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台灣發展氫能的問題
2023/11/24 18:53
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台灣發展氫能的問題

 

一、台灣發展氫能必須有的認知 

   氫能是清潔能源,氫氣和氧氣可以通過燃燒產生熱能,也可以通過燃料電池轉化成電能,其過程只產生水並不產生二氧化碳。氫所含熱量是汽油的3倍,是石化工業重要原料和航太火箭的動力燃料。但與化石燃料不同,氫能是二次能源需製造出來。根據生產方式不同,氫能分為灰氫、藍氫、粉紅氫和綠氫。灰氫是由化石燃料產生的氫氣,佔全球氫產量的95%,碳排放量最高。藍氫是在灰氫的基礎上,應用碳捕捉、碳封存技術,實現低碳製氫。粉紅氫是指使用核能提供的電力進行水電解產生的氫。綠氫是利用太陽能及風力發電等可再生能源電解水所製的氫,在製氫過程中無碳排放。氫能發展潛力越來越被國際重視,已有18個國家制定了氫能發展戰略,由於有豐富的風力和太陽能發電,中國大陸發展綠氫得天獨厚,台灣由於地狹人稠發展風力及太陽能綠電較困難因而製造綠氫較困難。2022年6月台灣工業技術研究院公布了氫能發展路線圖,以符合2050年達到淨零碳排放的目標。國發會宣告的2050年淨零排放路徑中,有9%到12%要仰賴氫能。經濟部表示,氫能是臺灣邁向淨零排放路徑上的重要角色,因應未來臺灣氫應用發展,經濟部積極透過成立「氫能推動小組」,結合公部門與國營事業資源,共同合作規劃國內氫能發展政策及應用。工研院氫應用重點技術包括(1)氫能車專用儲氫瓶(2)固態氧化物燃料電池(3)國內自產綠氫關鍵技術(4)氫氣結合碳捕獲技術(5)製程氫氣的循環經濟。 

   媒體報導,蔡政府的綠能政策以風電和太陽能為主,氫能並不重視,但隨著2050碳中和目標無法達成,氫能已是不可或缺。蔡政府的能源政策要在2025年前達到綠能占比20%根本無法達成,有綠能才能製綠氫。蔡政府廢核後連粉紅氫都無法生產。依國發會公布的2050淨零路徑,除了極大化綠能占比外,就是要建構零碳電力系統,並搭配碳捕捉、碳封存等方式,讓2050時我國有最高70%的再生能源,另有9%到12%的氫能,剩下的火力發電靠碳捕捉與封存等方式,達到淨零目標。中研院與台電開發去碳燃氫,就是要推動降低電力能源的去碳化。與中國大陸及日本不同,台灣很少有關於氫能研發的政策規劃及討論會議,教育部及經濟部應在各院校培育青年相關氫能源應用人才,國家能源政策也應納入氫能和燃料電池産業鏈涉及面廣,每個環節都有很高的技術壁壘和很多的難題。在産業培育階段,如果政府不支持,單打獨鬥很難取得良好效果。要將氫能産業真正打造為我國的戰略性新興産業,形成一體化全國性的氫能産業布局,政府加強頂層設計、強化戰略引導尤為重要,學術界堅持開放創新、加速成果轉化尤為重要,企業堅持合作共贏、深化産融結合尤為重要。 

二、發展氫能的瓶頸 

    研發替代能源的專家都希望讓氫燃料電池車取代以汽油為燃料的汽車,目標就是讓氫氣能與石油在能源用途上相提並論。氫能經濟的主要動力就是取代汽車對石油的依賴,氫能至今還没有被廣泛使用的主要原因是成本過高,燃料電池的成本很高,氫的製造、貯存和輸送的費用也相當高。

()氫的生產

目前工業上應用的製氫方法主要是甲烷蒸氣重整和水電解法,前者製氫過程和產物都產生大量的二氧化碳,後者則需要大量的電能成本較高。目前許多國家都在執行氫能的研究及開發工作,要發展氫能經濟,需要研究可持續的、非化石燃料的、過程不產生温室氣體的製氫方法。水是自然界中含氫最豐富的物質,但水的直接分解需要很高的温度,在正常環境下不可行,而通過熱化學循環過程則可以在較低的温度下分解水;如果能與高温核反應器接軌則可成為大規模生產、不產生温室氣體且具經濟效益的製氫方法。

()氫的傳輸

     氫單位重量的體積龐大,再加上安全問題故運輸成本昂貴。運輸管線的材料一般使用碳鋼,但它會發生氫脆化有安全的問題。遠地的傳輸須把氫氣加壓或液化,然後以特殊的罐裝拖車運送。不管是以何種方式運送,都需要經過加壓的過程,這是非常耗費能源的。經過估算,加壓至 80 大氣壓的氫氣,含有的能量只有等壓等體積天然氣的三分之一。一輛能裝載 2,400 公斤天然氣的罐裝拖車,只能載運不到 300 公斤的氫。液態氫的裝卸容量可以五倍於高壓氫,但液化過程是非常費事的,而且只適合於短距離的運輸。

