林晏平 / 工研院產科國際所
離岸風電為綠氫經濟重要基石
氫(Hydrogen)是宇宙中蘊藏量最多的元素，約占整體質量的75%。於地球環境中，氫大多與氧或碳結合形成水(H2O)或碳氫化合物(如CH4)，僅有極少量以純氫氣(H2)型態存在，故現存商業用的氫氣需要另行製造，而非直接從自然環境中萃取。工業領域中已大量使用氫氣，如進行礦物加工、作為焊接保護氣體等，多是運用其化學特性；氫氣作為能量載體的概念早在19世紀已被提出，並掀起過數波風潮，但均未能將氫氣應用擴張到工業用途外。
2020年淨零碳風潮重新將「氫經濟(Hydrogen Economy)」構想推上檯面，並以歐洲為中心引起廣泛討論。氫經濟意指將氫氣取代石油作為主要能源的經濟體系，以解決石油經濟造成的環境汙染及蘊藏量不足等問題，而使用氫氣更可以協助交通運輸、重工業製造等不易減碳的領域逐步朝低碳轉型。
由於氫原子多存在於化合物中，有兩種主流技術可用於提煉氫氣，分別是蒸氣甲烷重組(Steam Methane Reforming; SMR)及電解水製氫。蒸氣甲烷重組製氫方式之經濟效益高，是目前產製氫氣的主流方式，但過程中會產生碳排放，故自碳氫化合物提取出來的氫氣又被稱為「灰氫」；若灰氫搭配CCUS技術(Carbon Capture, Usage, and Storage)，降低製程中的碳排放量，即被稱為「藍氫」。電解水製氫之最終產品為氫氣及氧氣，且若電力來源為再生能源，過程中不會產生碳排放，經此程序製成的氫氣則稱為「綠氫」。而依不同來源及製程組合，另有「藍綠氫(Turquoise Hydrogen)」。不同顏色氫氣之來源及製程請見圖一。
以當前技術及環境條件評估，綠氫的製造成本仍顯著高於灰氫及藍氫，而綠氫中又以離岸風電製成的氫氣最為昂貴。依BNEF(2021)預測，2030年由陸域風電及太陽光電製造的綠氫已可與灰氫競爭，並較藍氫具優勢；到2050年，綠氫已成為三種氫氣中成本最低廉者，且可在天然氣價格較高區域與其競爭，若輔以碳價(Carbon Pricing)制度，更可縮小兩者之間的成本差異，顯示轉型為綠氫經濟並非天方夜譚。
圖一、不同顏色氫氣之來源及製程
朝氫經濟轉型過程中，各國關注如何生成大量綠氫，以達成淨零碳目標。太陽光電、陸域風電及水力發電等再生能源可用於製造綠氫，但開發規模及集中度不比離岸風電；除此之外，離岸風電具有發電成本下滑空間大、擁有較高容量因數、不須佔據大範圍陸域土地等特性，故普遍被認為是生產綠氫的最佳電力來源。
離岸風電電解製氫系統架構
一套離岸風電製氫系統主要包含離岸風場、電解製氫槽(Electrolyzer)、輸氫管線及輸電電纜，而依Calado & Castro(2021)之研究，大致可依照電解製氫槽的設置地點區分出兩種系統架構。離岸風電電解製氫系統架構請參考圖二。
第一種架構將電解製氫槽設置於陸域，透過海底電纜輸送離岸風場之電力至陸域，電力可饋入電網也能用於製氫。此種系統設計之優點在於具備彈性，可於電力價格高時販售電力，反之則轉換為氫能儲存；此外，電解製氫槽及相關設備可設置於陸域建築物內，給予設備較佳的保護且提供技術人員較為安全的工作環境。但電力傳輸之初期投資成本較高，且輸送距離越長，能量耗損越多(視距離及規模，落在1-5%之間)，若轉換為氫氣再傳輸，類似---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。