再生能源有氫就輕鬆? -科學人雜誌
能源

再生能源有氫就輕鬆?

2020-05-01 費爾雷 ( Peter Fairley )
氫能源可望捲土重來,串起風力發電和太陽能電力網運作,成為再生能源藍圖的重要角色。

重點提要

  1. 各國政府若想完全採用再生能源電力,必須重新配置所有的能源系統(包括燃料),否則不會成功。
  2. 多餘的太陽能和風力能源驅動電解槽運作,把水轉換為氫和氧。氫透過管線配送,在必要時轉換回電力。
  3. 氫儲存在氣槽和地下洞穴,形成供應產業能源需求的網絡,同時也能支援電力網。


氫流經法國大卡佩勒(Cappelle-la-Grande)街道下方的管線,為這個北部村落的100個家庭提供能源。在市中心旁的一條羊腸小徑上,有一台新型電解槽設備安裝在小型金屬棚裡,它使用由風力和太陽能發電場產生的電力,把水電解以產生「再生(renewable)氫」;這些氫添加在管線裡流動的天然氣中,取代部份的化石燃料,可減少社區裡暖爐、熱水器和爐具多達7%的碳排放。


大卡佩勒的這套系統是巴黎能源公司Engie打造的生活實驗室,隨著電解槽和再生電力的成本持續下降,該公司預見氫能源的使用比例將大幅提高。如果Engie是對的,把氫摻進當地的輸氣網絡,有望加速從化石燃料到乾淨能源的轉型。


這家公司並不孤單,歐盟執行委員會(European Commission)想在2050年之前達到淨零碳排放的願景,再生氫是主要角色。再生氫也是歐洲工業巨擘日益關注的焦點,明年起歐盟產製的所有發電廠專用新型渦輪機,在出廠時都得具備燃燒氫和天然氣混合物的功能;而歐盟的製造商聲稱,到了2030年渦輪機就能燃燒100%的氫。在此同時,歐洲的煉鋼廠正在嘗試以再生氫取代煤做為熔爐的燃料。


以再生氫驅動經濟的願景聽起來是不是很熟悉?沒錯,將近一世紀之前,著名的英國遺傳學家兼數學家霍爾丹(J. B. S. Haldane)預言,「大發電站」將產生大量的氫,驅動後化石燃料時代,這個願景在21世紀初變得迷人。2002年,未來學家芮夫金(Jeremy Rifkin)在著作《氫經濟》(The Hydrogen Economy)中預測,這種氣體將催化新的工業革命。太陽能和風力能源可以電解水這項豐富資源,產生的氫可用於發電、加熱和工業用電,副產物則是無害的氧。


2003年,美國總統布希(George W. Bush)在國情咨文裡提到,他要推動一項斥資12億美元的研究計畫,讓氫燃料電池汽車在一個世代內普及;此外,車庫裡的燃料電池也可做為家庭備用電源。幾個月後,《連線》(Wired)雜誌發表一篇文章,標題是〈氫如何拯救美國?〉,方法就是打破對高污染進口石油的依賴。


然而,研究人員並沒有停下腳步,就連朱棣文現在也承認有些障礙逐漸排除。大卡佩勒的示範系統只是一項小計畫,如今有幾十項更具野心、規模也更大的計畫在世界各地展開,尤其是在歐洲地區。國際能源總署(International Energy Agency)在最近的報告中寫到:目前氫在政治和商業上蓬勃發展,全世界的政策和計畫都快速增加。


適逢許多國家的政府與公司開始推動電力網和重工業(而非運輸)的脫碳(decarbonize),人們因而對氫產生興趣。德國卡斯魯理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)能源系統模擬小組(energy-system modeling group)總監布朗(Tom Brown)說:「在能源模擬社群裡,每一個人都認真地思考如何有效減碳。」很多國家、州和城市都規劃在2050年之前達到淨零碳排放,其中採用低碳的風力和太陽發電是一大重點。


