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德瑞克說碳金融》第三十三講:「氫氣」完美並不美?─ 談氫經濟的限制

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。

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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