許湘琴 組長

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翻開報章雜誌，“氫經濟”、“迎氫時代”、“氫能新經濟”等字詞頻頻映入眼簾且不絕於耳，這個在元素周期表中位於第一位，是宇宙中最輕，也是含量最多，約佔宇宙質量75%的氫元素，由於藉由氫在產生能量的過程中，只會生成水且不會排放二氧化碳，儼然成為對抗氣候變遷，淨零減排的能源界明日救星。根據IRENA的推估，在控制全球增溫1.5°C的情境下，除了盡可能的電氣化與提升能效外，最終能源需求的12%，將有可能是由氫所供應，可擔負減少10%的二氧化碳總排放量，並與碳捕獲和儲存 (CCS)，以及負碳技術一起實現淨零排放目標。

其實大家對氫開始感到興趣，是由 1970 年代的石油危機所激發的，當時氫就被視為能源供應和燃料運輸多樣化的替代選擇。而在2021-2022一年裡，就有9個國家（約占全球二氧化碳排放量30%左右）發佈了國家氫能戰略。和氫能相關的多邊合作也隨著下述兩項新舉措而如火如荼展開：一個是在2021年11月舉辦的COP26，44個國家承諾共同努力，於2030年之前在全球各地開展負擔得起的清潔能源技術，而氫能更被視為應積極合作並寄予厚望的技術之一。另一個是在2022年5月，G7啟動了《氫行動公約》，以加快提升低排放的氫技術開發、監管框架和標準的制定以及財務承諾。各國部署製氫技術的目標正快速增長，加總全球各國電解產氫的部署目標，總計有145-190 GW，是去(2022)年74GW的兩倍多。

氫之所以在未來能源選項中被寄予厚望，主要是因為與工業化前水準相比，人為排放已經導致全球氣溫上升1.1°C，現在需要有所行動才能減緩氣溫持續上升。而為了實現將氣溫控制升溫在1.5°C以內，2050年全球需達到凈零排放。為此目標，截至2022年11月為止，佔全球溫室氣體排放總量約90%的140個國家，已宣佈或正在考慮凈零目標，這將使所有業別的溫室氣體排放都需要減少。但每個部門，最具成本效益的減碳途徑皆不相同，難易亦有異，如Energy Transition Commission在2018年發表的《Mission Possible》報告中，將重工業中的水泥、鋼鐵和化學品，以及重型運輸，如重型公路運輸、海運和航空，這六大業別列為“難以減排”的行業，重工業因當前的材料使用模式與回收有限，其核心技術的熱力學效率已相當高，以及電力替代品的技術成熟度低，導致減碳成本高且難度也高；而重型運輸則是需要高密度儲存能量以覆蓋長距離，這超出了電池目前所能達到的水準；且長途航空燃料（例如生物噴氣燃料）尚未大規模用於商業用途。但這六大行業目前佔全球二氧化碳排放總量的30%，是能否達到淨零目標的成敗關鍵。

而氫能便成為這些“難以減排”行業力求突破的手段之一，如200多年的煉鋼技術，簡單說就是拿煤碳中的碳跟鐵礦中的氧化鐵，混合在高爐中反應，把氧化鐵中的氧拿走，產生純鐵，再進行下一步煉鋼，但過程中碳跟氧結合，產生大量的二氧化碳，讓鋼鐵業成了排碳大戶。因此開始有科學家嘗試改以氫為還原劑，與氧化鐵的氧反應，氫跟氧的結合只會產生水蒸氣，成功解決煉鋼過程中二氧化碳排放的基本問題；此外，在需高溫能耗的產業，如石化業等，使用熱值高的氫氣，進行高溫熱生產，亦有助於減少對化石燃料的依賴降低碳排。而對重型運輸的海運和航空業來說，需要高密度儲存能量以覆蓋長距離的運輸，這儲存能量超出了電池目前所能達到的水準，且目前仍未有如生物噴氣燃料的長途航空燃料大規模用於商業用途。以氫和氫衍生燃料來代替未減排的化石燃料，是相對技術挑戰較低的，因為它是一種同類替代而不是燃料轉換，可望在2030年適度減少燃料使用的二氧化碳排放量。所以氫和氫基燃料可以在難以減少二氧化碳排放的部門發揮重要作用。

此外，在再生能源推展中，由於區域或季節性因素，太陽能與風電的可用性斷斷續續，這一缺點使其難以適應現代社會的需求，加以電化學存儲（如鋰電池）能源，隨著儲存時間增長，自放電的能量損失就會越大，若將能量存儲在氫等分子鍵中，在存儲期間則不會有能源損失，且能量隨即可以通過燃料電池再生，或做多元應用。因此，到2030年，氫需求預估將達到約180百萬噸，其中近一半的需求來自新的應用，特別是在重工業、發電和氫基燃料的生產。

而目前氫能推展的瓶頸在哪呢?主要還是歸結於成本跟危險性，根據IEA的Global Hydrogen Review 2022報告指出，從天然氣製氫，每公斤的氫氣成本約為1.0-2.5美元，如再加上CCUS，每公斤的產氫成本則提高到1.5-3.0美元，若利用再生能源電解水產氫，每公斤氫氣成本則會高達4-9美元。如要環境友善的使用氫氣，須將潔淨產氫成本降至每公斤2美元以下才具經濟效益。以現階段而言，還有很大的努力空間，加上以氫氣為主要能源的基礎設施得重新建置，不僅需要建置成本更需要時間轉換，以及大眾接受。談到危險性，氫氣是一種高可燃性氣體，跟天然氣一樣，如外洩會發生爆炸、造成傷亡，且氫氣的可燃濃度範圍相當廣，只要在空氣中占有4~75%的體積濃度，就會燃燒，比天然氣的5~15%的範圍還要廣，所以氫氣不小心外洩，其後果比天然氣更加危險，此外，氫氣無色無味，又能自燃，會產生高溫但沒有顏色的火焰，燃燒速度每秒為2.9公尺，遠快於天然氣每秒0.34公尺，導致意外灼傷的可能性相當高，好在氫氣在大氣中的擴散速度很快，是天然氣的6倍，需有良好的使用規範降低危害風險。

加以氫氣的能量密度為141.8 MJ/Kg，換言之，理想狀態下每公斤的氫氣約可產生39度電，是所有常見燃料中最高的，約為天然氣的2.5倍，但氫氣的密度為0.08988 g/L，是天然氣(0.717 g/L)的1/8左右，因此需要相對大的體積才能滿足相同的能源需求。

如上所述，氫具有其他能源不可睥睨的好處，亦有在目前應用上仍需努力克服的難關，但長遠來看，隨著氫相關技術的成熟，相信氫的總貢獻會越來越大，這也是大家的期盼，希望在淨零減排上藉由氫的助力順利達標。

 

參考文獻

1. IRENA, World Energy Transitions Outlook: 1.5°C Pathway, 2022¹
2. IEA, Global Hydrogen Review, 2022²
3. Energy Transition Commission, Mission Possible, 2018³