但這種策略通常有兩個無人提及的問題:首先,再生能源必須夠多,才能讓化石燃料發電廠關門大吉,但既有的電力網沒有足夠容量處理大量的再生能源;其次,我們還是需要備用發電廠以應付長時間陰暗或無風的天氣。現今的備用電力來自天然氣、煤和核能發電廠,電力網的操作人員因此能夠隨時調整電力輸出,以平衡再生能源忽高忽低的供給。


倡議者表示,氫也可以扮演同樣角色。風力和陽光充足時,電解槽可以利用部份能源製造氫並儲存起來;在雨天時,使用燃料電池或渦輪機把儲存的氫轉換回電力,以支撐電力網運作。


大幅減碳也意味著要協助無法使用大型電力設施的經濟體(例如重型運輸)找到替代燃料,也要為現在以石油、煤和天然氣為基礎原料的化學製品和材料找到替代原料。20多年來,美國加州大學爾灣分校的能源專家布勞爾(Jack Brouwer)一直在為該地區的空污問題尋找解決方案,他說:「太多人受到誤導而相信電氣化(electrification)才是完整的減碳方案。對於此想法,加州有很多行政機關和民意代表相當願意買單,但他們沒有考慮到如何解決能源儲存,或是如何刺激產業轉型等問題。」


再生氫能讓乾淨能源輸送網順利運作嗎?對產業而言,它是可行的選項嗎?即使不知道再生氫能否價格親民且迅速擴大規模,一些專家對再生氫的信心依然值得注意。


黑暗無風期怎麼辦?

少數國家大膽投資,希望以太陽能和風力發電取代煤和天然氣,現在卻開始面臨壓力。2018年,德國的再生能源供應量雖然有大幅波動,仍提供該國約40%的電力;在某些日子,德國超過75%的電力來自風力和太陽能,但有時候會降到15%。電力網操作人員為了解決電力起伏問題,會調整化石燃料、核能電廠、抽水蓄能以及大型電池的電力輸出。此外,風力能源和太陽能供應量的爆增讓德國原本就壅塞的輸電線越來越常過載,電力網操作人員不得不關掉某些再生能源發電機,此舉光是在2017年就讓德國損失14億歐元(15億美元)。


繼續發展這種策略可能引發更大的問題:當化石燃料發電廠(以及德國的核能電廠)依計畫逐步淘汰,政府要如何應對?在陰暗、無風的時期,電力網操作人員要如何維持穩定供電?德國能源模擬專家為這種再生能源匱乏時期創了一個名詞:黑暗無風期(dunkelflauten)。天氣研究顯示,美國和德國的電力網必須應付長達兩星期的黑暗無風期。


更強大的電力網可以協助對抗黑暗無風期,因為它可以跨區甚至在洲際間輸送電力,在特定日子裡,把強風和烈日區域的大量電力輸送到遠方無風或陰天的區域。但電力網的擴建陷入膠著,德國各地增設輸電線的進度因社區抗議而落後好多年;在美國,類似的反對意見讓新增設的輸電線無法獲得批准。


因此對某些專家而言,黑暗無風期讓風力發電和太陽能具有風險,例如2018年美國麻省理工學院能源模擬專家的電力網模擬結果顯示,當電力網採用100%的再生能源,成本將呈指數成長。這是因為他們假設電力網必須裝設昂貴的大型電池並隨時充滿電,即使在一年之中只會用於缺電的少數幾天,甚至是幾小時。

美國加州一群學者在2018年提出類似的結論,他們發現,即使有大型輸電線和電池,太陽能和風力產生的電力實際上只能供給美國大約80%的需求。當研究結果發表時,團隊成員之一的卡內基科學研究院(Carnegie Institution for Science)氣候科學家卡德拉(Ken Caldeira)表示,人們絕對需要其他的電力來源。

