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德瑞克說碳金融》第三十四講:「氫」如鴻毛,還是重如泰山?談氫能源發展方向

其實,沒有完美的能源,只有相對適合的能源,就像世上其他的事物一樣。我們能不能取其優點,避其缺點,讓氫能源成為低碳世界的一環?這一講,我們從多方觀點,彙整未來氫能源可能適用的產業與方向。

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。

氫能源如此之輕,該怎麼用它呢?(圖片來源:https://pixabay.com/)

我們在前兩講中,分別講到了氫能源的優點與限制。

氫能源本身很乾淨,跟氧氣反應產生能量之後,只會產生水,不會產生二氧化碳。這讓苦惱著2050淨零排放該怎麼達成的各國政府與產業,看到了一絲可能的曙光。

但是,氫氣因為密度小、體積大,導致在儲存與運輸的過程中,需要使用大量的能源與資金。供應鏈上的難以實現,讓另外一派人士認為「氫能源」是被吹捧過頭的假議題。

其實,沒有完美的能源,只有相對適合的能源,就像世上其他的事物一樣。我們能不能取其優點,避其缺點,讓氫能源成為低碳世界的一環?這一講,我們從多方觀點,彙整未來氫能源可能適用的產業與方向。

氫能源適合用在哪些產業? 讓我們先回顧一下,上一講文末提到的「氫能源產業適用梯度表」。這是彭博新能源財經 (BloombergNEF)的創辦人Michael Liebreich所創造。

氫能源的產業適用梯表。(資料來源:The Liebreich Associates)

首先,「氫」同時具備了「原材料」與「能源」兩種身份。長期以來,氫氣本來就做為化學原材料,廣泛用在氨基肥料、煉油與化學合成上。這些產業應用因為使用氫氣作為原材料,短期內沒有替代方案。因此位在梯度表的最上端(屬於不可避免 Unavoidable)。

而其他難以依靠電力脫碳的產業,像是鋼鐵業(因為光靠電力難以達到需要的上千度高溫),以及長途航運(因為電池續航力有限),則必須依靠氫氣作為能量來脫碳。因此這些應用也位於梯度表的高位。

還有,光用電池很難達到大規模且長時間的儲電,面對全球越來越多的可再生發電能源(像是太陽能與風能),短時間的變動可以用電池來調整(像是白天到晚上)。但若是面對季節性的變動,像是夏天的日照比冬天強,或是冬天的東北季風特別旺盛,這就需要長時間且大規模的儲電,氫氣會是比電池更合適的方式。可再生能源與氫儲能相結合,將有助於讓季節性的能源調度更有彈性。

下圖是各種儲能方式的比較,橫軸是可儲能的容量,縱軸是可儲能的時間。可以看到,電池適合於短時間與小容量的儲能,而氫氣適合長時間與大容量的儲能。

(圖片來源: https://www.energy-storage.news/)

等等,上一講我們不是才說到,氫氣密度小所以體積大,因此若是要儲存需要很大的空間,那製造這些儲存空間也需要很大的成本,不是嗎? 是這樣沒錯,但如果有合適的地理條件,儲藏在岩洞裡,則可能是一個不錯的辦法! 在美國猶他州,就有一個十億美元等級的大型專案在進行,而且該項目被猶他州州長稱讚,有機會將猶他州變成美國西部公用事業規模存儲的中心。這個專案可以很好地說明氫氣做為長期儲能的案例。

(圖片來源:https://www.energy-storage.news/)

首先,將可再生發電透過電解水而產生氫氣(此為綠氫),然後將氫氣儲存在發電廠底部的大鹽丘中,目前預備開發兩個洞穴,而每個洞穴都有帝國大廈的大小。這樣氫氣儲存下來的能量,若是換成鋰電池用儲存,則需要四萬個貨櫃的鋰電池才有辦法做到,幾乎不可能實現。

而當需要發電的時候,則將氫氣做為燃料,送到燃氣輪機發電,預計可以提供洛杉磯市五分之一的電力。簡單看就是把太陽能變成電力,再把電力轉變成氫儲存起來,等到要用時,再把氫氣透過燃氣機組轉化為電力。

談完了適合用氫能源的產業,再來看看梯度表下面,但是請注意這裡的形容詞是「Uncompetitive」,也就是沒有競爭力的。並不是說這些產業應用氫能源不好,而是在能源消耗與投資成本考量下,使用其他的能源方式會比氫能源更有競爭力。

這些被列為使用氫能源沒有競爭力的應用,主要包括氫能源汽車與家庭供暖。因為在這些應用上,用電力直接來供給,像是電動車與電熱泵,可以省去大量運輸與配送的成本。而氫能源因為本質使然,就是不利於過於頻繁的轉銷與配送。

相同的論點也出現在國際可再生能源機構(IRENA)的規劃上(如下圖)。縱軸指標是跟其他低碳能源相比,目前氫能行業發展的成熟度,圖表越上方代表此行業越成熟,因此投資門檻較低。而圖表越下方則表示行業尚未成熟,要大量的投資才有機會帶動產業發展。

橫軸則是描述產業是偏向分散式(Distributed)還是集中式(Centralized)的。如果像是家庭供熱需要廣布管線到每個社區,還有都會用車輛需要綿密的設置加油站,就是屬於分散式的產業;而大型煉鐵廠、長程飛機、大型氫儲存地點,就是偏向集中式的產業。

(作者整理,原圖來源:IRENA)

產業若越是集中式的,能夠盡量減少運輸配送的過程,才能發揮氫能源的好處。 反之,產業若是偏向分布式的,過程中需要層層轉手、分成數段配送的,則氫能源在供應鏈上耗能的缺點將被放大,喪失競爭力,此時直接使用電力將是更好的選擇。

還記得嗎?Tesla創辦人馬斯克曾經大肆批評氫能源,今年五月,馬斯克在接受英國《金融時報》訪問時說:「把氫當做儲能手段簡直是最愚蠢的想法」。為什麼呢?

