氫氣的輸儲
許湘琴 組長
中技社經產中心
由於氫在轉變成能量中，只會生成水，被認為是潔淨的能量來源，因此在淨零碳排的目標下被寄予厚望。而氫氣的取得，近期因比爾蓋茲投入資金在美國中西部開採天然氫礦，以及法國東北的洛林地區意外發現天然氫礦等訊息，再度引起大家的注目，但畢竟氫氣無色無味又輕，開採不易，從天然氫礦大量取得氫氣，還需要多努力，所以至目前為止，氫氣的取得多是靠人工製造，並且又以石化原料轉製而成居多，而以石化為原料，產製每公斤的氫，就會伴隨產生約10公斤的二氧化碳，與淨零碳排目標背道而馳，除了積極開發碳捕捉與封存技術外，更努力朝向研發不會產生二氧化碳的製氫方法，其中再生能源或核電電解水產生的氫，過程中幾乎是零碳排放，被稱為綠氫，成為淨零減排重要策略之一。
但風能、太陽能等再生能源電廠或核電廠的設置，都會受到一些必要的環境條件的限制，使得氫氣的輸儲也成為氫能是否能普遍應用的關鍵因素之一。而氫雖是所有常見燃料中，每單位重量的能量密度最高，但也是宇宙中最輕的物質，導致單位體積的能量密度低，這也成為有效輸儲的一個大關卡。談到大量氫氣的輸送，大家第一個想法，應是氫氣是否可像天然氣一樣用管道輸送，如果能利用現有天然氣管道運輸氣態氫氣，運送成本將最低，是運送大量氫氣的最佳選擇，但畢竟氫氣不同於天然氣，且氫氣小到會進到金屬的晶體結構中，產生氫脆1問題，導致管道破損造成氫洩漏，所以目前克服此問題，有兩個方向，一是研發適合氫氣輸送的管道材質，例如使用玻璃纖維強化塑膠（Fiber-reinforced plastic, FRP）。
FRP管道的安裝成本約比鋼管道低約20％，主要是因為單個FRP管道的長度比鋼管道長，可以減少焊接的成本，但畢竟整個管道重新建置，不僅是大工程，且初始建置成本高，是一個大障礙；第二個方向是在現有天然氣管道進行輕微的修改，輸送天然氣和氫氣混合物（最多約15％氫氣），但如此輸送的就不是純氫氣，接收端的用途將大大受限。
除了管道輸送外，目前氫氣大部分還是以槽車貨船運方式做輸送，所以儲氫的方式很關鍵，大致上可分為三種，簡述如下：
- 氣態儲氫：
就是將氫氣以加壓方式，高壓儲存於容器中，這種方式技術最成熟，充放氫的過程速度快、成本低、能耗也低。但傳統的高壓氫氣瓶 (如Type I、II)，質量儲氫密度僅約為 1~2%，也就是 100 公斤的氫氣瓶，只能裝載 1~2 公斤的氫氣，以每公斤氫氣能量密度約相當於 1 加侖 (3.785公升) 的汽油來換算，相當於 4~8 公升汽油的能量，運送效率極低，近年質量儲氫密度已可提升至 4.5~7%２，如內層使用金屬 (通常是鋁) ，再以纖維複合材料包覆的Type III ，或是塑膠內層再以纖維複合材料包覆的 Type IV 的儲氫罐，藉由輕量化來提升輸送效率。
- 低溫液態儲氫：
氫氣也可以以液體形式儲存，液化後的氫氣，密度為 70.8 g/L，是常壓氫氣密度的 780 倍3之多，液化氫氣可提高氫氣的體積能量密度，占用體積較小，運送也較為簡單安全，但氫在一個大氣壓力下的沸點為 -253°C，除了液化過程需要耗費大量能源來液化氫氣，約佔液化氫燃燒產熱值的 30%，且因易揮發，長時間的儲存，容易產生蒸發損失。為了確保低溫、高壓條件，不僅對儲罐的要求較高，且還需要有嚴格的絕熱方案與液化設備。目前日本已建立第一套具商業規模液化系統，每天可液化 5 噸氫氣量，並於2020 年 4 月完成 3,000 小時的運轉驗證，未來將提高液化產量每天 25 噸來降低成本，若要達商業化規模具經濟效益，產量則須提高至每天 1,000 噸。此種方式經濟性較低，目前仍多用於航天工程領域。但 2022 年 4 月全球第一艘液態氫運輸船，從墨爾本載運首批液態氫抵達日本神戶，完成首次運輸工作，開啟全球液態氫航運的新里程碑。
- 化學儲氫：
