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國內氫能發展探討

2006/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 333

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▓撰文:曹芳海*、趙令裕、周桂蘭 ▓圖片提供:工研院能環所

「歐洲出現近20年來最嚴重的乾旱」、「中國、印度豪雨不斷,將發生嚴重水災」、「油價將自明天零時起再度調漲」如此的報導不斷在電視及新聞中出現,這些看起來沒有什麼關聯的事件,未來出現的頻率將越來越高,而且與人類大量開採、利用化石燃料有關。

化石燃料(Fossil Fuels,如石油、天然氣等)隨著使用量的快速成長,目前已知的可開採蘊藏可能在半個世紀內或更早告罄,而人類100多年來大規模使用化石燃料,大量的二氧化碳進入大氣層,把地表輻射熱擋在大氣層內,造成溫室效應引發全球性氣候變遷,增加極端氣候現象發生的頻率。

國家能源使用重點發展項目

有鑑於前述事項,由於氫能具有無污染、安全度高等特點,隨著能源供需及國際政經情勢的演變,已被國際能源總署(IEA)規劃為未來主要的能源利用型態,在2050年氫能預期將占最終使用能源(Final Energy Consumption)的50%。我國基於此一國際發展趨勢,在民國87年5月召開之「全國能源會議」即做成應積極推動新能源開發與提升潔淨能源容量之結論,並隨即於88年5月納入燃料電池與氫能利用技術發展規劃,並於90年全國科學技術會議及92年行政院科技顧問會議中,確定燃料電池與氫能利用列為我國中、長期發展重點項目。

不過做為一種新的能源,氫能除了必須面對其他能源的競爭外,還必須克服一些障礙,包括:可永續發展的氫能生產技術仍不成熟、氫能產銷體系還不存在、及有效率的氫能應用技術還不成熟。譬如以氫能發電為例,商業運轉之大規模氫能發電並非在短時間可以實現,主要因氫能發電所需之基礎建設相當龐大,恐非在短時間內能達成。由台灣能源的分析可以發現,能源使用主要可以供應端(發電裝置容量)及需求端(平均用電強度)來考量:

一、供應端(裝置容量比率):參考技術發展預估氫能發電裝置容量與電力需求裝置容量之比率,以規劃台灣未來氫能發電需求;

二、需求端(發電量與人口比率):以估算平均每人用電量中,為減少二氧化碳排放需求改以氫能發電比率,進而推估台灣未來氫能發電之需求。

4階段期程推廣氫能

氫能發電量之需求與設置除與人口數、民生活動、產業需求息息相關外,尚與氫能基礎建設之普及度有關,其中主要包括:產氫方式與地點、運送與儲存、輸配電系統整合等,而這些條件最終也會歸結到氫能發電成本上。就台灣目前的狀況而言,相關的基礎建設尚未啟動,氫能發電以目前發電廠原址擴充或汰舊方式是較為經濟之作為,即使如此,若全面推動仍須經過4個階段,即研發準備期、示範期、推廣期、全面氫能經濟發展期:

一、研發準備期(研究氫能發電相關系統):研究開發氫氣運輸設備及運輸體系,並分析目前台灣輸配電系統之能源效率,中後期研究則建立小型氫能發電站示範系統。

二、示範期(氫能發電站示範系統):前期選擇固定點(如郊區鄉鎮、科學園區等需自給發電者)示範氫能小型發電系統,後期評估示範系統縣市(如台北市、台中市、高雄市),開發氫能大型發電站及必需的電力輸配網路。

三、推廣期(都市發電系統轉化氫能):前期由政府主導大型發電站建立,延用舊有電力輸配網路,後期開發台灣新輸配網路以提高電力能源效率。

四、全面氫能經濟發展期(氫能供電系統全面建立):持續發電效率提升與輸配電系統併聯工程之進行。

其中前面3個時期,推估每個時期可能需要10年左右,才能進入最後的全面氫能經濟發展期。

而最有效率的氫能利用技術是燃料電池(Fuel Cells),只要氫氣持續的供應,燃料電池即以電化學(Electrochemical)方式將氫化學能轉換成電能與熱,總效益超越熱力學效率的限制。目前燃料電池技術以質子交換膜燃料電池(PEMFC)應用最為廣泛,發電同時會產生熱與水,最適合同時需要電及熱水的場所(如家庭、餐廳、旅館等),可以與目前的天然氣管線基礎設施結合(降低進入障礙),也可以使用純氫,未來推廣應用機會大。最近PEMFC更開始朝微小化發展,進步神速,未來也可能成為3C電子產品的電源。現在發電的能源種類已有很多種,但交通器具使用的能源仍以石油產品為主,未來供應及價格風險很高,因此混合動力或電動車輛開始盛行,PEMFC因電功率面積密度高,因此做為車輛動力也很適合,是目前電動車輛技術發展主軸之一。

擘劃氫能利用新藍圖

未來氫能的大規模使用將徹底改變人類的能源消費模式,其變化之巨,可比擬現在的數位科技改變人類的通訊習慣一樣。讓我們試想一下,若台灣自2015年開始導入氫能燃料電池汽車,假設至2050年達到全部新增的小客車都替換成燃料電池電動車時,我們口中的「加油站」將改稱為「加氫站」,由經濟模型的推演預測,至2030年氫氣將大幅取代汽油,不但降低了對汽油的依賴程度,同時因為高效率的氫能車也節省了運輸部門的能源使用,而氫氣的生產若來自煤炭氣化加裝碳捕捉技術或再生能源(如太陽光電或風電離峰電力產氫),對二氧化碳排放減量也將有相當大的貢獻。

總之,因為化石燃料的有限性及對能源需求的不斷成長,即使沒有全球氣候變遷的威脅,也一定要開發其他的替代能源,並且要更合理有效的使用能源。自主性能源的供應將會逐步成長,當其增加並逐漸普及(即在國內可普遍看到風力、太陽能發電、生質柴油車等)之後,傳統能源體系將與自主能源體系融合,而當大型氫能廠出現之時,也將是氫能與輸配電網路完全結合之際,人類也將正式邁入新的能源世紀。(作者為工研院能環所新能源技術組組長*、副研究員)


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