環境與生態

氫燃料經濟嗎?

氫燃料電池的進步,也許令人振奮,但要發展氫經濟,可不能兒戲!氫氣製造、儲存、運送的整體經濟效益需要審慎評估,安全問題也亟待考量!

撰文/沃爾德 ( Matthew L. Wald )
翻譯/張雨青

環境與生態

氫燃料經濟嗎?

氫燃料電池的進步,也許令人振奮,但要發展氫經濟,可不能兒戲!氫氣製造、儲存、運送的整體經濟效益需要審慎評估,安全問題也亟待考量!

撰文/沃爾德 ( Matthew L. Wald )
翻譯/張雨青


2003年,美國總統布希(George W. Bush)宣佈,為改善空氣品質,並降低國內對進口油品的依賴,將投入17億美元,展開一項機動車輛研發計畫。幾個月後的秋天,日本豐田汽車公司於美國華盛頓特區推出兩款車。一款是配備傳統汽油內燃機引擎的市售複合動力車,搭配由電池驅動的電動馬達。每一公升的汽油可讓這款車行駛約20公里,且二氧化碳的排放量僅為一般車輛的一半出頭。另一車款是實驗性的運動休旅車(SUV),這款車配備的電動馬達以氫燃料電池驅動,只排放出比沛綠雅礦泉水還純淨的廢水,還有些許熱能。這兩款車相比,何者較為潔淨?

能否正確回答這個問題,攸關研究經費的流向,以及美國政府為擺脫對汽油的依賴而嘗試扶植新技術之際,所決定補助的車種。終至對環境而言,也都可能具重大影響。然而,答案出乎多數人所意料。至少,根據豐田汽車技術與管理事務研究經理威默(Robert Wimmer)的說法,這兩款車幾乎不分軒輊。

威默以及越來越多其他的專家,不再只是關注車輛本身的廢氣排放,而更加展望車輛的燃料生產與其運轉方式,對環境造成的整體效應。由更廣泛的層面來看,即使如燃料電池的效率與潔淨度,氫氣所擁有的優點,也未必如想像般所向披靡。如此說來,燃料電池車要做到與複合動力車並駕齊驅,便是一項不簡單的成就;美國能源部指出,在某些情況下,燃料電池車實質上反而製造了更多二氧化碳和其他各式各樣的污染物。就某種程度而言,複合動力車則堪稱較為優越,因為它已是上市車種,因此抑制污染的成效立竿見影。相對之下,燃料電池車的進度,預料還跟美國航太總署(NASA)的載人上火星之旅相去不遠,實現的可能性還高不了多少。

這個比喻聽起來雖令人訝異,卻也點出了在氫經濟的追尋之路上,不確定性與挑戰如影隨形──在燃料電池產生電力之前,大多數能量其實早在製造氫氣時就消耗掉了。人們對燃料電池的進步以及更潔淨的氫經濟前景寄予厚望,不僅是交通運輸工具,更寄望於住家與其他建築物的應用上。去年11月,美國能源部長亞伯拉罕(Spencer Abraham)在美國華盛頓州的一場集會中,對來自14國與歐盟國的能源首長表示,氫氣可能「徹底改變我們所居住的世界」。美國每天用掉的2000萬桶石油中,其中約2/3是被為數超過兩億輛的機動車輛所消耗。為了凸顯這個事實,布希總統便稱氫氣為「自由燃料」。

然而,氫氣並不是免費的,對環境亦非無害。氫燃料電池產生一單位能量的成本,約為內燃機的100倍。製造燃料電池聚合物的伊士曼化學公司(Eastman Chemical Company),其研究員道西(Tim R. Dawsey)表示,為使價格更具競爭力,「你必須壓低到每瓦特五美分,而我們每瓦特卻要四美元。」而氫氣每單位的可用能量也比汽油貴了約五倍。

氫經濟之路上的絆腳石不單只有錢的問題,供應製造純氫氣時所需的能量,本身亦可能造成污染。即使太陽能或風力之類的再生能源可用來製造氫氣,但這麼做對於環境的幫助,可能還不如把這些能源直接拿來利用。此外,氫氣是宇宙中密度最低的氣體,如何分裝、貯存,也都有技術與基礎建設上的難題。任何關於氫經濟的實用性計畫,都必須兼顧上述所有課題。


哪種能源好?

