從氫經濟看氫能的開發與未來

【撰文／工研院副院長胡竹生】

全球邁向減碳與清潔能源的路上，氫能正逐漸成為聚光燈焦點。工研院副院長胡竹生以宏觀角度，從人類使用能源的歷程，來看由石油經濟轉為氫經濟的趨勢。要扭轉150年歷史的石油經濟，政策支持固然不可少，技術突破更是關鍵，本文將帶您一探氫產製的現況與未來機遇，透過科技研發，加速實現氫經濟大未來。

近年來，氫能已經成為各國重要的發展議題。然而，把氫當成能源載體只是氫應用的一部分，我們應該更廣義的從經濟面來談，也就是所謂的「氫經濟」。相對應的是石油經濟，廣義的說石油經濟，應包含煤及天然氣等能源來源。以氫經濟取代目前的石油經濟是一個長遠的目標，但是這個過程充滿了各種挑戰，需要我們持續不懈的努力。

石油資源終將枯竭　氫經濟可望代之而起

根據美國能源資訊署的資料，一桶原油產出約85.6%為各類動力用油（如汽柴油）以及加熱與工業用油，其他14.3%的產出則提供我們約6,000類日常用品以及高科技產品的材料，最明顯的例子就是塑膠及人造纖維。人類據此發展出的石油經濟已有近150年的歷史，從開採，煉製一直到各種終端產品的製造，建構了非常龐大的產業鏈以及成熟製程，據統計2021年全球的石油煉製品市場規模約7,460億美元，這些都是能源及工業產品的上游原料，所影響的產業規模更是難以估計。考量這些資源都有枯竭的一天，勢必要有另一種經濟結構要發生，而以氫為能源載體及原料，就是目前看來最佳的方案。

脫碳產氫　成本是最大挑戰

人類使用氫氣，就像石油一樣有悠久的歷史，產業與供應鏈都相當成熟，例如煉製石油過程的氫化反應，用於生產氨（肥料），工業用酒精，醫藥，民生用油，矽晶圓製造中用於純化與表面清潔，半導體製程如清洗，退火，蝕刻與表面鈍化等，以及煉鋼製程中取代煤為還原劑等等。根據國際能源署的統計，2023年全球氫氣需求達到9,700萬噸，較2022年成長2.5%。需求仍集中在煉油和化工領域，主要由未減排的化石燃料製氫來滿足。

換句話說，以氫為原料的經濟活動已經存在多年，只是其規模尚未擴及能源領域。氫的化合物在地球有大量蘊藏，最大量的是水，其次是各類碳氫化合物如石油與天然氣等。而目前全球95%以上的氫氣生產來自於基化石燃料的蒸汽甲烷（天然氣）重組和煤氣化的灰氫和黑氫，過程中大部分沒有捕捉二氧化碳。這使得2022年氫氣生產導致約9億噸的二氧化碳排放。但是這個供應鏈的技術和成本優化已經非常成熟，如果要達到脫碳產氫，該思考的是如何針對成本及其下游產品的上漲做出因應，現階段這也是使得氫經濟活動脫碳，所面臨的挑戰。

2030低碳氫產製變數大　科技創新才能加速

總計各國宣示到2030年規劃的低碳產氫量是3,800萬噸，其中約2,800萬噸是來自使用再生能源電解水（綠氫），其餘1,000萬噸是來自石化原料加上碳捕捉（藍氫）。但是國際能源署的追蹤報告指出，目前確定投資的僅有4%，55%尚在很早期規劃，其餘的都還在可行性的評估階段，所以2030年的目標是否能達成仍是充滿未知數的。再者，這個目標屆時會是工業用氫的三分之一，有多少會用於發電或是儲能，目前很難預估。麥肯錫顧問公司在其2023年的全球能源展望報告中指出，對於綠氫的未來，不論是在製造，成本競爭力，以及投資上都屬於高風險的項目。在未達經濟規模前，除了仰賴政府投資以及強制法規，也必須投入積極的科技研發尋找低成本的生產方案，這才是加速實踐氫經濟未來的關鍵。

根據美國能源部先進研究計劃署（Advanced Research Projects Agency - Energy；ARPA-E）的研究報告，全球每年需要約5億噸的氫氣供應方能達成國際能源署所規劃的2050年淨零目標，如果要徹底達到能源轉型，例如燃料上完全取代天然氣等，則預估每年需要約10億噸的氫氣。

