【丰云】氫也有藍綠惡鬥,何謂藍氫何為綠氫話從頭

作者 | 發布日期 2020 年 07 月 14 日 8:00 | 分類 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


2020 年 7 月歐盟發表《歐洲氫路線圖》(Hydrogen Roadmap Europe),認為氫將成為能源轉型的重要元素,預計 2050 年時將占能源需求的 24%,對照其實目前氫只占歐盟能源需求不到 1%。歐盟對氫有如此瑰麗的夢想,其中也有認為鋰電池電動車已經被美國占了先機,想另起爐灶的戰略思想成分在。但歐盟的氫能源戰略大計的起步,先得面臨「藍綠之爭」。

氫氣本身是沒有顏色的透明氣體,不過隨著製造來源的不同,在減碳的環保大旗下,被分為許多不同顏色。「綠氫」指採用可再生能源發電,之後電解水產製的氫,由於減碳主張者認為這樣製造的氫沒有碳足跡,所以是「綠」的氫。

相對的,目前主流的製氫方式,是天然氣水蒸氣轉化法(Steam methane reforming,SMR),由於採用身為化石燃料的天然氣,製程中也會產生二氧化碳,因此被視為「不綠」的氫,減碳主張者稱之為「灰氫」;另一個方式則是由煤氣化法製氫,由於使用了對於減碳人士來說罪大惡極的煤,也會產生更多二氧化碳,被稱之為「褐氫」。

目前氫的最大宗製造方式是「灰氫」的天然氣水蒸氣轉化法,也是成本最低的製造方式,想要推動氫能源生態系,不考慮天然氣水蒸氣轉化法根本不切實際,但是這樣就要用到歐洲環保主義者深惡痛絕的化石燃料,怎麼辦呢?一個折衷的方式,就是雖然採用天然氣水蒸氣轉化法,但是搭配碳捕捉技術,把產生的二氧化碳捕捉、儲存起來,不排放到大氣中,這樣一來就不會加劇溫室效應啦!

但是,這樣還是使用了化石燃料,也還是產生了二氧化碳,在最激進的環保主義者看來,說是儲存起來,但是要是發生什麼意外或是疏失,洩漏回大氣,豈不是白搭,更何況碳捕捉技術說來好聽,其實現行技術只能捕捉六成到七成二氧化碳,還是有碳排放,只是掩耳盜鈴,因此天然氣水蒸氣轉化法搭配碳捕捉技術,雖然也被英國、德國承認為減碳方式,但是不被視為「綠」,也就只好以「藍」稱之,這就是「藍氫」。

綠氫再怎麼降,都不可能會有價格競爭力

藍綠各有死忠支持者,最根本的,歐洲支持氫能源策略的本質,就是要和美國日本已經成熟的鋰電池電動車系統互別苗頭,而歐盟認為氫能夠競爭的理論是,主張許多產業既有的油氣管線系統,不是一朝一夕能替換,輸氣管經過更新加強後能改造成輸送氫的管線,不像全電動化要大改電力輸配系統,所以歐盟一廂情願的認定大量用油的航空、航運等運輸產業,氫會比電動化占優勢。

歐盟這個想法的基礎,是根植於既有的油氣產業。事實上氫能源戰略的主要推手,也是國際油氣產業,它們當然希望使用灰氫,延長天然氣的未來,但碳排放上說不過去,只好使用藍氫。由此觀之,很容易理解油氣產業勢力龐大的英國,會投向藍營。

另一方面,若是放任「藍綠惡鬥」,非得用綠氫不可,那對於整個氫能源策略大計,會有致命的影響,因為短時間內不大可能建設大量超大型電解廠,只用綠氫,氫本身供應有限,整體產業環節都會因為最上游的氫成為瓶頸而產能規模受限,導致成本不易下降,最後還是被鋰電池電動車系統整碗捧去。這個擔憂,是即使有大量過剩風能可以製造綠氫的德國,也一樣支持藍營的原因。

