氫能漫談(一)---氫氣的顏色

徐瑞鐘＊主筆

*成功大學能源科技與策略研究中心兼任副研究教授，前工研院能源與環境研究所副所長

　　大家都知道氫氣是無色無味的氣體,那為何要來談氫氣的顏色呢?這就要從這兩年來全球最熱門的環境能源議題—2050淨零碳排放的目標談起了。

　　因為發電、交通運輸和工業製造等使用化石燃料造成的二氧化碳排放,已經對地球的氣候、環境和生態造成很大的影響。氣候變遷和全球暖化的現象，促使聯合國等國際組織召開了許多次會議來討論解決地球暖化的方法，2015年達成的巴黎氣候協定希望各國政府達成一項集體目標---設法讓本世紀末全球氣溫增幅相較於工業化時代前，不增加超過攝氏2度，最理想是控制在1.5度以內。2021年在英國達成的格拉斯哥氣候協議，要求各國提交2050年長期低碳發展策略並以2050 淨零碳排放為目標。為了向這個長期目標邁進，就有能源轉型(energy transition)的需求，亦即由過去大量依賴化石燃料的能源轉變成使用低碳排放或甚至不排放的乾淨能源。圖一是到2050年各種電力能源占比的變化預估，如所預期的，太陽能和風能占了最重要的地位，但是一項現在幾乎沒有的能源也會占到10%以上的比例,那就是氫能(圖中的紫色部分)。

圖一: 2050電力能源占比發展預估,

資料來源: https://www.schroders.com/en/global/individual/insights/why-renewable-energy-could-gain-from-the-green-hydrogen-trend/

　　圖二顯示在我國政府的2050淨零轉型策略規劃中都看得到氫能將扮演的角色。在去碳電力的規劃中，氫能將有9~12%的比例，非電力部分則出現了氫能。 在圖三的台灣2050淨零轉型十二項關鍵戰略中，氫能(2)占了顯著地位，它和(3)前瞻能源、(4)電力系統與儲能、(6)碳捕捉利用及封存、(7)運具電動化及無碳化等項目都有關係，由此可見氫能的重要性，以後再來說明這些關聯性。

圖二:臺灣2050淨零轉型路徑規劃

資料來源:臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明,2022年 3月 30日

圖三:臺灣2050淨零轉型十二項關鍵戰略

資料來源:臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明,2022年 3月 30日

　　由此可知氫能將是未來能源重要的一部分，可預期其使用量會是很巨大的，所以就要來探討氫氣要怎麼來了。根據維基百科的說明:”氫原子最早在宇宙復合階段出現並遍佈全宇宙。在標準溫度和壓力之下，氫形成雙原子分子（稱為氫氣，分子式為H2），呈無色、無臭、無味非金屬氣體，不具毒性，高度易燃。氫很容易和大部份非金屬元素形成共價鍵，所以地球上大部份的氫都以分子的形態存在，比如水和有機化合物等，但由於地球重力過小，無法留住氫氣，故地球上不存在自然的氫氣”。 因此要取得氫氣，就要靠人為方式，現在95%以上的氫氣都是來自煤、石油、天然氣等化石燃料的原料，以工業生產方式大量製造(圖四)。例如天然氣(主要成分甲烷CH4)的蒸汽重組(整)(steam reforming)製程或煤炭氣化(coal gasification)製程，其他約4%是將水H₂O用電解(electrolysis)方法製造出來。

　　因此使用那種能源、那種技術來製造氫氣？是否會產生二氧化碳和如何處理？就和那種顏色的氫氣有關係了。有人會聽說過有綠氫、藍氫、灰氫等顏色的氫氣，依據完整的氫氣顏色分類共有9種顏色(green, blue, grey, brown or black, turquoise青綠色, purple, pink, red and white), 稱為氫氣色譜(hydrogen color spectrum)或色碼(color codes),如圖四所示。