下圖是歐洲非政府組織運輸與環境機構(T&E)對車輛所使用能量的效率比較。結論是現在來說,使用電力來驅動車輛,能源效率最高,即使科技發展到了2050年,這個結論依然沒有改變。

因為要把太陽能發的電透過電解過程變成氫,能量就只剩76%了;而運輸、儲存和分配又會讓能量再減少11%,所以光是從可再生能源發電廠到加氫站,能源就只剩原本的68%而已。而在氫能源車中,又要再把氫能源轉換回電能,這時候又將浪費掉一半的能源。因此,從可再生能源發的電,實際只有三分之一能轉換成氫能源車的動能。 但是如果直接透過電力呢?電網傳輸的損失大概只有5%,再加上充電樁與電池效率等等考量,預估電力將有77%可以轉換成電動車的動能。以電動車供應鏈上77%的能源轉換效率,對比氫能源車供應鏈上的33%,確實是不小的差距。

(圖片來源: Transport & Enviroment)

但是,氫能源車難道真的沒有機會?那為什麼日本豐田汽車(Toyota)跟韓國現代汽車(Hyundai)都全力發展氫能源車?事實上,說不定勝負尚未分曉。

從日經中文網所做的調查,在2019-2020年之間全球申請的專利數量中,排名前十名裡有六家是汽車公司,包括豐田(Toyota)、日產(Nissan) 、現代(Hyundai) 、本田(Honda) 、通用汽車(GM)跟韓國起亞(Kia)。表示日韓美大車廠仍押寶在氫能源車,那他們看到了甚麼?

(資料來源:日經中文網)

撇除掉前述能源效率較低落的問題、以及氫能源車與加氫站如何產生經濟規模的問題(沒有加氫站,誰會想買氫能源車?可是還沒有人買氫能源車,誰願意投資設加氫站?當初電動車也遇到相同的雞生蛋、蛋生雞的問題)。

其實氫能源車的優點如下:

潛在續航力強

因此對於長途與重型的運輸,像是長途卡車、大型飛機或輪船,可能是比電動車更高效並合乎邏輯的選擇。因為電池很重,為了增加續航力而攜帶過多電池,將被電池重量拖垮而導致效率損失。

加氫速度快

基本上加氫的時間跟加油差不多,比充電快多了。在都會區密集的地方(像是日本、韓國、新加坡、香港等),並不像地廣人稀的美國,那麼容易在自家車庫安裝充電設備,因此電動車在都會區可能面臨排隊充電的問題。只要能合理設置加氫站(突破前述的雞與蛋問題),氫能源車將更合適於都會型國家。

而在夜間電動車充電的高峰期,正好撞上了太陽能發電的低谷,這會造成電網調度上的困難。而且這樣的情形還可能加劇,可再生能源發電佔比越高,電動車數量越多,上述的發電與充電的媒合調度就越困難。反之,氫能源是預先儲存在加氫站上,就不會有這樣的問題。

我們可以把「氫能源」看做是一種低碳能源的選項,「電力」也是。在每種應用中,這兩種能源型態在競爭,從能源效率、使用方便度、設備普及度、投資成本、銷售單價等等,公司經營者與消費者應該根據自身的需求,根據指標的權重,選出最有競爭力的能源。

其實每個國家也是如此。截至2021年底為止,全球已經有35個國家發布氫能源戰略(如下圖所示)。缺乏天然能源的日本是最早也最積極倡導氫能源的,加上對減碳走最前面的歐洲國家當然非常積極,然後幾個太陽照射強烈的國家(南美的智利、澳洲、非洲埃及與中東國家)也想藉由氫能源出口增加競爭力。而美國雖然不在此圖中,但是美國國家能源部(DoE)也有專門辦公室在策畫氫能源。

(資料來源:日經中文網)

就像廣告台詞說的「人生動/不動都在競爭」,放在國家等級的氫能源競爭上也是。哪個國家能優先爭取到投資開出產能,就有機會佔領先行者位置,做出經濟規模進一步壓低成本吃下市場份額。

(已發表氫能源策略的國家名單,資料來源:IRENA)

而且除了國際貿易之外,能源安全是國家安全等級的議題,氫能源的生產與貿易一定也會牽涉到國際政治。

然後別忘了,石化產業已經提供了人類超過一百年的能源,有好多國家以及大小公司產業鏈在裡面,面對可再生能源排山倒海的席捲,石化產業當然不希望資產擱淺、營收下滑,那麼氫能源是不是石化產業的轉型出口?

這些議題都很大,也將在未來持續發酵,讀者們不妨思考留意一下。

下一講,我們來談談幾個重要國家的氫能源發展方向,並且看看有哪些產業機會。

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