氫燃料電池擁有兩項顯著的吸引力;首先,它在使用時不會造成污染(詳見《科學人》2002年12月號〈改變世界的概念車〉一文)。其次,氫氣的來源豐富。事實上,在傳統觀念中,這種氣體不算是燃料。燃料是某些取之於自然(例如煤),或是從天然產物精煉而成(例如從原油中分餾出來的柴油),是燃燒後可作功的物質。在地球上,純氫氣並不存在於自然界中,需經高度加工製得,因此,它其實更需要載體或媒介將能量儲存起來,從製造源頭輸送到發電機。美國能源部能源效率與再生能源辦公室副部長賈曼(David K. Garman)表示,「氫氣的美妙,在其燃料多元化的可能性。」然而,每種能量來源都有其醜惡的一面。

例如,一種稱為電解法的製程,可通電將水分子分解而製造氫氣(參見第116頁〈氫氣的製法〉)。電解法所需的電力可能來自太陽能電池、風車、水力或較安全的下一代核反應器(詳見延伸閱讀1)。研究人員也嘗試著利用微生物,將生質轉化為氫氣,包括某些現已不具經濟價值的作物。美國明尼蘇達大學與希臘佩卓斯大學的研究人員,曾於今年2月發表一款化學反應器,可由酒精與水的混合物製造氫氣。專家認為,這些技術雖然都別具魅力,但在商業上卻太昂貴或不實用,短時間內恐怕難有突破性的進展。

燃煤發電是全美多數地區最廉價的能源,也可做為製造氫氣的電力來源。儘管評論家還在為煤是否為氫經濟的首要元素而爭論不休,但全球溫暖化隨著二氧化碳的排放量增加而加劇,卻是不爭的事實。

天然氣中的甲烷以及甲醇或其他烴類燃料,亦可用來製造氫氣(參見第116頁〈氫氣的製法〉)。天然氣可與水蒸氣反應,生成氫氣與二氧化碳。然而,天然氣在當今工業上的最佳用途,是供高效能「複循環氣渦輪機」(combined-cycle turbine)燃燒發電。為填補燃料電池的需求,對此用途勢必產生排擠效應,如此一來,可能又會導致用煤量增加。複循環電廠能將天然氣燃燒所得熱能的60%轉化成電力,燃煤電廠的轉換率只有33%左右。天然氣燃燒時,每單位熱能所排放的二氧化碳,也只有煤的一半出頭。天然氣產生每百萬Btu(Btu是英制熱量單位,一英磅的水升高1℉所需的熱量)所排放的二氧化碳為117磅(約53公斤)左右,煤則為212磅(約96公斤)。因此,新的天然氣發電廠產生一度電力時的二氧化碳排放量,僅為燃煤電廠的1/4出頭。汽油則介於煤與天然氣之間,每百萬Btu排放157磅(約71公斤)二氧化碳。總而言之,利用天然氣發電來供應高壓輸電網所需,並節約用煤量,比將天然氣轉化為氫氣以節省汽油而言,對環境似乎更有助益。

還有其他兩種燃料可利用蒸氣重組法製得氫氣:輸入自委內瑞拉或波斯灣的石油,以及開採自北美洲阿帕拉契山脈的煤礦。用石化燃料製造氫氣時,為了不排放更多會改變氣候的二氧化碳,必須捉住碳,防止其進入大氣。這個法子大概會比將碳從數百萬支排氣管抽離來得容易,否則不如直接拿這些石化燃料來燃燒利用。

