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18/03/2022

能源界明日之星 ?「綠色氫能」排水不排碳,成未來零碳排關鍵 !

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  俄烏戰爭刺激油價狂飆,引發新一輪能源危機。但國際能源署(IEA)卻認為,當前危機也帶來能源轉型的機遇:在能源安全與經濟因素的考量下,全球各國可能會加快擺脫石油的過度進程。除筆者上期提及的潮汐能外,氫能(Hydrogen Energy)也被視為可替代石化能源的明日之星,尤其在空運、鋼鐵等「難以減碳」的產業,具有極大的應用潛力。高盛更預估,氫能發電有機會發展成為每年價值逾1兆美元的新興市場。

 

4類氫能:灰、藍、綠、青綠

 

  能源轉型,意指用綠色能源來取代化石燃料的使用。可是,對長程空海運輸、鋼鐵、化工等產業而言,單靠太陽能或風能未必可以有效支撐正常運轉;氫能的出現,就為這些產業提供另一個綠能選擇。

 

  氫的導熱系數比大部分氣體都要高,擁有低沸點、易燃燒的特性,不但能量比汽柴油和天然氣高,而且來源廣而不受地域限制。因應氫氣製造過程的差異,氫能可分為4個類別:灰色氫能(Gray Hydrogen)、藍色氫能(Blue Hydrogen)、綠色氫能(Green Hydrogen)、以及青綠色氫能(Turquoise Hydrogen)。

 

  透過燃燒化石燃料(煤炭或甲烷),進行蒸氣重整(Steam Reforming)或氣化(Gasification)所產生的的氫能,被稱為「灰色氫能」,其生產成本最便宜,但過程中仍會產生大量二氧化碳,因此不算是理想的綠能方案。

 

  如把「灰色氫能」生產過程中產生的碳排放,以碳封存(Carbon Capture and Storage)技術回收,就會升格為「藍色氫能」。目前全球四分之三的氫能都以這種方式生產,惟即使在最理想的情況下,只有85%至95%的碳排放量可以被成功回收,所以這不算是完全潔淨的能源。

 

綠氫被視作淨零碳排關鍵技術

 

  透過太陽能或風力發電,用電解方式把水還原成氫與氧,過程中產生的能量喚作「綠色氫能」,被視為真正零碳排的綠色能源。至於「青綠色氫能」,則是結合天然氣與甲烷來實現熱裂解技術(Pyrolysis),藉此產生氫能,惟迄今技術尚未成熟。

 

  國際再生能源機構(IRENA)的資料顯示,全球氫能生產仍是以灰色氫能為主,佔比高達95%,綠色氫能僅佔5%。但IRENA認為,綠氫才是2050年達成淨零碳排的關鍵技術。目前綠氫的技術尚在發展階段,未有任何一個國家有能力達到量產的階段。

 

在4類氫能中,IRENA認為,「綠色氫能」才是2050年達成淨零碳排的關鍵技術。(圖片來源:國際再生能源機構)

 

  盡管如此,不少國家已開始投入大量資金進行綠色氫能研究。根據IEA發表的《2021年全球氫能評估報告》,全球已有17國對氫能發展提出完整策略,到2030年全球相關投資可望達1.2兆美元(約9.36兆港元)。根據世界能源理事會(WEC)的資料,大部分國家計劃將綠色氫能應用在運輸(長程飛行、航運)、工業(鋼鐵、化工等)、以及能源(儲能)等領域。

 

  歐盟執委會於2020年7月制定「綠色氫能發展策略」,目標是2024年可以生產6GW(吉瓦,即100萬千瓦)的綠色氫能,到2030年提高至40GW,預計屆時綠色氫能可以被大量引進到「難以減碳」(Hard-To-Decarbonize)的產業,如鋼鐵、化工、航運等。

 

氫能車與的士車隊陸續上路

 