藍營也對綠營的「正義」立場發起挑戰,因為綠氫也不是真的全綠,建設可再生能源的過程中,各種活動以及人員的生活,都會產生碳排放,這些反應在可再生能源的成本(建設材料費用、工程費用、人員薪資)之上,只要建設可再生能源不是零成本,就還是有碳排放,發出來的電,當然也要攤提這些碳排放,不能說就是無碳。

這樣的挑戰也揭露出綠氫在戰略上的隱藏矛盾:綠氫的發展面臨一個根本的問題,那就是,必須可再生能源便宜到幾乎免費,綠氫才會降低價格,但既然可再生能源便宜到這個程度,直接用電的全電動車的燃料費用也一樣會降低到幾乎免費,結果是綠氫再怎麼降,都不可能會有價格競爭力,這根本邏輯上就不通。

目前只有因為政策錯誤導致資源錯置,產生風電過剩的北德與周邊地區,才有綠氫的發展空間,但是若輸配電力網路更新,過剩電力能導向南德用電區,這個怪異的扭曲現象也會消失。就算電力間歇性過剩的情況能夠持續,興建大規模電解廠,結果卻大部分時間停工,只待風電過剩時才生產,如此豈能降低生產成本?

氫陷藍綠大戰,暗示著商業價值並不確立

據國際能源總署(IEA)報告,2018 年綠氫只占全球氫產能不到 0.1%,這有很明顯的原因:灰氫生產成本為每公斤 0.9~3.2 美元,綠氫的生產成本卻是每公斤 3~7.5 美元。國際能源總署認為隨著可再生能源成本下降,綠氫的生產成本在長遠的未來會下降,在可再生資源最佳地理位置,可以降至每公斤 1.6 美元以下,但是所標示的地區,卻是在青康藏高原以及南美洲安地斯山脈頂端這些根本不可能設置製氫電解廠的地區。

若綠氫要與灰氫競爭,由於灰氫 45%~75% 成本來自天然氣成本,所以天然氣最貴的地區,綠氫較可能勝出,以天然氣成本最高的日本而言,依國際能源總署預測,未來在可再生能源成本下降後,綠氫的製造成本仍然在每公斤 3.8 元,以至於 4 美元以上,也就是仍然不可能比灰氫便宜。

歐洲推動氫能源戰略的產業專家,心知氫若要與全電動一拚勝負,本質上只有灰氫才有可能,綠氫只是口號很響亮,卻根本不切實際,但灰氫又違逆減碳口號,折衷的結果,只能推動藍氫。

藍綠大戰中間一定會產生第三勢力,於是一種新顏色又誕生了,介於藍綠之間,就被稱為「藍綠氫」(turquoise hydrogen),藍綠氫一樣採用天然氣,但不用水蒸氣轉化法,而是採用熱裂解技術,把甲烷直接裂解為氫與碳,固態的碳不會排放到大氣中,可以直接儲存起來,或是拿去煉鋼等用途,取代煤碳的碳排放,這乍聽之下很完美,很不幸的是,熱裂解的過程需要耗用大量燃料,結果是總碳排放並沒有減少。

本來無顏色的氫,卻搞出褐灰藍綠,甚至陷入藍綠大戰,還跑出第三勢力不藍不綠的藍綠氫,其實正暗示著商業價值並不確立,綠氫的基本問題是,到底為何要用電來電解水製氫,只為了用氫來在氫燃料電池中發電,而不直接用電呢?綠氫若非拿來做為工業原料用途使用,本質上只是當成能源儲存的媒介,那麼,就得和所有能源儲存技術一同競爭成本與能源轉換效率。

相對於純粹為了能源儲存而存在的技術,綠氫的問題在於,若要規模量產降低成本,合理的生產方式是電解廠一天二十四小時全天候產能全開,如此才能降低攤提成本,但若是如此,就不可能是綠氫主張者所認為的「彌補可再生能源的間歇性」。