美國阿崗國家實驗室的能源研究員王全錄(Michael Wang)表示:「如果不從個別領域,而從整體面來看,或許你會寧願離燃煤發電廠遠一點,因為煤是高含碳量的燃料。」美國的總發電量,半數以上來自燃煤,約20%來自天然氣,其餘則大多來自不含碳的能源,以核能發電與水力發電為主。因此,要取代燃煤電廠,可能得花上數十年的功夫。

無論如何,一旦氫氣的供應量激增,可能連燃料電池都不會是這種氣體的最佳用途了。美國紐約市立大學化工系教授希納(Reuel Shinnar)在近期的一篇論文中評論到,發電與製造燃料有哪些替代方案。他所提及的方案,遠比將氫氣運用在燃料電池上來得簡單:即善用加氫裂解與加氫處理。如此一來,據希納推算,美國每天可因此節省300萬桶石油。加氫裂解與加氫處理的原料,皆為原油中不適於煉製成汽油的分子,因為這些分子太大,且就碳、氫比而言,其碳含量也過高。這些程序雖昂貴卻有益,因為這使得煉油廠得以利用瀝青與鍋爐燃料這類原本僅適合製造低價值產物的成份,將它們轉化成汽油,就如同把食之無味的雞肋變成美味可口的牛排一樣。


經濟效益比一比

如果製造氫氣既昂貴又不潔淨,那麼使用氫氣時為人津津樂道的能量效率,能夠彌補這些缺點嗎?這個問題同樣是一言難盡。

一公斤氫氣所含的能量,約與一加侖(約3.8公升)的無鉛汽油相當,也就是說,兩者燃燒時會釋放等量的熱。但內燃機與燃料電池,兩者將可利用的功從燃料能源中汲取出來的能力並不相同。引擎運轉時,能量大多以熱的形式從排氣管逸散,且引擎內部的摩擦力,也會造成額外的能量損耗。而燃料電池從一公斤氫氣中所獲得的功,大約是引擎燃燒一加侖汽油的兩倍,這是對燃料電池抱持正反態度的人士一致同意的。(應用於固定設施時,效率可能更高。例如,地下供電設備利用天然氣製造氫氣,以供應家用電力之際,燃料電池運作時釋放的熱也可拿來利用,例如用來加熱自來水。)

事實上,有一種方法,能系統性地評估每一種燃料的最佳用途。這種新式能源分析法稱為「油井到車輪」(well to wheel),這種分析法可對已知的每一種使車輪轉動方法,做能源效率的比較(參見左頁〈能量效率比一比〉)。「油井到車輪」分析的基本架構為「轉換效率」,從開採石油、煉油到注入引擎燃燒,燃料原有的勢能會在能源鏈的每個環節中一點一滴地流失。

「油井到車輪」測定法的第一部份,工程師稱為「油井到油箱」(well to tank):即製造與輸送燃料時的能量消耗。根據美國能源部能源效率與再生能源辦公室的說法,天然氣裂解產生氫氣時,原有的勢能約有40%會在轉化過程中耗損。從輸電網路接電,將水電解製造氫氣時,則會造成78%的耗損。(儘管電解法的效率較低,卻有可能因為其便利性,在氫經濟的初期階段佔有優勢,如有需要,便可就地製造,沒有運送的問題。)相對地,將一加侖石油從地底抽上來,輸送到煉油廠精煉成汽油,再將汽油運到加油站,這段過程會耗損約21%的勢能。製造天然氣並壓縮、填充到氣瓶中,則僅損失15%左右。

整體能源分析的第二部份為「油箱到車輪」(tank to wheel),也就是油箱裡的燃料,最後實際驅動車輛的能量。以傳統的汽油內燃機而言,油箱內的能量損失了85%;因此從油井到油箱,再加上從油箱到車輪,總能量損失合計為88%。

