2022-03-18
能源界明日之星 ？「綠色氫能」排水不排碳，成未來零碳排關鍵 ！
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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