能車構造圖。 深度中心/製表
氫能車構造圖。 深度中心/製表

 

 

氫能車v.s電動車

 

看準能源商機,日韓車廠紛紛投入資源研發氫能車,並逐步推動普及化,台車廠也不落人後,先前三陽(2206)宣布與現代汽車(Hyundai)合作引進氫能源車。

 

此外,和泰車(2207)也與工業氣體大廠聯華林德共同宣布,將攜手氫能車輛先導示範。至於氫能車發展吸引力,對於電動車發展是否又會受到影響?(延伸閱讀:VIP》和泰攻氫能車 邁大步

 

 

日本豐田汽車開發的氫能車款「Mirai」,運用全新科技,是全球第一輛量產的燃料電...
日本豐田汽車開發的氫能車款「Mirai」,運用全新科技,是全球第一輛量產的燃料電池車。 記者劉學聖/攝影
日本豐田汽車開發的氫能車款「Mirai」,運用全新科技,是全球第一輛量產的燃料電...
日本豐田汽車開發的氫能車款「Mirai」,運用全新科技,是全球第一輛量產的燃料電池車。 記者劉學聖/攝影

 

 

首先,氫能車(FCV;燃料電池車)解決了純電動車(EV)最大的痛點,根據媒體 InsideHook 報導指出,電動車因電池無法忍受低溫,在零下的環境中行駛,續航里程會比平常少20%。在低溫條件下,對氫能車進行測試,在攝氏零下30度的極端氣候,仍照常行駛。

 

在充能與續航方面,根據 TOYOTA 表示,其旗下氫能車種 Mirai,加一次氫可行駛600-700公里,相較電能車續航力久,當車輛於加氫站進行加氫時,平均僅需3-5分鐘,時間上大幅領先於電動充平均時間的20-30分鐘。(延伸閱讀:VIP》氫能車行不行/加氫5分鐘可跑上百里,有里程焦慮的電動車該怕了嗎?

 

不過,以現階段來說,設置加氫站的成本約為充電站的5倍,而運送氫氣通常以液化氫的方式進行,需要在極度低溫(攝氏-253度)並存放於特殊鋼瓶中,較為複雜;且在氫能車的設計專利集中於數家車廠的情況下,氫能車暫時難以有多元廣泛的發展,若能突破技術限制,未來可期。

 

 

 

 

六、台灣氫能供應鏈 逐步抬頭

 

 

「氫谷」議題引發全球熱議,並成為科技界的新典範,除日本大力推行氫能產業外,台灣也逐漸引介氫能發電,使其成為綠能大軍的重要成員,激勵「氫經濟概念股」躍居未來市場布局的新寵。

 

 

台灣氫能供應鏈 深度中心/製表;溫于璇/製圖
台灣氫能供應鏈 深度中心/製表;溫于璇/製圖

 

 

 

 

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