大家好，我是德瑞克，我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣，同時也抱著高度質疑。
「氫氣」完美並不美？（圖片來源：https://pixabay.com/）
前一講裡，我們介紹了「氫能源」的優點。但是一切真的這麼美好嗎？還是像李玖哲的歌-「完美並不美」？「氫能源」究竟是清潔能源的未來，還是被高估了的解決方案？
在這一講裡，我們將從基礎科學著手，藉由熱力學、化學、流體力學等科學，從「氫」的本質來瞭解這項能源的使用限制。放心，這篇文章不會有複雜的公式，如果對相關方程式有興趣的讀者朋友，可以上網搜尋《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》（氫經濟的未來：光明還是黯淡？），這是三位能源專家在2003年所合著，本文援引的立論與數據主要來自於此。
之所以從物理化學等基礎科學出發，因為這是自然規律。很多時候，我們會因為所處的位置不同而有不同的立場，但是物理不會。氫元素的物理特性不會被投資狂熱或是政治決定所扭曲改變。
因此從元素氫的基本性質來探究「氫經濟」的極限，是一個理性且中立的起點。讓我們開始吧！
由兩個氫原子所組成的氫氣分子H2示意圖。（圖片來源：https://pixabay.com/）
老子曰：「禍兮福之所倚，福兮禍之所伏」。好事跟壞事是互相連動的，優點之所在往往也是缺點的由來。讓我們再回顧一下，上一講提到的「氫」的基本特性：
氫是最輕的元素，意思就是說單位體積下，氫氣H2是世界上最輕的物質，只有甲烷CH4 （天然氣的主要成分）的八分之一重。
同時也提到若是以相同重量比較，氫的能量含量是所有常見燃料中最高的。
只是，對於大多數氣體實際應用，並非受限於重量，而是被體積所限制，因為儲存槽或是儲存罐都有體積的限制，特別是應用在汽車上（總不能放一個比車身還大的儲氫罐上路吧！？）因此，在氣體燃料的實際應用上，比較單位體積所含的能量其實更有意義。
別忘了，氫是密度最小的氣體，下表比較了氫與甲烷（天然氣）的能量比較，即使氫在單位重量的能量比甲烷高了2.5倍（142比上55.6），但是因為氫的密度只有甲烷的八分之一，一旦改用單位體積的能量做比較，那氫氣就只有甲烷的三成而已了（12.7比上40）！
作者整理，資料來源：《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》
另外，氣體是可以加壓的，一旦氣壓加大，那麼單位體積裡就能塞進更多的氫分子，確實可以有更高的單位體積能量。而且氣態佔用的體積大，那麼降溫變成液態是不是體積就小得多了？體積一旦縮小了，單位體積能量就變高了，那氫的問題是不是就解決了？
從下圖，讓我們來看看加壓後與液化的氫氣（藍色框內），在單位體積能量上，跟其他燃料比起來，你還覺得它那麼有競爭力嗎？
資料來源：《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》
為了讓「氫氣」能成為人們日常使用的能源，必須要有完整的供應鏈，這些服務將構成一個完整的產業鏈，稱為氫經濟（Hydrogen Economy）。
下圖是「氫經濟」可能的樣貌，可以分成三個主要部分。
（資料來源：https://conventuslaw.com/）
第一部分是氫的產生 （圖中藍色線條），可以分成綠氫跟藍氫。
綠氫是用可再生能源所產生的電力，經過電解槽去電解水，而產生的氫。
藍氫則是用石化燃料（主要是天然氣），經過重整之後所產生的氫。而過程中連帶產生的二氧化碳，則需要用CCUS（碳捕獲／使用／儲存）的方式去化。
第二部分是氫的再製與配送（圖中紫色線條），包括將氫氣製成氨氣，透過管道、車輛、船舶的方式配送出去。