歐洲一些專家認為,麻省理工學院和加州的研究太短視。幾十年來,歐洲的研究人員把眼光放遠,從電力網擴張至更大的格局,把現代社會使用的各種能源都列入考量。而丹麥羅斯基勒大學(Roskilde University)物理學家索倫森(Bent Sorensen)和幾位學生開創「整合能源系統」(integrated energy system)的研究,整合模擬電力網、天然氣和氫氣輸送網、運輸系統、重工業和中央供熱系統。

這組模型顯示,結合這些系統能使電力供應更靈活,而氫最能夠實現這一點。在這種觀點下,如果使用氫儲存能源以應付黑暗無風期,而且沒有發生麻省理工學院推斷的價格上漲,100%的再生能源電力網就可能成功。

美國一些電力網研究排除了氫能源儲存方案,因為現在價格昂貴,但其他模擬專家認為,這樣的思維有瑕疵,就像10年前發表的很多電力網研究都低估太陽能,因為當時價格昂貴;但太陽能成本在那之後迅速降低,因此這是錯誤的假設。布朗等歐洲模擬專家在計算最便宜的減碳方式時,把預期降低的成本也列入考量,發現電解槽的成長削減了再生氫的成本。在這些模型裡,電解槽的規模會先擴大,取代由天然氣製造的氫,提供再生氫給化學工廠和煉油廠並用在各種加工步驟。

根據國際能源總署的數據,為了製造能源專家所謂的「灰氫」,全球每年釋出超過八億公噸的二氧化碳,幾乎等於英國和印尼的總排放量。使用再生氫取代灰氫,可以減少工業用氫的碳足跡;重型卡車、公車和火車消耗的天然氣和柴油,有些也可以用氫來替代。雖然燃料電池原先的競爭對象是車用電池,但它對更重型的車輛來說或許更實用。卡車研發商尼古拉汽車公司(Nikola Motor)表示,視各種配備和拖曳條件而定,他們正要商業化的拖曳車可完全靠燃料電池行駛800~1200公里。

如果工業和重運輸採用再生氫,便可能會為了配送氫而形成區域性的氫網絡,這些網絡也能供給這種無碳氣體給支援電力網的發電廠,這就是整合能源模擬中所預測的情況:當人們製造並消耗更多的再生氫,就會發展出大量輸送的網絡,這些網絡會在大型儲氣槽或地下洞穴儲存幾個月用量的再生氫,就跟現在儲存天然氣的方式差不多,成本比使用電池儲存電還便宜。布朗說:「一旦知道氫對各行各業很重要,電力供應商就會把氫製成某種副產品以長期儲存。」

芬蘭拉彭蘭塔理工大學(LUT University)的布雷爾(Christian Breyer)所做的模擬實現了這個遠景,他的團隊和能源觀察團體(Energy Watch Group,由科學家和議員組成的國際團體)於2019年發表最新的100%再生能源預想場景,其中燃燒再生氫的發電廠全力運轉,能在最嚴重的黑暗無風期填補電力網的電力缺口。布雷爾說:「這是最後手段,如果沒有這些大型渦輪機,在一年中的某些時刻,我們會沒有穩定的能源系統可用。」

在布雷爾的模型中,製造和儲存氫所需的風力和太陽能,只有不到一半會轉換回電力,這是巨大的損失,而且燃燒氫的發電機在一年當中只運轉幾星期。但氫轉換為電力的低效率並不會造成巨大的經濟損失,因為人們使用這種發電方式的頻率不高。布雷爾說,這個架構對擴大能源系統是最經濟的解決方案,而且跟今日很多電力網利用天然氣發電廠的方式差不多。他接著說:「幾十年來,有些發電廠好幾年才啟用一次。」

▲基礎知識:在強風或晴朗的天氣,多餘的電力可以驅動電解槽(左側),把水電解成氫和氧。如果無風或天氣陰暗,再生電力的來源減少,儲存的氫就能用來驅動渦輪機(下方),產生電力以支撐電力網。工業用電也可以直接使用氫做為燃料或原料,取代化石燃料或是由天然氣製成的氫。