在能源轉換效率上,電解水產氫的能源效率僅 50%~80%,氫燃料電池發電的能源轉換率則在 40%~60%,整個循環下來至少要損失過半數電力,相對於鉛蓄電池轉換效率約為 40%~60%,鎳氫電池約為 70%,磷酸鋰鐵電池最高可達 95%,氫循環做為能源儲存方式來說損耗率實在太高。

更根本的一個問題是,綠氫支持者假定人類會有相當大的能源儲存需求,預設用車人都要在尖峰的時候使用能源,但在全電動化的未來,儘管用車時間是白天,但電動車會在價格趨力或是智慧電網調控下,盡量安排於電力供過於求的離峰時間充電,電動車的大容量電池本身就能調控電力需求,而非綠氫支持者所想像的,電動車車主會笨到選擇電力昂貴的尖峰時間拼命充電。

藍氫從天然氣來製氫,迴避了綠氫實際上只是能源儲存技術的比較,藍氫表面上面臨的問題是碳捕捉技術尚未成熟,成本高、捕捉能力不夠徹底,以及儲存方式尚未受過考驗。但是,假設有朝一日碳捕捉技術成熟且便宜了,藍氫就能跟全電競爭嗎?

有個根本的問題,可再生能源隨著人類技術發展會不斷降價,但天然氣在長期來說,卻會面臨容易開採的油氣田逐漸開採殆盡,需往開採難度越來越高的來源發展,導致終究成本必定會上升,其結果是,最終即使是灰氫,拿來用氫燃料電池發電,都不可能與可再生能源直接發電競爭,更不用說藍氫了。

用氫來取代傳統燃料,結果無用武之地?

歐盟正做著氫能源戰略的春秋大夢,但一開始就陷入藍綠之爭,最後的結果,恐怕是兩敗俱傷。在與能源儲存技術的比較上,轉換效率太低;在航空、航運業的運用上,氫在物理化學本質上能量密度不夠高,用氫來取代傳統燃料,其結果會是占據太大體積而根本無用武之地,這個根本問題導致產生用氫製造其他可能燃料,例如「綠氨」的想法,但綠氫成本都已經過高,還拿來再轉換一次製成氨,只會更加不划算。

氫的儲存與運輸難度也遠高於傳統燃料,目前較成熟的方式是液化或高壓儲存運送,結果還要再耗費能源來液化或壓縮氫氣。灰氫製造成本可能每公斤 1 美元,但每公斤運費就要 2~4 美元,遠比輸配電網輸電更貴得太多,綠氫主張者認為,若全面電動化,現有電力系統不堪負荷,需全面更新,但氫也並非現有油氣管路就能輸送,同樣需要全面更新。

從各方面看來,氫能源策略不論是藍綠灰褐,恐怕都沒有與全電競爭的可能性,但為何歐盟還是立下遠大目標,全力推動?油氣產業的遊說可說是背後相當重要的因素,當歐洲熱衷於綠氫,全電動化的腳步就會減緩,油氣產業在最致力推動減碳的歐洲就能更延長殘存的立足時間。

這個很容易識破的陽謀,碰上為了減碳不計一切代價,也就不計算成本的減碳環保基本教義派,加上想要「抵抗美國經濟侵略」的民族主義政客,竟然一拍即合,成為值得考慮的選項,在各大能源論壇與能源組織中煞有介事的研究,認為會成為減碳支柱,或是認為在減碳風潮下會成為一大產業。

若要真的製造無碳排放或低碳排放的氫,應是擴大工業廢氫的回收,例如美國氯鹼法製氫氧化納產業,每年產出 38.9 萬公噸的氫副產品,全球則產出 143 .8 萬公噸;另一方面,若是製氫的甲烷來自廢棄物處理,那麼自然也是無碳排放的氫。只不過,這樣一來,氫的想像空間,就只能與回收和垃圾為伍,比起建造超大電解廠,每天浪費數不清的電力大舉電解水,那自然是遜色得太多了。

(首圖來源:Flickr/JOHN LLOYD CC BY 2.0)

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