星期一, 8 月 15, 2022

德瑞克說碳金融》第三十二講:被喻為能源界的明日救星?「氫能源」到底是什麼?

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。

(解決二氧化碳所造成氣候變遷問題的,會不會是氫能源?圖片來源:https://newatlas.com/)

上一講裡,我們談到了智利豐富的「風」「光」可再生能源,所以有了國家級的氫能源路線,因為依照國際間的整體估算,如果沒有低碳「氫」,世界是無法在2050年實現淨零排放的。

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我們都知道,人類生活是離不開能源的,光明、溫暖、快速、便利、與世界資訊連結,上述種種人們習以為常的日常,都需要大量的能源網絡在背後支撐。

過去一百年間,石化燃料做為能源網絡的骨幹,全球從上游的油田探勘與開採,到下游的精煉、運輸、儲存與分銷,已經形成了完整且龐大的產業鏈,讓全世界得以享受便利且低廉的能源。

但是在氣候變遷的背景下,全球要減少二氧化碳的排放,最重要的就是能源轉型。但是,轉型要轉到哪裡去呢?

百年來石化燃料(包含石油/天然氣/煤炭)已經廣泛地應用在各種類別中,從電力,到運輸,到工業,到家庭供暖等各個面向上,如果不用石化燃料,那要用什麼?這牽涉到非常龐大複雜且困難的問題。

從電力來說,從火力發電往可再生能源邁進是大趨勢,但是可再生能源帶來的變動性,怎麼克服?

從運輸來說,往電動車發展是大趨勢,可是電網是否能負荷這麼龐大的用電規劃?電動運輸的種種使用限制,包括充電時間長(相較於用油槍加油的時間),包括電池重量與里程數的限制,怎麼克服?

從工業來說,像是鋼鐵業需要高溫燃燒煉製,是很難只用電力達到脫碳,怎麼達成零碳目標?

而在這麼多複雜的減碳情境中,「氫能源」被當成救星,明日的能源。這是為什麼呢?「氫能源」有甚麼過人之處?

(元素週期表,圖片來源:Wikipedia)

先讓我們簡單來認識一下「氫」。它是週期表排第一的元素(下表紅色圓圈處),原子量為1,是最輕的元素,也是宇宙中最多的化學物質。

科學家發現這個元素燃燒之後會產生水,所以叫它Hydrogen。Hydro是水,gen是生成、創造的意思。日文當中氫叫做「水素」,也是相同的意思。

氫有一些特別的特性:

1. 氫是最簡單的元素,也是宇宙中最豐富的元素。太陽等恆星主要就是由氫組成。所以概念上,氫取之不盡,用之不竭。

2. 氫是最輕的元素,這也是中文「氫」的由來。因此氫常溫常壓下是氣體,而且得要降低到零下255度的超級低溫,才會變成液態。這一點特性非常重要,下一講我們會提到。

3. 氫氣是無色,無臭無味,不具毒素,但是高度易燃,而且燃燒能量極強,太空梭就是靠氫氣燃燒推進的。

4. 氫氣燃燒之後只會產生水,這也是Hydrongen跟水素的名字由來。

5. 地球上的氫,大多跟其他元素結合的方式存在,像是水(氫加氧),以及碳氫化合物(稱為「烴」,ㄊ一ㄥ,取「碳」跟「氫」兩字的部分結合而成,是有機化合物的基底)。

(氫氣的能量大,可作為火箭燃料,圖片來源:https://pixabay.com/)

好,了解氫的特性,接下來要了解氫能源的優點就簡單些:

1. 供應充足。既然氫是宇宙中最豐富的元素,地球上的水與碳氫化合物充足,沒有其他能源有氫這樣無限的可能。基本上氫是不會耗盡的。我稱之為「博愛」。

2. 能夠有眾多來源生產。氫氣可以由「碳氫化合物」(包括天然氣,石油,煤與生物質燃料)或者「水」來生產。碳氫化合物與水到處都有,不像石化燃料得依靠某些生產國進口。國家與地區能夠增加能源的掌握度。我稱之為「平等」。