舊管線,新用途

即使目前再生氫的產量不足,歐洲已經想靠著氫來讓能源系統脫碳。歐盟執行委員會期望,到了2050年,再生能源對歐洲的電力供給可超過80%,由容量高於5000萬瓦的電解槽支應,這大約是50座核能電廠的產能。歐盟會員國也設定了各自的目標,法國要求使用氫的產業在2022年使用10%的再生氫,2027年提升至20~40%。

若沒有相關政策鼓勵新創公司立即大量生產電解槽,很難達成這些目標。一開始可以把氫摻進天然氣管線,因為這是利用既有的基礎建設;長久以來工程師都認為,氫分子(高反應性的最小分子)會降解或是從天然氣管線漏出,但最近的研究顯示,摻合20~25%的氫就不會洩漏或是損害這類管線。歐洲國家允許氫的摻合,義大利、德國和英國等地的公司已經在幾十個城市注入氫,供給消費者在使用暖氣、烹飪用爐具和其他器具所需的燃料;只要氫含量保持在25%以下,就不用更改這些產品的規格。

Engie公司計畫經理皮耶爾(Helene Pierre)表示,他們已經在大卡佩勒的管線摻合氫超過一年,沒有碰到任何意外或反對。她說,大眾之所以接受氫能源,是因為全面監控結果顯示使用摻合氫的家庭空氣比較乾淨;她指出,添加氫能改善氣體的燃燒效率、減少污染物(例如天然氣燃燒不完全會產生一氧化碳)。

歐洲的下一波計畫是以更大規模製造再生氫,法國和德國的產業聯盟正在尋求資金和政府核准,以建造容量一億瓦的電解槽(比目前運作的最大電解槽大10倍)。德國西北部的城市林根(Lingen)有兩座煉油廠,而當地兩項大型電解槽計畫正爭相尋求政府支持以促進林根的氫經濟。其中一項計畫牽涉到英奈特拉克(Enertrag)等多家德國大型能源與工程公司,將成為全德國氫網路的先驅。這項計畫利用既有的氣體基礎建設,但不是透過摻合;相反地,他們改變閒置氣體管線的用途,輸送再生氫到當地的幾座煉油廠和一座發電廠,甚至是一座特別興建的燃料電池車充氣站。該地區的氣體輸送網營運公司諾威加(Nowega)也參與了這項計畫,公司的常務董事休勒曼(Frank Heunemann)說:「我們想建造100%的氫氣輸送網。」

諾威加之所以能重新利用閒置管線,是因為該地區有兩組天然氣網絡。其中一組輸送成份為甲烷標準天然氣,另一組原先用來輸送當地含有高濃度硫化氫的天然氣,而氫可能會讓某些鋼管變得脆弱。諾威加正逐步停止輸送當地的天然氣,據休勒曼表示,閒置鋼管應該能承受純氫的任何反應。歐洲能源供應商萊茵(RWE)負責建造這項計畫的主要電解槽,並讓它燃燒由林根發電廠輸出的氫。該發電廠共有四座燃氣渦輪機,德國工程巨擘西門子有意優化其中一座以處理純氫。

該計畫的團隊想要擴大規模,林根距離原本儲存天然氣的地下鹽洞大約48公里遠,休勒曼說,把林根的氫儲存在超過1000公尺深的洞穴,是合理的下一步(美國德州和英國已經把大量的氫儲存在洞穴裡)。

諾威加也想要打造3200公里長的管線網絡,預計可以連接至德國多數的鋼鐵廠、煉油廠和化學工廠。都市煤氣(town gas)原產自煤且氫含量高,歐洲在1960年代以前廣泛使用,上述計畫的重點是要重新利用原本用來輸送都市煤氣的管線。休勒曼說,管線以前能應付50%氫,用來處理100%的氫應該沒問題。