是利用化學物質在一定條件下與氫氣反應生成穩定化合物，運送到目的地之後，再藉由反應條件的改變釋放出氫氣，目前常用的化學物質有下類幾種：
- 液態有機氫載體 (liquid organic hydrogen carriers, LOHC) ：利用不飽和液態有機物在觸媒作用下進行加氫反應，生成穩定化合物，當需要氫氣時再進行脫氫反應。常用的不飽和液體有機物包括苯、甲苯、二甲苯、哢唑、氮乙基哢唑等，以甲苯為例，氫氣與甲苯反應後生成甲基環己烷 (MCH)，輸送至目的地後，再經由脫氫反應生成氫氣與甲苯，此反應可逆，儲氫密度高，甲基環己烷為相對穩定物質，無論在安全或運送成本上均有明顯的優勢，有利於遠距離與大量的氫氣運輸，但最大缺點是在氫化反應中是放熱反應，而在脫氫過程中是吸熱反應，所以進行脫氫時需要額外的能量挹注，且產出的氫需要再純化。2019年12月，日本已成功將第一批氫化的 LOHC (甲基環己烷)成功從汶萊船運到日本的脫氫廠。
- 液氨：利用氫與氮氣在觸媒催化下可合成液氨，以液氨形式進行儲運，在常壓約 400 ℃ 下裂解即可還原成氫氣和氮氣。按體積計算，氨比液態氫多出 70% 的能量，幾乎是壓縮氫氣能量的 3 倍。而就重量而言，氨攜帶的能量則是現今鋰電池的 20 倍以上。但液氨具有較強腐蝕性與毒性，儲運過程中對設備、人體、環境均有潛在危害風險，都需要克服。而我國最大液氨供應商台肥公司，有多年液氨輸儲經驗，目前擁有兩座液氨儲槽，容量合計 4 萬噸，看準氫能商機，今年(2023) 6 月已率先進口低碳氨，更於 10 月對外宣告，將全力切入低碳氨能轉化氫能領域，規劃投入 30 億元再興建二座液氨儲存槽，積極建立氫能平台。
- 甲醇儲氫：是指將 CO 與氫氣在一定條件下催化反應生成液體甲醇，需要氫時，加水重組在 200-300°C 下就可再轉化為氫氣跟 CO2，優勢是效率高，1 公升的甲醇可釋放出 143 克的氫氣，安全性佳有利輸儲，且成本低，但有待克服的是伴隨產生的 CO2 須加一道捕獲和儲存程序，且重組產生的氫純度較低，需進行純化工序。
目前為了迎接氫能時代，仍有多種新形態的儲氫輸氫方式積極開發中，各種方式皆有其優缺點，總之，氫能輸儲技術如何提升效率、降低成本、提高安全性，進而促進氫能作為清潔和永續能源的更廣泛應用，目前仍是個大挑戰，還需要繼續的研究、創新突破，以及政策的支持，才有機會廣泛應用促進 2050 減碳目標的達成。
參考文獻
1.An Overview of the Recent Advances in Composite Materials and Artificial Intelligence for Hydrogen Storage Vessels Design J. Compos. Sci. 2023, 7(3), 119; https://doi.org/10.3390/jcs7030119
2.A review of hydrogen storage and transport technologies Clean Energy, Volume 7, Issue 1, February 2023, Pages 190–216, https://doi.org/10.1093/ce/zkad021
3.Hydrogen Storage, DOE, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
1. 氫脆是指當氫原子進入鋼和其它金屬中，就會存在於材料的結晶結構裡，當對金屬施於應力時，會因此降低金屬的延展性或最大負荷承受性能，造成機械性能嚴重退化，發生脆斷的現象。
2.Hyfindr、Quantum、Mahytec官網產品資訊
3.常壓氫氣的密度為0.08988 g/L