()氫的儲存

      由於氫的密度很小,再加上安全的考量,它的儲存一直是一個頭痛的問題。氫可以用氣體、液體或固態化合物三種形態儲存。

1.     壓縮氫氣:氫氣可以經壓縮後儲存在加壓罐內,氣體的壓縮或液化是一種很昂貴的過程,壓力可以高至 400 大氣壓,因此需要定期檢查它的安全。

2.     液態氫:氫沸點是攝氏零下 253 度,液化的過程需要壓縮和冷卻,會用掉很多能源。由於溫度超低,液態氫的儲存需要特殊的低溫裝置,以減少氫氣的蒸發。

3.     固態形式:使氫氣吸附在金屬氫化物或奈米碳管上加以儲存。金屬氫化物有很多種,氫的吸附率大多是本身重量的 1 ~ 2%,金屬氫化物也會透過化學吸附的方式吸附其他氣體,但不釋放,因此釋放出來的氫氣是很純的。

()安全問題

    氫在常溫下是一種無色、無臭、無毒的氣體,甚至燃燒的火焰都是無色的,很不容易察覺它的存在。它的問題出在很容易燃燒和爆炸,在空氣中含有 3 ~ 75 體積的氫氣都可引發氣爆,而天然氣的範圍是 5 ~15%。除了前述可能的氫脆問題之外,由於氫是分子量最小的氣體,運動速度非常快,滲透性也最強,因此所有的管線或儲存槽的界面連接都須非常嚴緊,氫氣閥需要特別設計,否則很容易產生漏氣問題。 

三、中國大陸的氫能發展 

   保守估計,未來氫在中國終端能源體係中2050年佔10%,氫能將成為中國能源戰略的重要組成部分。能源的經濟性很重要,用風電及太陽能製氫應可行。人類利用氫能的經濟性問題還有一個主要是氫的運輸,要用專用管網,管道的成本達到每公斤每百公里只要0.7元,這個是200bar長管拖車運輸費用的10%,瓶頸技術的突破,比如現在製氫,電解氫已經可以在每立方米降到4度電以下, 中國氫能産業規劃和發展前景,形成了六個産業集群,包括氫能能源的利用,新燃料電池、汽車示範線等等逐漸起來,中國加氫站數量正在增加,中國氫燃料電池汽車總量也在增加。山東主要電解鋁在全國是第一,焦爐煤氣也很厲害,所以它的氫氣的産能副産氫將近90萬噸。山東的氫能發展戰略是“兩橫兩縱氫走廊”,山東重工-濰柴、中通、中國重汽,氫氣産能龐大。廣東的發展也很快,佛山已建17座加氫站。中國政府補貼政策也很不錯,最多可以補貼到每個加氫站800萬,很多城市在新燃料電池上布局很完整,充電樁起來了,新燃料電池要大量推廣有一定的市場限制,但是可以作為技術驅動型,運氫、輸氫、加氫、儲氫,包括加氫站、標準、示范縣向全國輸出技術,這是屬于技術輸出型的,有的省純粹是環保驅動型的。中國在柴油車上先使用氫能,因為柴油氮氧化物排放量佔排放總量68.3%,它佔汽車保有量的9.4%,顆粒物排放量佔排放總量99%以上。而且物流密集的港口地區適合建立柴改氫示範區,氫燃料電池車的特點適合長距離、重載,若改為“氫能重卡”,利用集中布局膜電極,氫消耗量大,便于建立大型膜電極。港口地區大型鋼鐵企業及聯産焦化企業,副産氫來源有保障,可實現氫源供應的經濟效益。港口交通發達,可以開創氫能“重卡時代”,優先發展氫能源商用物流車這是重中之重。開創氫能“重卡時代”,優先發展氫能源商用物流車是我們的重點,唐山地區鋼鐵産能超過1億噸,佔河北省55%,佔全國13%,煤炭、鐵礦石及鋼鐵等物品運輸總量6億噸/年,還有3600萬噸焦炭,可提純氫氣約50億立方米,足夠3萬輛重卡運行。 

    由氫還原礦石生成水,比焦炭好多了,可以成凝碳,所以寶武成立了寶武清能公司推動氫能利用,因為氫冶金裏面有很重要的氫意識。第一氫氣可以不要那麼高的純度,60%的就很好用。第二,便宜,含氫高,生産的鐵水量純度相當高,是高純鐵水,如果全部用氫,這個鐵水就沒有碳,就叫不銹鐵,耐蝕能力超過一般的不銹鋼,所以生産潔凈鋼、潔凈鐵,而且用要求不是太高的氫。所以歐洲大量推廣氫冶金,瑞典已經開始,中國寶武已經全部啟動,氫能冶金技術是非常重要的渠道,對鋼鐵行業流程制造業是巨大的發展。另外,固態儲氫在氫燃料電池汽車中的應用有它的獨到之處。體積儲氫密度高、能效低、能效高。它的體積儲氫密度很高,質量儲氫密度也很高,達到7.6,達到美國能源部的中期目標,壓力、溫度、密度非常好,特別是體積儲氫密度,最近在常州有個公司共享助力單車用了固體儲氫材料的儲氫瓶,儲氫量也很大。固態儲氫為氫能源的“電電混動”的氫能源汽車將成為新技術發展方向之一,它可以不考慮布局加氫站,可以把氣瓶作為標準儲氫,壓力幾乎是常壓,沒有任何風險,每個高速鐵路的服務站都可以出售這種氫氣瓶,用完就換,用來加速用的,常規情況下就可以用氫能,固態儲氫的作用非常大。固體儲氫的商業模式和經濟可行性、技術路線已經在出現,固態儲氫為氫源的燃料電池動力係統集成技術,産品已經出來了,而且安全性高,現在出來的共享助力單車氫氣瓶很少,就1升,但是可以裝55克氫,所以固態儲氫材料的儲氫能力非常強。一個兆帕續航歷程80公裏,2.2升的體積儲27克,所以固態儲氫是氣體儲氫的設備。

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