邁向氫社會

不只歐洲對再生氫有興趣,日本從2014年起就規劃要在幾十年後轉型成「氫社會」,而且把這目標納入官方的能源政策。日本從今年開始想要達成的第一個目標是:展示高效率進口氫的技術,方法是利用油輪從汶萊(位在婆羅洲、盛產天然氣的國家)運送灰氫。澳洲的兩大黨都在研究出口氫到日本的計畫;去年12月,澳洲能源部長簽核一項全國性的氫策略,澳洲聯邦政府宣佈要挹注3億7000萬澳幣(2億5200萬美元)刺激氫經濟的發展。

就連美國也對氫重新燃起興趣,美國聯邦政府再一次為氫技術設定目標,一些能源公司正在投資氫技術,一些州則提供支援;洛杉磯可說是領頭羊,去年4月,市長賈西迪(Eric Garcetti)公佈洛杉磯綠色新政,承諾在2030年之前達到80%的再生能源電力,2050年達到100%。賈西迪正在推動太陽能發電場和天然氣發電廠的建造計畫,以確保洛杉磯有足夠的備用電力來源。這座發電廠可以轉換為燃燒再生氫,而灰氫早已透過125公里長的管線輸送到該區域的煉油廠。洛杉磯政府計畫為該地區港口載運貨物的1萬6000輛卡車改造動力裝置,燃料電池和電池都是該計畫的競爭方案。若能把這些卡車的燃料從柴油換成氫,可大幅改善洛杉磯霧濛濛的天空。

布勞爾說,加州若想削減碳排放,就必須深入思考能源策略。根據美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的預測,到了2025年,加州每年可能會浪費超過八兆瓦時(terawatt-hour)的再生能源。布勞爾還說,加州應該把這些能源儲存為氫,以減少煉油廠的污染,也可在夏天熱浪來襲期間應付迅速攀升的電力需求。

其他專家同意氫具有這些優點,曾任職於麻省理工學院的核子物理學家莫尼茲(Ernest Moniz)是歐巴馬的第二任能源部長,他領導的智庫能源未來倡議(Energy Futures Initiative)最近進行了一項研究,呼籲加州要善加利用再生氫與其他低碳燃料的「巨大價值」。研究結論是:缺少再生氫和其他低碳燃料,加州不可能達成減碳目標。

若要在加州、歐洲和其他地方擴大相關的氫基礎建設,可能會面臨許多潛在問題而使建設延宕,特別是大眾的焦慮。氫非常易燃,容易發生意外。去年夏天,挪威一座氫燃料電池車充氣站因為氣閥故障而導致氫爆炸;混凝土防爆牆降低了傷害,但媒體立刻質疑氫能源在這起事件之後能否繼續發展。去年11月,加州州長紐森(Gavin Newsom)要求該州公共事業委員會迅速關閉一座地下儲氣設施,該設施的天然氣在四年前曾外洩長達四個月,導致成千上萬的家庭撤離。

所有的能源選項都有風險,社區反對意見讓很多推動無碳能源的方法變得複雜。在很多地區,大眾並不青睞核能、輸電線或風力發電機,然而電解槽的成本可能才是再生氫在未來要面對的最大挑戰。如果替換產業中的灰氫,製造再生氫的成本必須從每公斤四美元降至兩美元。幾項研究顯示,如果電解槽的成本持續依過去幾年的趨勢下降,到了2030年,氫經濟可能成真。

這些研究也指出,缺乏政府獎勵,這種模式也不可能出現。國際能源總署在最近的報告中指出,政府的支持促成了太陽能和風力發電的早期部署,現在每年吸引全球超過1000億美元的投資。國際能源總署提到,這些例子顯示「政策加上技術創新,就有打造全球乾淨能源產業的能力」。

改良的技術即將來到,新型電解槽正進入市場。相較於Engie所使用領先業界的質子交換膜電解槽,新型的固態氧化物電解槽可多產出30%的氫。朱棣文現任職於史丹佛大學,正在研究嶄新的電解槽,透過緊縮元件的間隔和其他技術,以較少的能源、更高的效率產生氫。根據朱棣文的說法,這些改變可能大幅減少運轉成本。這是他迎接再生氫時代而暖身的另一項動機。



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