周宜欣 / 行政院原子能委員會核能研究所 、顏溪成 / 台灣大學化工系
氫氣為具有吸引力的能源載體，其可因應脫碳於導致全球氣候暖化之發電產業、工業及運輸。隨著可再生能源的發展，為解決能源供應的間歇性問題，儲能系統的使用需求量也隨之增加。儲氫系統具環保及承接綠能特性，被認為是一個有潛力的解決方案，可以提高可再生能源系統的靈活性和彈性，同時降低總能源價格，更被視為未來推動綠能的關鍵角色。本文列舉各種製氫方法，包括生物質技術、蒸汽重組、電解技術、甲烷裂解、煤氣化和水電解等；最後將論述未來氫氣應用需求趨勢，以及碳中和布局規劃，以實現2050年淨零碳排目標。
【內文精選】
氫氣應用需求趨勢
關鍵能源應用領域皆顯示氫氣需求量積極增長，2021年全球氫氣需求達94 Mt，相較2020年增加5%，已恢復到2019年疫情前91 Mt的用量，相當於全球總能源消耗量的2.5%。其主要增幅來自於新型氫氣應用模式加速部署於煉油和工業，該用氫量相較2020年增加60%，提高至40萬噸。氫氣用於燃料電池(Fuel Cell; FC)，可達到發電且不排放任何污染物之目的；可再生能源產製氫，特別稱其為綠氫，於工業、公共交通和室內空調更具應用優勢。自2014年燃料電池電動車(Fuel Cell Electric Vehicles; FCEV)商業化以來，FCEV布局於汽車、巴士及商用運輸車輛市場，近年全球FCEV售出量如圖一，2020年為33,000輛，截至2021年底，FCEV更達最高年度出貨量，超過51,000輛。氫能越來越受到關注，德國率先營運氫燃料電池列車；在航運方面，有超過100項使用氫氣及其衍生物的先導和示範計畫(P&D Project)正在進行。同時，主要的大型企業亦已經簽署戰略合作夥伴關係，以確保氫燃料供應，能源單位評估2030年潛在氫能容量累計將達近3.5 GW。
圖一、用於汽車、巴士及商用運輸車輛之FCEV售出量
煉油廠使用氫氣去除雜質，針對除硫特別有效，如此可將重質油升級為輕質產品。全球煉油之氫氣近年需求量統計與2030年評估如圖二。2018年煉油廠產能處於歷史高峰，氫氣需求亦達史上最高40 Mt；因疫情爆發，消費者–交通工具之經濟活絡程度急劇下降，煉油之主要石油產品用量同步減少，2020年氫氣耗量下降至38Mt；2021年疫情緩和，刺激精煉石油產品需求，支撐精煉業快速恢復，用氫量接近40 Mt；2022年煉油業氫氣需求達到更勝41 Mt的新紀錄，此為由於全球原油恢復加工與2020年發布低硫排放限制法規所致。
圖二、全球煉油之氫氣近年需求量統計與2030年評估
製氫技術彙整
運用多元原料製造氫氣，包括化石能源和可再生能源；而產氫施行方法則可分為碳氫化合物氣化、觸媒催化、生物法、電化學、光化學和熱化學等。
3. 電解
水是一種可即時取得的物質，透過電解分離成氧氣和氫氣，搭配精確設定程序，單一電解設備之電解功率為kW級至2,000 kW，水電解過程產生氧與純氫，該產氫成本為2.40~3.60 USD/kg。儘管近兩世紀以來，科學家都理解電解水能產生高純度氫氣，但實用上仍侷限於小型規模及獨特實施環境，例如海洋、火箭、宇宙飛船和醫療保健。大規模電解產氫設施不具成本可行性，因此電解水製氫僅占目前全球4%的氫氣生產量。
6. 核能產氫
基於各種核能系統皆可以用於產氫，包含使用特殊化學技術將水進行核熱轉換，如鈉–碘循環與核能水解。此外，利用核能過剩熱，高溫電解可以減少所需額外能量。從減碳角度來看，利用核能產氫相當具有吸引力，但選用此法關於鈾提取、冶煉及後續放射性廢棄物管理，可能誘發開採鈾礦影響環境及相關衍生問題。
7. 生物質技術
生物質技術區分為熱化學和生物程序處理，熱化學操作成本較低，若在較高溫度運行，可達更快的反應速率。生物質燃燒被視為一種具發展潛力的可再生氫氣技術，利用生物質資源建立大規模高效的產氫模式，從生物質生產氫氣技術，可搭配製成膠黏劑、碳黑、活性炭、聚合物、肥料、乙醇、酸類、柴油、石蠟和甲醇等產品。
氫氣減碳技術布局
2021年全球推行碳捕獲、利用和封存(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)，隨著產氫模組規模化增長，2022年中國推動減碳計畫，預計每年提高捕獲0.7 Mt CO2，若如期實現規劃項目，2030年年捕集將達80 Mt CO2 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期，更多資料請見下方附檔。