第三部分是氫的使用（圖中黃色線條），包括產生電力、提供給工廠渦輪燃燒、或者是提供給家庭供暖，以及加氫站與氫能源車。
說到這裡，讓我們先定義一個名詞–「能源載體（Carrier）」，或者說是二級能源。
所有自然存在且本身就具備能量的，我們稱之為一級能源，像是石油、天然氣、太陽能、風能，這些是不需要人為生產製造，自然存在且具備能量。
而像是電力與氫氣，因為本身在大自然很稀少，需要用上述的一級能源去轉化而來的，我們稱之為二級能源。這些二級能源之所以也稱作能源載體，是因為能源經過轉化之後，產生了電力與氫氣，成為了搭載能源的載體。
根據物理學中的能量守恆定律，當能量從一種形式轉換為另一種形式時，也就是從一級能源轉換到二級能源時，將會有一些能量損失在環境中。
比較一下，在發展超過百年的龐大石化產業中，也需要經過生產、再製、運輸、儲存、分銷等工作。而從油井到消費者之間的能量效率，石油大約是88%，而天然氣大約是95%。
如果是將一級能源（石化燃料／太陽能／風能）轉換產生電力，金屬電線將透過現有的電網從發電廠像用戶端輸送電力，而電力傳送的效率超過90%。
那如果是氫能源呢？同樣作為二級能源，氫能源的效率是多少呢？讀者們可以猜猜看，結果可能會讓你大吃一驚。（90%？75%？50%？還是更低？）
（資料來源：《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》）
讓我們將「氫經濟」更濃縮成上圖，然後看看每個階段中，能量的投入產出比有多少，從而計算整條產業鏈的轉換效率。
「生產」（Production）：以未來兩種主流的低碳氫做分析。
（A） 若是生產綠氫，需要電力去電解水，考慮極化損耗，最佳狀況約為70%的能源轉換效率。（PS. 若是為了產能而加大電流，則轉換效率將更低）
（B） 若是生產藍氫，光是把甲烷重整，能源轉換效率就只有90%左右。若是把CCUS所需要消耗的能量也加計進去，估計能源轉換效率將低於90%。
「包裝」（Packing）：因為氫的密度很小，為了商用化，在配送之前要先經過壓縮氣體或是低溫液態化，才能讓運輸儲存空間或是管道，能有效率的運作。
（A） 若要將氫氣壓縮，壓縮氣體需要能量，能量計算來自於熱力學。
如下圖，壓縮氫氣比壓縮甲烷（天然氣）需要更多能量。如果要把氫氣壓縮成商用化程度20MPa（大約是200倍的大氣壓力），壓縮所需要的能量大約是氫本身能量的8%。也就是得多花8%的能量來壓縮氫氣。
氫壓縮氣和甲烷所需能量，取自《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》
（B） 若要將氫氣液化，則需要比壓縮更大的能量，因為氫氣的凝點非常低，達零下255度的超級低溫。一般評估，液化大約需要氫本身能量的40%，也就是得多花40%的能量來壓縮氫氣。
還不只如此，液態氫儲存系統會因蒸發而損失一些氫氣。這是由於不可避免的熱洩漏，出於安全原因必須允許。損失率取決於儲存容量，但對於用於車輛的損失率會很大，可能達到每天3%到4%
「配送」（Distribution）：這裡主要分析公路卡車配送與管線配送
（A） 公路卡車配送，因為油罐車的體積相同，在同等都是20MPa的壓力之下，能運送的氫氣重量只有甲烷（天然氣）的八分之一。這讓油罐車運送氫氣的效率遠低於運送天然氣。
由下表可看出，用只能固定體積大小的油罐車來運送氣體燃料，真的很不划算。當液態燃料（液態氫、甲醇、乙醇、丙烷、汽油）運送每一百公里只消耗燃料本身能量不到1%時，氣體燃料因為密度低，每一趟能裝的容量不多，換算起來每一百公里需要消耗能量本身的6%。差距相當驚人！
這也是為什麼比較適合氣體燃料的運送方式，是建立固定的管道，例如俄羅斯通往歐洲的北溪一號。天然氣如此，氫氣也是如此。
