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德國柏林西區史班島「加氫站」

2006/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 324

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▓撰文:李錦鈺 ▓圖片提供:TOTAL Deutschland GmbH

本文透過久居德國台僑之筆,報導柏林西區史班島(Berlin╱Spandau)加氫站的設立背景,並以此為例,介紹加氫的基本設備及程序,並探討氫能使用前景。

幾十年來,以氫為汽車的燃料只是一種想像,而現在終於陸續在世界多處實現起來了。例如,德國慕尼黑城早在1998年就設置加氫站,專為慕尼黑機場的場地用車、公共汽車以及轎車加氫之用。到2003年6月為止,有13個企業參與此共同計畫,總共載運了1萬名顧客,使用了4萬9千公升的液態氫。另近2年來,德國賓士汽車公司策劃了27輛裝有燃料電池的大型車,在歐洲9個大城市上路,為市民服務。法國人對氫能在機動車的使用態度保守,仍未設加氫站,但其跨國石油公司托塔(Total)允許其德國分公司在2002年開始於柏林設立試驗性的加氫站,2006年6月,又在柏林西區史班島增設了第2座加氫站,使得柏林成為氫能使用的重鎮之一,也更鞏固德國此領域在歐洲的領導地位。另外,歐盟自2001年投資了2,100萬歐元的預算,做一系列的鼓勵計畫;挪威政府則鼓勵使用氫能,加氫能可免稅;甚至有些大學也將開設氫能科技的學系。

在美國加州,為了試驗多種車型引擎使用在燃料電池的可能性,也老早就設立加氫站,並在2001年8月,由Honda汽車公司的加州分公司創立第1個以太陽能製造氫的加氫站。在亞洲也動了起來,英國一石油公司將在近期協助中國在上海設加氫站,據悉,2008年中國北京奧運期間,亦將啟用氫能汽車;又北非阿爾及利亞(Algeria)也領悟到氫能的重要,將成立氫能研究會。總之,嘗試使用氫能的地方越來越多,且常是多個企業的共同計畫,以及國際合作。

氫特質簡析

氫為無色、無臭、無味的氣體,不帶毒性,其在標準狀態下,密度僅為空氣的十四點四分之一,為所有物質中最輕者。冷卻至-253℃時轉變為液態,則比空氣還重。另一方面,氫的能量密度卻是所有的機動燃料中最高的,燃燒1公斤氫能,其能量效果抵得上2.1公斤的汽油。且氫的燃點相對較低(560℃),故易燃,在20世紀初就曾被用來做空中氣船的燃料,但因1937年興登堡號飛船在紐約發生大爆炸,使得人們後來談氫變色。

在目前化石燃料亮起紅燈的情況下,氫能因其物理、化學特質,又重新受到重視。而且,氫燃燒時不會產生二氧化碳、二氧化硫及煙塵等污染物,因此做為汽車燃料在今日環保意識覺醒的時代下,實為理想的替代能源之一。再者,氫在自然界的儲量豐富,雖然少以純氫的形式存在,但可從含氫的化合物中製取,例如:天然氣、石油、煤炭、生質能等,可說是來源廣泛。但是利用氫能做為汽車燃料進程之所以緩慢,並不是沒有原因,尤其是汽車引擎的適應技術上的困難及製氫成本昂貴。對推動氫為汽車燃料的業者而言,氫能的使用技術已不成問題,困難的是,何時氫可以在成本上和其他的汽車燃料具競爭力。故業者已在製造、儲存、運輸等步驟進行降低成本的努力。