 圖四 氫氣的色譜圖

資料來源: https://www.orovel.net/orovel-cards/fuelcell

　　使用天然氣以重組方法製造氫氣，其完整的程序是蒸氣重組反應(steam reforming) CH4+H2O->CO+3H2和接續的水氣轉移反應(water-gas shift) CO+H2O->CO2+H2，這個製程會產生二氧化碳，因此屬於灰氫；如果將產出的CO2捕捉貯存(carbon capture and storage, CCS)起來不讓它排放到大氣中，這樣的氫氣就被歸類成藍氫；如在捕捉貯存二氧化碳之外，還要進一步加以利用(utilization)，則稱為CCSU，是熱門的環境能源和資源利用議題。這個技術不是很難，但要很大規模來做，就是工程技術和經濟效益的問題了。圖五顯示灰氫、藍氫和綠氫的關聯。 如果甲烷不是用蒸氣重組，而是採用熱裂解(thermal splitting)技術製造的氫氣則是寈綠氫(turquoise hydrogen)。

圖五: 灰氫,藍氫與綠氫關聯圖

資料來源: https://www.theworldofhydrogen.com/gasunie/what-is-hydrogen/

　　大家最期待不會產生排放二氧化碳的綠氫是由水電解 (water electrolysis)方法來製造，而且是要使用綠電(green electricity)才算。根據經濟部能源局的定義，由再生能源發電設備生產的電力，就是綠色電力。綠電的主要來源為太陽能、風力、水力、生質能、地熱等，我國是以太陽光電和風力發電為主。電解技術主要有成熟的鹼性電解(alkaline electrolysis)和發展中的使用燃料電池發電逆反應的電解(PEMEC,SOEC)，其成本相對於使用蒸氣重組的產氫方法仍偏高，但它將成為未來發展的主流-因為產出的是綠氫。一個值得關注的議題是以核能發電為主的法國，在歐盟要求將使用核電產製的粉紅氫納入歐盟「再生能源指令」作為法國達成再生能源目標的方式之一，此舉將會延宕歐盟希望將2030年再生能源從32%拉高到42.5%的目標，也可以看出各國感受到2050淨零排放的壓力。按照氫氣色譜， 核電以電解產製的氫氣是粉紅氫，如果是以觸媒裂解(catalytic splitting)方式產製的則稱為紅氫，但這個較少被提到。如果現在使用台電公司的電力來電解製氫,這種氫氣則是黃氫--因為台電的電是來自煤炭、天然氣、水力、核能和再生能源等的混合電力。

　　除了使用電解和蒸氣重組兩種技術之外，還有一種將煤炭氣化(coal gasification)產氫的技術，其中使用褐煤(brown coal)製造出來的稱為褐氫；使用煙煤(black /bituminous coal)的就是黑氫。澳洲蘊藏大量的煤炭，近年積極發展煤炭氣化製氫並出口的計畫，日本是和澳洲密切合作的國家，已開發出液態氫運送船並測試中，希望可以從澳洲進口大量氫氣，以滿足未來日本氫能社會(Hydrogen Society)的需求。我國和韓國等也在和澳洲洽談進口氫氣的合作計畫。

　　還有一種氫氣是白氫，它是來自各種工業製程的副產品，又稱為餘氫或廢氫。石化業,鋼鐵業,高科技業(半導體LED..)和熱處理業都會有製程沒有用完的氫氣，除了在廠內儘量回收利用之外，還是要排放的氫氣是可以經過純化過程來做其他應用--例如經由燃料電池(fuel cell)系統來發電。

　　以上扼要解說完氫氣色譜圖也指出氫能的重要性，各位就會想到要怎樣利用氫氣來做各種應用，圖六是使用再生能源產製的綠氫的各種應用圖示。氫能未來會怎樣發展、和我們現在依賴的化石能源有何關係、它在交通運輸的應用展望、氫能發電和再生能源發電的關聯以及它和現行的電力系統會如何整合，這些議題有機會再來介紹。

圖六: 氫氣應用圖,

 資料來源: https://diyinvestoruk.blogspot.com/2021/02/l-hydrogen-economy-etf.html