  繼歐盟之後,法國於2021年9月發表國家氫能計劃,在2030年前投資72億歐元(約620億港元)推動氫能發展;同時,法國企業亦開始進軍氫能領域。全球第2大工業氣體製造商法國液空集團(Air Liquide)於2021年3月宣布,在2035年前要投入80億歐元(約690億港元)部署低碳氫能供應鏈,目標是到2035年集團總碳排放量要降低33%,及至2050年達到碳中和。

 

  為求大幅減排,液空集團將會逐步改變氫氣的生產模式:從分解甲醇產生的「灰氫」,轉換為綠能發電,再以水電解方式生產的「綠氫」。該集團現正積極興建水電解製氫廠,之後只要買到足夠的綠電,即可大量生產綠氫。

 

液空集團旗下的水電解製氫廠,可以供應超高純度綠色氫氣給半導體廠商,滿足極紫外光微影技術(EUV)對超高純度氫氣的需求。(圖片來源:Air Liquide官網)

 

  除單打獨鬥外,液空集團又跟外國企業聯手推動氫能事業。2018年,該集團與韓國現代汽車合作生產氫燃料電池車Nexo,兩年後在全球氫能車市佔率接近7成。2020年,該集團與豐田汽車的合資公司HysetCo在巴黎建立氫能的士車隊,初期規模有600輛,預計到2024年將擴增至10,000輛。

 

Hyundai NEXO 氫能車搭載最高出力163PS、最大扭力395Nm的電動馬達,極速為179km/h;車內馬達是由氫燃料電池所驅動,只要加入氫氣便能夠充飽電池。(圖片來源:Hyundai官網)

 

法國氫能列車替換柴油火車

 

  2021年,液空集團與韓國仁川機場合作,在機場內建設2個高容量的加氫站;2022年2月,該集團又跟仁川機場、大韓航空、以及空中巴士簽訂備忘錄,合作研究如何在仁川機場建立氫燃料基礎架構,為第一代氫動力飛機做準備。

 

液空集團將與空中巴士、大韓航空和仁川機場攜手建構一份藍圖,研究如何在仁川機場使用氫燃料,又會建立各種情境,支援氫燃料生態的部署,並連結至韓國其他機場。(圖片來源:Air Liquide官網)

 

  另一家法國企業阿爾斯通(Alstom)則聚焦於研製氫能列車。該公司於2018年在德國測試全球首輛氫能列車,現已進入量產階段,迄今已接獲41個訂單。2021年,法國國家鐵路公司(SNCF)向阿爾斯通訂購12列氫能列車,將會派駐東南部的奧弗涅-羅納-阿爾卑斯、中部的勃艮第-弗朗什-孔泰、大東部地區、以及南部的奧西塔尼,預計於2023年底進行首次軌道測試,目標是2025年投入服務。

 

  氫能列車是透過安裝在車頂的氫燃料電池,將氫氣與空氣中的氧氣混合在一起,產生驅動列車的所需電能,運作過程中只會排放水蒸氣。阿爾斯通在德國試行的車型屬單能源模式,只靠氫能運行;在法國的車型則是雙能源模式,既可由氫能驅動,又可在電力牽引下運行,在非電氣化路軌上的續航里程能達到600公里。法國當下有1,200列柴油火車,政府預計用這種氫電列車陸續替換。

 

阿爾斯通的氫能列車是全球首款用氫燃料電池驅動的列車,行駛時零碳排,只排放水蒸氣,噪音也減少許多。惟美中不足的是,它仍使用由化石燃料製造的灰色氫能,而非再生能源產生的綠色氫能。(圖片來源:Alstom官網)

 

鋼鐵業轉用氫還原冶煉金屬

 

  在全球工業領域中,鋼鐵業的碳排放量最高,佔比達到3成左右。煉鋼時要把鐵礦石放入高爐或電爐中,在高溫下用碳將鐵氧化物還原,以提取金屬進行冶煉,過程中無可避免地會產生大量二氧化碳。為降低碳排放,有業者提出採用氫還原法來取代碳還原法,因為使用氫氣,過程中會排放的只有水,同時氫氣也可以為電爐提供電力,變成一站式的「綠氫煉鋼」。