燃料電池會將氫能的37%轉換為驅動車輛的電力。如果氫氣是由天然氣經蒸氣重組法製得,總能量損失約為78%。倘若以燃煤發電為電力來源,用電解法製造氫氣的話,則從油井(實際上是煤礦)到油箱的損失是78%,但氫氣通過燃料電池後,又額外損失了43%,總計損失達92%。

美國加州蒙羅維亞市空境公司(AeroVironment)的研發工程師羅勃爾(Wally Rippel),曾參與美國通用汽車公司EV-1電動車系以及NASA太陽神號太陽能飛機的開發,他對現況提出另類的看法。根據羅勃爾估算,以一度電能為搭載電動馬達的汽車充電,和把同樣一度電用來製造氫氣供應燃料電池相比,前者能使汽車行駛的里程是後者的三倍。

綜合前述所有事實可看出,用電能製造氫氣,再從引擎蓋下用燃料電池將氫氣變回電能的做法,並非如意算盤。但有個強烈的理由讓我們採用這效率不彰的多重轉換,因為這麼做也許還是符合經濟效益。到目前為止,能源市場還是由金錢堆砌出來的。也就是說,由於各種能源間的成本差異甚鉅,因此氫氣體系縱使非常浪費能源,卻可能成為一條領我們通往最廉價能源的途徑。

美國康乃狄格州的電解設備製造商「質子能源系統公司」總裁兼執行長施若德(Walter“Chip”Schroeder),對於這種經濟邏輯提出見解。他表示,時價(即未來數年可能的主流價格)的煤產生每百萬Btu的成本為80美分出頭,而每加侖售價1.75美元的汽油(現階段的油價似乎貴了些,但預期數個月或若干年後會回跌)則為15.40美元左右。把含1Btu能量的煤轉化為1Btu驅動車輛的能量,其過程雖繁瑣,但「最後你得到的是美酒,而不是水。」他也形容他製造的裝置是把水轉化為氫氣的「套利機器」。「套利」是投資銀行家、股票或不動產交易人用來描述買低賣高的操作手法,但通常是指股票或貨幣在不同市場之間的些微價差。施若德表示:「如果你不了解在我們的能源市場中,價差有多麼極端,就無法制定出合理的政策。」


氫氣如何輸送?

然而,不同來源的能源,或許不像套利交易中的金錢那麼容易替換。以低廉的成本製造氫氣並不方便,至少在利用太陽能、水力或風力等再生能源製造氫氣時是如此。在美國,實際運用這類再生能源發電的,只有部份特定的地區。

美國能源部的賈曼舉例,用風力製造氫氣就比用汽油划算,因為在風力常年穩定的地區,風力發電的成本為每度電三美分。不過他特別提到:「每度電三美分的風力,往往只在杳無人煙之地才見得到。」在美國,這樣的風帶可以從蒙大拿州與南、北達科他一路延伸至德州。這條風帶所發的電,必須經長途輸送才能抵達終端用戶,但能量也沿著輸電網絡流失了。賈曼說:「輸送障礙導致電子無法傳送至達科他以外的地區。也許用一條氫氣管路,就能將豐沛的風力資源,輸送到芝加哥這個距離此地最近的車用燃料市場。」

不過前提是,要興建這種管路必須是可行的。氫氣的密度甚小,比天然氣等氣體更難輸送。任何一種氣體都必須經過壓縮,才能夠大量輸送,否則管徑就必須與飛機的機身差不多大。壓縮需要作功,在整體製造過程中,將導致更多能量的流失。就算經過壓縮,氫氣的處理也比其他燃料氣體還要棘手。近期一項出自包瑟(Ulf Bossel)、艾里亞森(Baldur Eliasson)與泰勒(Gordon Taylor)三位歐洲研究人員的研究指出,氫氣被壓縮至790大氣壓時所具有的能量,還不及等壓天然氣中甲烷所含能量的1/3。