3. 氫氣燃燒(與氧氣作用)產生的只有能量跟水。這意味著氫是一種清潔無碳能源。因此在邁向淨零排放的目標中,氫能源被賦予很大的期望。我稱之為碳排放「自由」。(備註:氫氣本身是無碳能源,但是產生氫的過程可能涉及碳排放,這在後面會詳述)

4. 氫是一種高效能源。按重量計,氫的能量含量是所有常見燃料中最高的。氫的單位重量能量密度約為柴油和液化天然氣的三倍(約 120MJ/kg)。這也是為什麼,氫能源能做為火箭發射的燃料來源。

下表是評量各種火箭燃料的燃校效率指標。可以看最後一欄「比衝值(Isp)」。比衝值越高,代表消耗相同重量的燃料時,所產生的能量越大,因此火箭能獲得更多的加速。只有第一個液態氧+液態氫能超過400的比衝值(紅色框)。

(各種火箭燃料的比衝值,資料來源:知乎)

看起來很完美,對吧?似乎集各項優點於一身,「博愛」、「平等」、「自由」還「高效能」。那我們來談談要怎麼得到氫吧!

因為氫氣很輕,地心引力抓不住你,很多都散逸到外太空去了,大氣中的含量大概只有百萬分之五十左右(50ppm)。對比一下,我們呼吸的氧氣佔大氣中的20%,比氫氣多非常多,是氫氣含量的4000倍。

既然大氣中的氫氣存量很少,而氫氣做為下一代的重要能源,我們得想辦法來製造它。因為製氫牽涉到產業面向還有國家政策,因應產生了許多的方法。

有趣的是,為了區別它們,人們用不同顏色的氫來稱呼。

以下是製氫的色彩表。分成九種顏色代碼來識別不同的製造氫氣的來源與過程。強調一下,別看製造出來的氫是一樣的,可是因為來源與過程不一樣,所產生的成本與碳排放可就天差地遠了。

這些代碼是:綠色、藍色、灰色、棕色(或黑色)、綠松石色、紫色、粉色、紅色和白色。

(氫的顏色代碼,圖片來源:www.h2bulletin.com)

● 綠氫 (Green)是通過使用可再生電力通過水電解過程產生的。之所以稱為綠色,是因為在生產過程中沒有二氧化碳排放。水電解是利用電將水分解成氫氣和氧氣的過程。

● 藍氫(Blue)來源於化石燃料並且加上CCUS(碳捕獲、利用與儲存,詳見德瑞克說碳金融第22講)。由於不排放二氧化碳,因此藍色氫氣生產過程被歸類為碳中性。

● 灰氫(Gray)由化石燃料生產,通常使用蒸汽甲烷重整 (SMR) 方法。在此過程中,會產生二氧化碳並最終釋放到大氣中。

● 棕氫(Brown)是由煤產生的。棕色或黑色是指褐煤(棕色)煤或者是煙煤(黑色)。煤的氣化是一種用於生產氫氣的方法。然而,這是一個非常污染的過程,二氧化碳和一氧化碳作為副產品產生並釋放到大氣中。

●綠松石氫(Turquoise)可以通過甲烷熱解利用甲烷的熱分解來提取。該過程雖然處於實驗階段,但會以固體形式去除碳而不是二氧化碳氣體。

● 紫氫(Purple)是利用核能和熱能,通過水的聯合化學熱電解分解制得的。

● 粉紅色氫(Pink)是通過使用核電站的電力電解水產生的。

● 紅氫(Red)是利用核能熱能作為能源,通過水的高溫催化分解產生的。

● 白氫(White)是指天然存在的氫。

簡單劃分,以水做為原料,電解而產生氫氣的是綠氫跟泛紅色氫(紫氫、粉紅氫跟紅氫),化學式如下,產出氫氣(H2),同時產出氧氣(O2)。

差別在於過程中的能量來源;綠氫電解的能量來源是可再生能源(太陽能與風力),而泛紅色系的氫電解來源是核能。

另一邊則是以石化燃料做為原料,提供能量讓氫氣分離出來。這邊包括藍氫、灰氫、棕氫與綠松石氫。

使用天然氣(蒸氣甲烷重整)是最常見的,這就是灰氫。化學式如下,產出氫氣(H2),但是也同時產出不想要的二氧化碳(CO2)。想辦法用CCUS把二氧化碳(CO2)處理掉,這樣產出的氫就屬於藍氫。