以下即由德國柏林西區史班島加氫站實例,談加氫技術及氫能前景。

史班島加氫站設立背景

柏林西區史班島加氫站是德國幾個國際知名的汽車公司如BMW、Daimler-Chrysler、Ford、GM╱Opel,以及石油公司Hydro、Linde、Total與柏林公車公司BVG所聯合組成的乾淨能源企業聯盟(Clean Energy Partnership, CEP)的5年計畫之一。經費一部分為歐盟的氫能鼓勵計畫「氫能車隊-歐盟潔淨城市」(HyFLEET:CUTE, Hydrogen-FLEET:Clean Urban Transport for Europe)所支援,部分由參與的企業負擔。因為此計畫符合德國國家永續策略,故亦為德國聯邦政府所樂見。

史班島加氫站設立之目的,一方面是示範能減少二氧化碳排放並具經濟前景的氫能科技;另一方面在收集技術經驗,並檢定氫能使用的可靠性及經濟性。在目前階段,由於市區公車有足夠的空間置放氫的儲存箱,且行駛路線固定,故先試公車的日常使用經驗。在6、7月世界足球盃比賽時,柏林的2輛氫能公車往返於機場及足球場之間,載客人數達上萬人次,特別是載送報導足球賽的記者,共行駛了8,500公里的路程,無論是加氫過程或行車途中皆安然無恙。

加氫的基本設備及程序

 

由於史班島加氫站提供液態及氣態氫,加上氫有前述的獨特性質,故加氫站裝置有特別的設備並採取特別技術,臚列如下:

一、氣態氫

加氫站設有蒸汽改質器,以生產氣態氫。1小時可生產100Nm3之量,1天24小時下來可製造約240公斤的氫氣,可供7部大型公車之用。史班島的加氫站提供350巴(1巴=0.987大氣壓)壓力的氣態氫,其壓力是經過幾個步驟而來:

(一)由蒸汽改質器剛製成之氫為3巴;

(二)送到「前壓縮機」加壓至25巴;

(三)再送到主要壓縮機,又加壓到350巴之後,存到儲存瓶中備用。

因為目前大部分在此加氫的公車用350巴的氫箱,故史班島的加氫站提供350巴的氣態氫,若將來有更高的需求時,亦可增加到700巴。

另一方面,加氣態氫時主要涉及3個因素:壓力、溫度及加氫的速度,而此3者又互有關聯;亦即若體積固定時,壓力和溫度之改變成正比,而加氣態氫的基本原理亦然。為了讓車子的氫箱持續保有350巴的壓力,加氫時需加入更高的壓力,因為車子在加氫後,車子氫箱中的溫度會自動和周圍環境的溫度(約25℃)互相調和,而降低溫度,如此連帶的也將降低氫箱中的壓力,而達不到350巴的水準。當夏天氣候炎熱時,氫箱中的溫度和周圍環境的溫度差別不大,加到380巴即可;而冬天氣溫低,周圍環境為零度或更低時,氫箱中的溫度和周圍環境的差別更大,常要加壓到450巴。至於加氫的速度,若加氫的速度太快,則溫度上升的也快,如此必需加更高的壓力;但一般車子內的溫度最高可達85℃,為了避免惡性循環,加氫時必需慢慢的加。

二、液態氫

由於液態氫的製程複雜,不方便在加氫站直接製造,故由製造液態氫的公司運來,並存在離加氫站台約3公尺處的高聳白色圓筒狀存氫倉內,高約6公尺,直徑約3公尺,可存17,600公升的氫,再由地下的管道接通到加氫台,其氣壓為3~4巴,再以大型唧筒將液態氫加壓到5~8巴,就可接加氫槍,然後將氫加到顧客的氫箱。液態氫重要的是如何確保-253℃的溫度,使之維持液體狀態,故常需以更低溫度來冷卻液態氫能。白色圓筒狀存氫倉的液態氫還有一個功用,就是當蒸汽改質器所製的氣態氫不夠用時,可用蒸發器來蒸發液態氫而成氣態氫。

一般來說,液態氫比氣態氫需要更多的特殊設施,光是如何關緊連接加氫槍以及汽車氫箱的聯接器就是一個困難的過程。有些加氫站使用自動化設備來進行加氫,但效果並不好。加液態氫之過程如下:

(一)檢視燃料系統是否已低於-253℃。連接器內裝有一個類似河川岬口的設備,以調和液態氫儲存瓶和車子的加氫箱兩邊的溫度,並用氦氣來檢視是否有雜質,同時進行清潔的工作。之後,才打開兩邊的活門開始進行加氫過程。尤其是車子第1次加氫時,必須對整個系統進行清潔工作,杜絕任何的空氣或小水滴的存在,否則系統將被零下200多度的低溫凍結,而堵塞活門。

(二)檢視連接器是否已牢靠,並確定周遭沒有可燃燒的危險物體存在。

(三)進行接地處理,以避免漏出的氫氣由於附近可能的電壓而導致燃燒。

(四)以氦氣打入氣流,檢視汽車的氫箱是否緊密,並檢查連接器接觸的妥當性。

(五)打開加氫槍的活門,開始進行加氫。

(六)控管加氫過程。

(七)加到氫箱85%的滿度時,結束加氫的過程。

(八)分離連接器。

三、一次加氫的量以及所需時間

如上所述,加氫的速度不能太快,為求安全起見,每秒鐘最多加約66公克,否則液態氫將產生小的金屬粒子及因不潔而引起火花。大致說來,一輛大型公車1次加氫約30~35公斤的氫,需時20~30分鐘,約可行駛300~400公里。轎車之加量約2~3公斤,需時8~9分鐘。

四、價格

於示範期間,訂的價格1公斤為8歐元,但此只是參考價格。若真正算成本,包括蒸汽改質器、壓縮機等各種儲存設備,則可能1公斤要到50歐元之數。

五、加氫的汽車需要特別的引擎

目前主要有2種:一為傳統的燃燒式引擎,二為燃料電池。前者在活塞式的轉動汽缸中,利用2份氫加1份氧的爆炸反應,而推動汽車,基本原理和奧圖循環(Otto Cycle)一致。後者,則用燃料電池將氫轉化為電能來推動汽車。Man公司的大型公車、BMW車使用燃燒式引擎,其他如Benz、Ford、Opel等公司的車則使用燃料電池。此2種引擎皆能達到零污染的效益,尤其燃料電池的功率高,理論上可到50%,即傳統引擎功效的2倍;但目前只有20~30%的功率,效果不夠彰顯,主要是因為所有的汽車部件皆未能有最佳的設計,此點各大汽車公司仍在努力改善中。

氫能經濟前景小結

一、安全方面問題不大:自1998年世界上多處設立加氫站以來,沒發生過從前所顧慮的氫爆炸事故。基本上,只要注意安全措施,氫並不比其他汽車燃料危險。

二、氫能的經濟效益及環保意義:學術及工業界幾年來已努力於降低製氫成本,除了較為人知悉的蒸汽改質法及水解法外,新的趨勢有光電解法、熱化學法、光生物法等,但成效大都仍不穩定,離市場價格仍遠。目前仍以用天然氣改質的方式最常見,但缺點是在製造過程中會產生二氧化碳的排放;此一事實,將以氫為潔淨的汽車燃料之優點大打折扣,變成只是將二氧化碳的排放問題移置到郊區的製氫工廠而已,對整個大氣污染的解決仍無助益。

柏林西區史班島加氫站的氫是以丙烷(Propane)製造的,製程中排放微量的二氧化碳,仍未能達到善盡環保的理想,這是因Total公司自產丙烷,為降低成本的權宜之計。Total公司的公關人士表明,該公司計劃將來用生物基礎的初級能源來製氫。可見業界知此問題點,以再生能源來製造氫能以達到零污染,應是中程可達到的。

三、儲存問題:比起1980年代,目前儲氫技術已更為成熟,並逐漸走向實用化及規模化,故促使現在世界多個城市開設了加氫站。但為了降低成本,必須在各階段的氫儲存發展出質地輕、效能好


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