能量消耗比例與公路運輸距離，取自《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》
（B） 管道運輸：先不論建立固定管道的前置成本多高，這裡我們先只探究能源投入產出比是否划算。依照流體力學計算，為了在管道中以固定流速運送氣體燃料，需要在每間隔一段距離安裝壓縮機，而壓縮機的能量來源則是管道中的氣體燃料。
因此管道中被消耗掉的氣體燃料就是管道運輸的能量來源。下圖是管道運輸長度與剩餘氣體燃料的百分比。假設管道長3000公里，則氫氣只剩66%（運輸消耗掉了34%），而甲烷則還有80%（運輸消耗掉了20%）。
剩餘能源比例與管道運輸長度，取自《The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak？》
不只如此，因為氫分子特別小，氫氣可能滲入管道的金屬壁面導致管道脆 化，稱為「氫脆」，會讓管道壽命與可靠度降低。也因為分子小，氫氣外洩的問題可能比目前甲烷（天然氣）外洩的問題更嚴重。
（C） 氫氣在儲存罐之間的轉移：這一點在氫能源車上特別重要。
就像加油站與汽油車的關係，氫氣得先儲存在加氫站的儲存罐中，然後需要的車輛倒加氫站時，再將氫氣轉移到車輛上。一般來說，加氫站因為儲存場地大小較不受限，儲存槽通常設定在10MPa的氣壓，而車輛因為車身空間有限，需要將氫氣儲存罐壓縮到35MPa的壓力下，能多裝一些才符合車輛的遠程需求。
因此，要將氫氣從較低壓（10MPa）的儲存罐轉移到高壓（35MPa）的儲存罐中，需要有壓縮機輔助，預估需要消耗氫本身能量的3%。
好了，我們要來揭開謎底了。從氫的生產到使用，整條「氫經濟」供應鏈上的效率是多少？ 答案是低於50%。
因為，氫生產的轉換效率為70%~90%（綠氫70%，藍氫<90%），乘以壓縮或液化的處理效率為70%~90%（壓縮要消耗8%，液化要消耗40%），再乘以運輸轉移的效率預估70~80%（視運輸距離長短而定）。
所以，從生產端到消費端的氫供應鏈，能源轉換效率幾乎很難超過50%。
在供應鏈上消耗掉的能量，大過於最終消費者能使用的能量。在能源越來越珍貴的未來，這似乎不是最好運用能源的方式。
而過程中我們一直拿來作為對照組的甲烷（天然氣），雖然背負著排放二氧化碳的惡名，但是不得不說，在能源供應鏈與轉換效率上，還是比氫氣好上許多。
重點是，上述的能量計算都基於氫的基本特性與物理法則，而這些特性並不像成本或其他商業指標一樣，可以透過擴大投資研發與營運規模獲得改善。
氫氣常溫下是氣體狀態，再加上密度特別小，這構成了「氫能源」最大的弱點，因為需要消耗大量的能源在壓縮／液化／輸送／儲存等供應環節上。雖然單就氫氣本身來看，乾淨又隨處可及，似乎是再完美不過的能源了。但是這樣的完美背後，卻是得以供應鏈的能源付出做為代價。
隨著能源變得更加昂貴，我們是不是應該選擇最節能的解決方案？
難道，氫能源就這麼一無是處？
那倒未必，氫能源還是未來能源的路線之一，只是它可能沒有像期待的這麼萬能而已。只要我們只要取其「優點」，避開其「缺點」，氫能源還是很可愛的。
以下是彭博新能源財經 （BloombergNEF）創辦人邁克爾（Michael Liebreich）認為「適用」與「不適用」氫能源的產業類別，邁克爾把這樣的氫能源的產業適用度描繪成一個梯子（The Ladder，如下圖）。
梯子上面綠色的產業類別是「適用」氫能源的，而梯子下方的紅色產業類別是「不適用」氫能源的，因為我們可以有更好的選擇。
氫能源的產業適用梯表，資料來源：The Liebreich Associates
下一講，我們就來說說，哪些產業比較合適氫能源？哪些產業可以有比氫能源更好的選擇？
還有，我們要來研究幾個主要國家的氫能源路線圖。
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