所以灰氫跟藍氫系出同源,只是藍氫更清潔無碳一些。

即使這樣,還是被五顏六色搞得眼花撩亂了,對吧?

其實我們主要著重在灰氫、藍氫、與綠氫就好,因為這是現在跟未來主要氫的三個類別。

從國際能源署(IEA)所提供的數據顯示(如下圖),現在(2020)我們使用的氫幾乎全部是由石化產業所產生的,黑色(其他類別)是石化精煉時的副產品,而最多產出的灰氫是使用天然氣產出的(蒸氣甲烷重整),然後有一部份灰氫因為做了CCUS變成藍氫。

從頭到尾沒有碳排放的綠氫,在2020年只佔了0.5%左右。

(作者整理圖表,資料來源:國際能源署IEA)

這個產出比例也可以從成本看出端倪。灰氫的成本大約是USD$1/KG,而藍氫因為要加上CCUS,成本大約是USD$2/KG,而綠氫因為可再生電力與電解槽的前期成本高,成本大約是USD$5/KG。(因為各地的資源與環境大不相同,在家上進齊能源價格變動大,上述數字僅為平均概估,目的是呈現成本差距)

為了達成減排,藍氫跟綠氫這些低碳的氫,比例需要逐年拉高。IEA規劃希望到2050年的時候,藍氫跟綠氫都要超過三成,成為製氫的主要來源。

因此,在未來的氫上,呈現「藍綠對決」的態勢。

複習一下,綠氫是由可再生能源發電,利用電力來電解水而產生氫。過程中沒有碳排放。而藍氫是由天然氣(甲烷)生產而成,會產生二氧化碳,但是由碳捕獲/利用/儲存(CCUS)設備把二氧化碳回收。

理論上兩者都是低碳氫,但是來源不同,過程不同,牽涉到的產業跟投資也就完全不同。

有豐富的可再生能源(太陽能/風力)的國家與產業,當然大力發展綠氫,因為他們有雄厚的本錢,可以製造比競爭者更低成本的綠氫。因為綠氫的製造成本中,有七成來自於發電成本。

而石化產業偏重的國家,像是美國,加拿大,英國和挪威,則是主推藍氫。因為他們可以避免現有石化產業的資產擱淺。利用現有的天然氣資源與生產設備,只要增加投資在CCUS設備上,就能夠生產低碳的藍氫。

綠氫很讓人嚮往,是未來的終極目標。但是目前還很貴,仍需要大量投資在可再生電力與電解槽上,才能在未來達到普及的程度;藍氫可以讓現有的設備升級持續利用,所以大量資產不至於擱淺,而且也做出減少碳排放的貢獻,是溫和轉型的中間階段。

如果是你,你會選擇哪個方向?

端看你站在什麼位置上,手上握著什麼資源而定。

而每個決定,都將影響著我們的未來。

其實,這不是氫第一次被譽為未來的燃料。早在在 1806 年時,第一台使用氫做為燃料的內燃機就已經發明。到了1970-80年代石油危機,為了找到能取代石油的燃料,美國就已經對氫大肆宣傳,甚至創造出「氫經濟」這個名詞,只是後來「氫經濟」就沒落了很長一段時間,直到近期又被再想起。

為什麼呢?氫能源不是集各項優點於一身,又「博愛」又「平等」,不但「自由」還「高效能」嗎?

下一講,我們來看看反面論述。從「氫」的物理特性,來看看「氫經濟」在發展上的侷限。

(月之陰暗面Dark side of the Moon,圖片來源:https://pixabay.com/)

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