 

鋼鐵煉製過程中,高爐中的焦炭還原劑可以用氫取代,運作期間只會排放水,不會有任何釋出有害污染物。(圖片來源:Steel.org)

 

  但問題是,現時氫供應量有限,不能滿足鋼鐵業的需求。例如日本每年從鐵礦石生產的粗鋼大概7,500萬噸,假如全面使用氫還原法來冶煉,就需要700萬噸氫氣,惟2017年日本以能源方式流通的氫氣量僅有200噸而已。此外,目前氫氣價格仍然偏高,起碼要降價一成,才符合成本效益。

 

  面對降低碳排放的壓力,日本製鐵、寶武集團、阿賽洛米塔爾(Arcelor Mittal)等鋼鐵業大廠,現正爭相開發氫還原技術,惟研發本身已相當燒錢。日本製鐵評估,氫製鐵技術要實現商業化,所需的研發費用可能高達4兆至5兆日圓(約26億至33億港元)。

 

氫電池滿足長時間後備供電

 

  氫氣廣泛存在於水中,看似唾手可得,但卻不像天然氣、太陽能等一次能源可以直接開採,必須經過轉換始能使用,而在轉換過程中就會有能量耗損,故此用氫發電並不划算。可是,把氫氣用在後備供電卻無可厚非,因為一旦遇上斷電,就算再貴都要使用。現時以甲醇水產氫發電,每度電成本約5.5港元,跟柴油發電相若。

 

氫能儲能系統已開始走入平常百姓家。澳洲初創Lavo推出的家用氫能儲能系統,能夠儲存屋頂太陽能板產生的盛餘電力,以電解水製氫方式產生氫能與氧氣。(圖片來源:Lavo官網)

 

  近年,氣候異常情況時有發生,迫使全球政府與企業積極面對防災、加強韌性的問題。2011年311大地震後,日本政府開始意識為通訊設備提供長時間後備電力的重要性;2019年,日本遭遇兩次颱風侵襲,引致大規模停電,令部分地區斷絕通訊,終於讓政府下定決心改革。

 

  日本總務省擬修改通訊設備後備電力的制度,涵蓋範圍擴展至地方政府的通訊設備,要求後備電源至少要支撐24小時;偏遠山區或離島的政府機關,更要達到72小時或以上,而氫燃料電池正可滿足這種長時間後備供電的需求。目前橫濱水道局無線設備、京急電鐵無線設備的後備供電,都是來自氫能儲能系統。

 

氫能普及關鍵在於成本問題

 

  全球對氫能的需求,主要是由再生能源製造的綠氫。最理想的做法是,當再生能源全面普及後,把盛餘電力用作水電解產氫。歐盟正是看到風能、太陽能的成本已開始下降,所以在2021年夏季決定擴大氫能部署。

 

  現時全球差不多有400項綠氫計劃正在進行,預計到2030年氫能年產量可達到800萬公噸,但依然遠遠低於減碳目標的8,000萬公噸。高盛(Goldman Sachs)於2022年2月發表的報告指出,目前氫能發電的市場規模約為1,250億美元(約9,750億港元),到2050年總潛在市場可望攀升到1兆美元(約7.8兆港元)以上。

 

  氫能產業能否成長至如此規模,關鍵在於成本問題:當下氫氣的運輸與儲存成本均太高,不能降低成本的話,氫能就無法普及。惟業界對此持樂觀態度,認為幾年前鋰電池成本還是居高不下,大部分人都覺得電動車難以普及起來,但隨著電池技術不斷改進,生產成本也隨之下滑,現在電動車已變得愈來愈便宜,逐步邁向市場主流的位置。由是觀之,氫能普及可能沒有想像中那麼遙遠喔!

 

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