如果期望全部是綠氫，那麼以5億噸的目標以及產出每公斤氫氣需要45度電的效率，需要約22,500百萬兆瓦時的電能，等於22.5兆度電（1度電=1千瓦時），這還不算壓縮儲存的耗能。以國際能源署根據各國再生能源建置規劃的估計，2050年的全球再生能源發電量在25至30兆度電的規模，也就是說綠氫的生產要用掉幾乎9成的再生能源。這還沒有考慮以目前的電解技術所需的貴金屬如鈀、銥和鉑等，其需量預估是目前全球產量的7倍以上。加上開採煉製或是回收這些金屬所需的能源，這個情境是很有挑戰的。

熱能製氫技術　降低再生能源需求

因此比較務實的看法是在電能的供應上，需要考慮使用，具備便宜又環保的恆定發電電力以解決再生能源的不足。其次是需要加入從化石燃料裂解的藍氫，以及從生質料源產氫，這兩者與電解水不同，其主要產生氫氣的能量是熱能，例如驅動蒸氣甲烷重組的吸熱反應，包含後續二氧化碳捕捉與轉化的熱能均可由燃燒部分的甲烷或是氫氣供應。使用生質料源產氫也是類似的過程，只是如果生質料源是吸收大氣中的二氧化碳，這個過程中如不捕捉，則一般視為碳中和，也就是沒有增加空氣中的二氧化碳。如果捕捉，則可視為負碳。

總而言之，這兩個方式均不會對再生能源的供應產生負擔，但是化石燃料長遠來看需面對枯竭的現實。值得一提的是，近年來為了提升甲烷產氫的效率以及避免產生二氧化碳，許多研究使用電漿熱裂解的方法，直接產生氫氣及固體的碳黑。如果得以規模化是可以解決碳封存的困難，同時其所產的氫發電部分可以回饋提供電漿的電能，降低再生能源的需求。

氫受限能源效率　鎖定載具與偏鄉供電

如果所產出的氫氣用於發電，則必須謹慎考慮其應用情境。這個考慮的重要指標是所謂的往返效率（Round trip efficiency），意思是用1度電所產生的氫再去發電所產出的度數，用百分比計算。以再生能源儲能併網的應用來看，其目的是解決再生能源發電不穩定的問題，在剩餘時儲存起來供不足時補充。目前既有的儲能方法的往返效率是：抽蓄水力75至80%，飛輪80至90%，化學電池75至90%，電熱（ETES）65至75%，以及壓縮空氣（CAES）65至75%。

目前技術上電解水的綠氫再轉化為電能，往返效率為18%至46%，即使用效率較高的甲烷電漿熱裂解，其效率也僅在20%至50%。其重要原因是氫在壓縮儲存或事液化需耗費額外能源，例如壓縮將使用氫氣原始能量的10%至30%，而液化更耗能，消耗氫氣能量的30%至40%。再者，氫燃料電池產電效率通常在60%至80%左右。因此，用氫來儲存及發電的應用優勢，在於能量密度需求高且無法直接觸及電網的場合，例如汽車、飛機、輪船，或是沒有電網與供電不穩的偏遠地區，未來隨著技術的演進，其他的應用相信也會跟進。

短期石油與氫經濟並存　脫碳氫經濟充滿商機

從上述分析來看，除非石油枯竭或是其開採成本過高，以再生能源驅動的氫經濟現階段很難取代石油經濟，但是在減緩全球暖化的趨勢下，這兩種經濟活動將會並存。也就是說，將石油在能源及工業應用上去碳化，與產氫是同等重要。同時，從化石燃料中取氫所需要的碳捕捉利用及儲存（CCUS）技術，其重要性不亞於對綠氫供應的追求。

然而，綠氫基本上需要的只是再生能源及水，因此對國家能源與工業生產的韌性是極度重要。其次，我們不能忽略未來脫碳的氫經濟所需要的龐大產業鏈以及商機，尤其是從各項數字與科學推論，許多尚待克服的問題都需要科技來解決，例如目前電解水產氫的效率，與理論值的每公斤39度電尚有一段差距，這也提供了許多新創公司的機會。

帶動氫經濟發展是長遠目標，氫能除了生產的課題外，還包含儲存、運輸以及使用的層面，本文僅略窺氫氣生產的情況與問題，其他層面以及近年來逐漸受到重視的自然或地質氫，這些項目在規模放大上仍然面臨許多科技導入的缺口。而這些科技就仰賴政府與企業合作，積極的投入研發資源，也同時訓練技術與商業人才透過不斷的精進與創新才能克服，期盼大家一起攜手，努力為後代子孫留下一個更美好的地球。