Top

國際合作邁向能源新世紀

研析報告

氫與能源轉型:國際能源合作新趨勢

一、前言

2018年9月國際再生能源總署(IRENA)發佈「來自再生能源電力的氫能:為達成能源轉型之技術展望」(Hydrogen from Renewable Power-Technology Outlook for the Energy Transition)之報告書,評析氫能在能源轉型中扮演的角色、氫能市場現況、科技趨勢及提供政策制定者相關推動建議,加以說明氫能對巴黎協定的減碳承諾可能的貢獻及所需的配套措施。

鑒於世界主要國家與能源組織逐漸重視氫能的潛力與應用,我國宜了解相關政策、市場與科技的趨勢,掌握國際發展動態與商機。本專題將摘要這份IRENA報告之重要內容與建議,研析國際與主要國家之氫能發展現況,藉以展望未來國際能源合作之機會,提供我國相關單位參考、評估及進行更深入的研究與規劃。

二、近期氫能發展趨勢

(一)氫能與能源轉型

1.願景

巴黎協定凝結全球對抗氣候變遷之共識,促使各國邁向脫碳能源(Decarbonized Energy)。就脫碳化而言,運輸、產業與住宅等部門無法單純靠電氣化減少溫室氣體排放,因此來自再生能源的氫能成為這些部門達成能源轉型的重要連結。

氫能可望產生三種正向成果:(1)協助運輸、產業與住宅等三個部門之脫碳化、(2)協助整合大量再生能源,以及(3)透過生產可運輸之氫能,使再生能源的發電地點與消費地點產生脫鉤。然而,目前來自再生能源電力的氫能尚不具經濟競爭力,未來氫能的製作與運輸成本需再大幅降低,才可能發生上述的理想情境。

2.架構

氫能不是能源資源,而是一種能源載體(Energy Carrier),可望串聯各個部門(Sector Coupling),輔助實現能源轉型。IRENA研擬之整體架構如圖1所示。再生能源電力產生的氫能除了可供予運輸部門、產業部門或氣體網絡(Gas Grid)等使用,亦可以低成本的方式平衡電力系統。此外,氣體基礎建設、氫能供應鏈等下游區位所架設的儲氫設施是為緩衝,依電力系統的需求即時調節氫氣產量與電力消費,吸收並長期儲存剩餘的再生能源電力。簡而言之,氫能協助再生能源融入電力系統。

圖1:以氫能整合再生能源並應用於各種最終用途之架構

*本計畫整理與重製。

資料來源:Figure5: Integration of VRE into End Uses by Means of Hydrogen,”Hydrogen from Renewable Power-Technology Outlook for the Energy Transition”,IRENA,2018 September

3.預期進程

在初始階段,IRENA建議在僅需增加最小量基礎建設或在採用氫能比採用再生能源更能達成氣候目標之部門進行大規模的氫能應用,以利快速產生規模經濟效益,並且與當地的排放法規相配合。在此階段氫能可應用領域包含鋼鐵與石化等大型工業或中大型運輸工具(如:中大型客運或商用車輛、大型公車、卡車、列車、船隻或航空工具等)。

在中長期,氫能可望使再生能源得以運送及輸配至遠方,特別是電力網絡不足、無法架設或建設成本過高的地區,以及缺乏再生能源資源或開發再生能源成本過高的地區。這個情境可能發生在離岸風電設施:於離岸區域製氫並透過既有或新設的離岸管線傳輸之成本,較以海底電纜輸送其電力之成本為低。IRENA研析應用氫能讓再生能源豐沛與匱乏地區之間互通有無的技術在較後期才會浮現,現在澳洲與日本正在進行相關研究。

(二)國際氫能市場現況與展望

1.全球氫氣市場

[1]作為工業部門的原料已有好幾十年的歷史,氫產業已經建立。歷史上,氫主要產自化石資源,現今則可透過水電解法、光電解法、熱化學法及光生物法取等多種管道取得。目前全球氫市場中約有95%的氫氣原於化石燃料,僅4%來自電解水。以再生能源資源製氫的技術而言,IRENA研析鹼性電解產氫及蒸氣重組產氫(使用生質氣體)為現今發展較為成熟的技術,製氫成本與轉換效率是未來發展的挑戰。

IRENA預測現在全球氫原料(Hydrogen Feedstock)市場價值已達1150億美元,預期到2022年可望達到1550億美元。現今使用氫的產業以化學產業(製氨)及煉油廠(氫化裂解與脫硫)為主。其它如鋼鐵業、玻璃業、電子業、特殊化學品業及散裝化學品業等產業也會使用氫,但是加總後的需求量占全球比重小。2015年全球氫氣需求約為8 EJ[2],主要作為工業原料。IRENA研析若有政策支持、財務支援及顯著的成本降低,全球非原料用途的氫可望2050年具8 EJ的經濟潛力,絕大多數將使用於運輸部門,鋼鐵產業與化學產業也將增加使用量。

