全球氫氣生產方式的發展與趨勢

資料來源 : 經濟部技術處 作者:石蕙菱/工研院

一、氫氣生產方式簡介

國際淨零排放趨勢興起,主要發展國家紛紛提出相關的減碳政策與技術發展。由於氫氣經過反應之後只會產生水不排放二氧化碳,且低碳與零碳氫氣的製造方式逐漸成熟,故在此減排風潮之中成為焦點技術之一。氫氣的可應用層面廣泛,過去多作為工業原料如生產氨氣、鹽酸之用,少部分用於半導體、電子材料的製程,在能源上的使用方式則為氫氣經過燃燒或電化學所產生的能量,可用以供電、供熱使用,為氫氣經濟(Hydrogen Economy)的一環。

二、氫氣製造技術分類

雖然氫氣在燃燒或化學反應過程中沒有汙染物的排放,根據其料源與製造方式,其製程碳含量也有所差異。以下介紹近期較為廣為應用的幾種氫氣分類與相關技術:

(一)灰氫 (Grey Hydrogen)

現今氫氣95%以上使用的製造方式,料源多為天然氣搭配水蒸氣重組法,意即利用在高溫觸媒環境下,利用水蒸氣與碳氫化合物反應轉換出氫氣,而甲烷(天然氣)為最常使用的料源。

(二)藍氫 (Blue Hydrogen)

利用化石燃料製氫之後隨即搭配二氧化碳捕獲、封存與再利用機制(Carbon Capture, Storage, and Usage;CCSU)成為低碳氫氣。

(三)藍綠氫 (Turquoise Hydrogen)

近年的新創技術,在生產氫氣過程中利用熱裂解技術直接將天然氣之中的氫氣分離之際,並將二氧化碳直接形成固體碳儲存。

(四)綠氫 (Green Hydrogen)

目前國際趨勢所在,生產方式多為利用過剩的再生能源(例如太陽光電或風力發電)在電解槽中水電解得到氫氣與氧氣。

(五)其他氫氣生產方式

除了上述四類,仍有其他氫氣生產方式也為各方討論範圍之中,只是目前市場或產業較少採用或仍待發展。

三、低碳/零碳氫氣市場發展挑戰

氫氣生產技術中,現今最為熱門的綠氫製造技術自1960年代即開始發展,過去主要應用於燃料電池的發電系統,因應用市場成長不如預期致使綠氫市場與技術發展曾一度停滯。近年在國際淨零排放風潮大盛、水電解製氫的轉換效率提升以及再生能源技術進步導致能源整合需求增加之後,如何大規模生產低碳與零碳氫氣的技術再次受到關注。然而,目前整體氫氣市場至今仍面臨以下問題:

(一)經濟效益與轉換效率仍待提高

現今發展氫能的國家皆以減少碳排放與空氣汙染為主要目的,然而,目前碳排放量最少的綠色氫氣受限於轉換效率問題,其價格難以與灰氫相比,至2030年之前,若沒有補助或碳稅等政策工具,綠氫仍不具成本競爭力,甚至在2050年之後才有機會直接取代灰氫。

(二)氫氣的儲存與運輸成本高,致使氫氣供應鏈相關技術發展路線多元

氫氣產生後,如何有效率且安全地儲存及運輸需要慎重考慮,因為儲存及運輸方式攸關氫氣的後續應用。氫的儲存方式現階段可分為壓縮氫氣、液態氫、儲氫合金(金屬氫化物)、奈米碳管儲氫四種,其中壓縮氫氣、液態氫為目前較成熟的技術,然而壓縮氫氣所需的加壓鋼瓶體積笨重,潛在危險性高,使用需特別注意。

四、低碳/零碳氫氣全球市場展望

由於主要發展國家(歐盟、美加、中國大陸、日本、韓國)陸續揭示其淨零碳排的目標與年限,致使大量相關的示範運轉計畫紛紛開始規劃與運行,其中日本、韓國與中國大陸為最積極發展氫能相關產業的地區,由於日本與韓國宣佈至2040年的戰略地圖且資源投注也相對較高,中國大陸也將燃料電池納入新能源載具的發展重點,預期亞洲地區可持續成為全球氫能應用的產業龍頭。

五、結論

氫氣乘著全球減碳的聲勢,可整合多種技術且較不受時間限制,可應用場域廣泛,前景看似十分遼闊;而低碳與零碳氫氣製造的主流技術尚未定於一山,吸引眾多單位投入,希望能搶得先機。但其技術要推進至商業化應用仍有相當一段距離,需靠政府提高長期支援力道,藉由技術提升拉抬市場需求,以利發電成本下滑及擴展其應用範圍。

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