包瑟等人還發現一個相關問題,那就是一輛能將2400公斤天然氣運送至用戶端的卡車,只能載運288公斤等壓的氫氣。換言之,大約15輛卡車的氫氣所產生的電力,才相當於一輛汽油油罐車所供應的動力。換成液態氫的話,只要約三輛卡車就等於一輛油罐車,可是基本上,氫氣的液化更為費事。甲醇可在車上經過重組而產生氫氣(參見第116頁〈氫氣的製法〉),做為攜氫媒介,可因此簡化運輸工具。不過同樣地,多一次轉換也就多一分能量耗損。由這些事實來看,最好的做法是,在哪裡製造的氫氣,就在哪裡用掉。不過,製造氫氣的地方與主要的車用燃料市場之間,可能有段不算短的距離。

無論氫氣是以何種方式被送達目的地,處理這種難以捉摸的氣體時,難題永遠沒完沒了。氫氣最大的缺點就是易燃;所有氣態燃料都有其可燃的最高與最低濃度,氫氣的可燃濃度範圍非常廣,為2~75%,相對之下,天然氣則介於5~15%之間。因此,氫氣漏氣時比天然氣漏氣更危險,因為氫氣可被引燃的濃度範圍較廣,且引燃氫氣所需的最小能量也遠低於天然氣。

氫氣燃燒時也無法察覺。NASA所發行的安全手冊中,對檢查氫氣起火的建議方法,是手持一臂長的掃帚,觀察掃帚毛是否起火。美國南卡羅來納大學化工系主任阿米力迪斯(Michael D. Amiridis)說:「一把看不見的火,真是太恐怖了。」該系與多家公司訂有燃料電池的研究契約。他表示,一輛成功的燃料電池車,「其安全標準至少不能比我現在開的車還差。」在發展氫燃料供應鏈的初期,主要工作就是需建置能確實偵測氫氣的警示器。


氫氣所扮演的角色

儘管有技術與基礎設施上的障礙尚待克服,氫經濟仍可能逐漸成形。若真如此,這將與香水經濟極為相似:市場的需求量很少,單價因此變得不重要。從手機與筆記型電腦切入會是個不錯的機會,因為這個市場的消費者,可能並不介意以一度電10美元的代價來使用燃料電池。最近一項由燃料電池製造業所進行的研究預言,配備燃料電池的筆記型電腦可望於今年上市。氫經濟或許終將走入家庭,五瓩左右的電力可使住家的機能正常運作,由於重要的電力需求幾乎全天24小時持續存在,改善碳燃料的效率因此備受期待。不過,在馬路上大概見不到太多氫電池。每輛車的總能量需求約為50瓩,但可能每天平均只行駛兩小時,這種情況,跟一名出色的工程師在考量如何應用燃料電池這類操作成本低、單位容量成本高的裝置時,所做出的決定,完全背道而馳。即使大多數人對於燃料電池做為汽車的替代動力來源等構想可能早有耳聞,但就商業規模而言,車輛可能是燃料電池最不划算的用途。

如果我們有必要為交通工具尋找石油的替代品,有幾個比氫氣可行的方案是可以優先考慮的。天然氣是其中之一,其應用只有極少數技術上的細節仍待克服,且供應量十分充沛。另外,電動車也可以考慮,電池技術雖已遭遇極大的瓶頸,但是,與燃料電池所面臨的障礙相比,可能只是小巫見大巫。如果真的萬不得已,我們還可以用甲醇取代煤做為車輛的動力;德國人在1940年代就曾經這麼做,我們現在當然可以考慮試試看。

最後,如果我們的社會有心支持再生能源的發展,如風車與太陽能電池,它們便可取代當今大多數用來為高壓輸電系統發電的石化燃料。如此一來,再搭配合宜的節約措施,我們就會多出很多能源來供應交通運輸所需。畢竟在經濟體系中,交通運輸首先使石油枯竭,又讓我們對氫氣的使用感到不安。