2.氫能在最終用途部門之應用潛力與發展

(1)運輸

相較於純電動車,氫燃料電池電動車除了俱有能長距離行駛及快速補注燃料(Refueling)的優勢,亦可在卡車、公車、列車、船隻及叉車(Forklift)等應用面向跨越電池所面臨的限制。短期內,氫燃料電池電動車在重型車輛市場具備發展潛力,氫燃料電池公車已經有相關示範計畫,近年生產成本已顯著降低,未來可望透過車輛數的增加持續遞減。氫能卡車則在開發階段,近年可望在美國實施大規模部署。中長期內,氫燃料電池電動車可能會面臨使用天然氣或生質氣體(Bio-natural Gas)車輛的挑戰。

長期而言,氫燃料電池車在中大型客運車輛俱備競爭力,亦可望在鐵路運輸、航運及空運等領域協助實現脫碳化。在鐵路運輸的部份,由法商Alstom開發的氫燃料電池火車已於2018年9月在德國北部採用,英國、荷蘭與奧地利亦有相關採用計畫;在航運的部份,燃料電池船正在示範驗證中,法規壓力可望加速相關發展,並且液化氫被視為長途船隻達成國際海事組織設定之減碳目標的潛在選項。在航空的部份,德國有將燃料電池應用在以螺旋槳驅動的區間飛機示範計畫,2020年至2050年間氫燃料電池在機上電力供給(On-board Power Supply)相關應用方面具備發展潛力。為實現上述長期氫能應用之願景,將需要可預期的長期氫需求及明確的政策,加以確保市場的存在。

(2)產業

IRENA認為化學產業、煉油業、鋼鐵業等產業可透過使用再生能源產生的氫來降低碳溫室氣體的排放,這些產業可能透過改用再生能源產生的氫或更改製程等方式因應,因此須謹慎研析各個產業的發展路徑與轉換成本(Conversion Cost)。例如水泥與煉鐵業可改用氫作為產生高溫(>650oC)的燃料(改變料源)、煉鋼業以氫取代焦煤(改變製程)及製作合成燃料(Synthetic Fuel,可望用於航空業)等。

(3)氣體網絡

短期內將再生能源電力產生的氫注入氣體網絡可望鼓勵相關產業的發展,長期而言則可儲存大量的再生能源電力,同時降低以天然氣推動脫碳化的需求。因僅需使用現有的氣體網絡,免除升級或擴張電網的高額成本。此外,注入費率(Injection Tariffs)可作為政策工具,該價格水準應彌補氫與天然氣的成本差額。

雖然氫可與天然氣混合並注入氣體網絡,最佳混合濃度則與當地現有的天然氣網絡特性、天然氣的成份和最終使用方式等三因素高度相關,未來需要進行更多的研究才能了解不同的混合濃度對既有氣體網絡之技術面影響、所需的調整與投資面向。初步研究顯示10~20%混合濃度可能不需要對既有基礎建設進行重大投資或調整,便可安全使用混合氣體。然而,在天然氣渦輪、壓縮機廠、與壓縮天然氣槽等設施應用混合氣體是最挑戰的,氣流偵測器、數量變換器(Quantity Transformer)及家戶部門的天然氣設備可能需要調整或改良。另外,當混合濃度超過20%時,可能需要顯著地調整基礎建設與最終應用方式;在特殊的案例中,最具經濟效益的方式為以地方或區域為單位,採用純氫,並改變整體基礎建設,英國里茲(Leeds)有相關計畫。

(4)氫與燃料電池

長期而言,大量再生能源電力造成以季節性的儲氫因應調整季節性的電力需求,再電氣化是很具前景的選項,但在短中期內有低轉換效率及高成本的缺點,因而受到抽水電與電池儲能等替代方案的挑戰。孤立且高發電成本的電力系統、不斷電系統、電信塔的備用電源與孤立地區的離網電力等應用領域是氫與燃料電池的利基市場。相較於電池,定置型氫燃料電池具備不會自行放電、更長的壽命且較耐高溫等優點,適合極端氣候。此外,在偏遠地區,定置型氫燃料電池所需的維護較柴油發電機少,十分具吸引力;在高級海島度假勝地,定置型氫燃料電池則因低噪音與無空氣汙染等優點備受注目。

3.將氫能納入能源轉型:IRENA給政策規劃者的建議

氫不但可協助無法透過電氣化達到脫碳的部門達成能源轉型,電轉氫(Power-to-Hydrogen)的技術亦可在再生能源持續擴大的情境下,增加電力系統的調節彈性。IRENA認為現今相關技術已經齊備,未來需擴大規模、持續投入研究經費及推動以全面佈署為願景的示範計畫,才能持續降低相關成本,使氫在長期具備經濟可行性。

為快速擴大氫的生產與應用規模,IRENA建議以穩定的政策架構支持設備製造商、基礎建設營運商及車輛製造商等私部門的投資,並確保大型工業或大規模運輸業(Large-scale Mobility)等最終消費者對氫的長期性需求,以進一步降低廠商的投資風險。另外,應用技術中立的工具(如碳定價與排放限制)、資本支出補貼、退稅、為注入氣體網絡的氫設定新費率及為「來自再生能源的氫」提供證書等方式皆有利於刺激相關需求與投資活動。

三、國際主要國家之氫能發展

IEA的報告[3]指出美國(加州)、日本、德國、南韓與歐盟是最積極投入氫能相關研發之國家。在推動燃料電池車與基礎建設方面,除了上述國家,英國、丹麥、挪威、中國大陸與法國等國家皆設有各自的推動策略與計畫。此外,各個國家的政策與執行情形亦彼此影響,例如美國加州的公私部門為設計氫燃料電池車的基礎建設而合作成立燃料電池聯盟(Fuel Cell Partnership),後續亦影響德國與其它歐盟國家建立類似的組織。氫能相關的研究與發展漸漸受到政府層級的關注。其中,歐盟於上(9)月在奧地利林林茨市(Linz)簽署一項不具約束力的協議,推廣以氫取代化石燃料,應用於汽車、工廠與家戶供暖系統。

在單一國家的氫能推動方面,日本宣佈2015年為氫能發展元年,期望透過實現氫能社會來提升能源自給率及減少碳排放量,因此在2017年的《氫能基本戰略》中就氫能供給面、應用面及燃料電池應用等面向進行整體政策規劃與策略性佈局,並積極推動雙邊與多邊氫能合作。如今日本國內已具多項相關氫能研究與實證計畫,例如2017年於神戶建立世界首座市政供電設施,2018年8月則開始進行在福島縣建立世界最大規模氫氣製造系統之計畫。在國際合作方面,日本除了參與IEA的氫能推動協議(Hydrogen Implementing Agreement,HIA)與相關科技合作計畫(Technology Collaboration Programmes,TCP),亦與荷蘭、法國、美國、挪威與澳洲等國家進行氫能相關合作。

四、對我國的啟示:國際能源合作新趨勢

(一)追蹤氫能在能源轉型過程之發展情形與國際潮流

在全球能源轉型的潮流下,各國為因應占比逐步攀升的再生能源電力,開始研究與發展儲能、智慧電網及直接應用再生能源的科技等各種解決方案。其中,氫不但與電力一樣可作為能源載體,亦可以作為運輸、產業及住宅部門減碳的方式,各國因而逐步推出相關研究、計畫或政策。鑒於氫為實現能源轉型與減碳目標的關鍵環節之一,我國宜從政策面、市場面、科研面、產業面等面向分析各國氫能發展的異同與成果,並檢視我國發展氫能的條件、方式與在國際上的角色定位,藉以規劃與推動產官學研等各層面之國際氫能合作。

(二)掌握全球氫能商務發展,透過雙邊能源合作培育產研能量

我國將氫與燃料電池列為新及再生能源技術之一,在新能源政策中將燃料電池視為穩定供電來源與紓解電網尖峰供電壓力的工具,如今產業鏈已具分工型態。為與國際潮流接軌及實現減碳承諾,我國宜透過國際能源合作,汲取美、日、德、英、法等既有經貿夥伴之發展經驗,培養國內氫能相關之產研能量,積極掌握國際氫燃料電池的應用、技術標準與規範,以利切入國際供應鏈,把握國際氫能商機。

 

資料來源

  1. Hydrogen from renewable power: Technology outlook for the energy transition,IRENA,September 2018,http://www.irena.org/publications/2018/Sep/Hydrogen-from-renewable-power
  2. Global Trends and Outlook for Hydrogen,IEA,December 2017,http://ieahydrogen.org/pdfs/Global-Outlook-and-Trends-for-Hydrogen_Dec2017_WEB.aspx
  3. 低噪音無環境污染,全球首輛商業氫燃料列車駛入德國,科技新報,2018/09/19,https://technews.tw/2018/09/19/this-hydrogen-powered-train-emits-only-water/
  4. 歐洲25國簽署協議 支持氫氣取代化石燃料,ETtoday新聞雲,2018/09/19, https://www.ettoday.net/news/20180919/1262407.htm#ixzz5SpkVvqjD
  5. 日本福島縣開始建造全球最大規模10 MW的氫氣製造系統,主要利用太陽光電的電力,每年生產、儲存和供應高達900噸規模的氫氣,能源知識庫,2018/08/09,https://km.twenergy.org.tw/Data/share?+nvYOw5TMTCbYSQM7OccEw
 

[1] 原文Hydrogen可翻譯為「氫」、「氫氣」或「氫能」,本專題依中文表達習慣選擇譯詞。

[2] EJ: 能量單位,即1018焦耳(J)。

[3] Global Trends and Outlook for Hydrogen, IEA, December 2017

回列表