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明日綠色能源之星──氫能源

2004/02/05 經濟部能源局 點閱人次: 1000

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▓撰文:吳 晟

一提起氫,首先會讓人聯想到氫氣球,因為氫的質量很輕,充滿氫的氣球容易起飛。其實,氫是極佳的能源燃料,無論是天空飛行的火箭、遠程洲際飛機,地上行駛的鐵公路運輸工具,以及海底潛行的潛艇等,都可以用氫做為動力推進之原料。

近幾年來,隨著全球石油資源的日漸枯竭,甚至為了爭奪油源,幾度爆發國際紛爭;特別是為減少因燃燒石油、天然氣和煤炭產生過量的二氧化碳,避免溫室效應的進一步惡化,歐美和日本等主要先進國家都在研發氫能源,並積極把氫燃料電池推廣運用在汽機車、家電和發電系統,且逐漸形成一種沛然莫禦的新能源趨勢。

面對此一新能源趨勢,此時此刻從較廣闊的面向來認識氫,親近氫,繼而活用氫,是有其客觀的需要。

氫,自然界的一大奇蹟

氫(Hydrogen)的希臘語意思為「產生水」的物質,在元素週期表中為第一號元素,它的單質形態是氫氣,為所有物質中最輕者,也是最輕的一種氣體,每公升只重0.08988克,無色、無味、無臭、無毒,導熱性最好、比大多數氣體的導熱係數高出10倍,特別是其沸點很低、容易燃燒,這些特性都使得氫成為一種極佳的燃料能源。

很奇特的是,氫從原始意義的「產生水」,到後來被運用為燃料能源,堪稱自然界一大奇蹟。同時,氫在地球上分布甚廣,海洋、湖泊、河川的水中含有11%的氫,而泥土中約有1.5%的氫,其他的石油、天然氣和動植物體也含有氫;特別是幾乎所有元素都能與氫生成化合物,經由化學作用很容易製取氫,因此氫已被視為取之不盡、用之不絕的新能源。

氫做為燃料能源,有其優越之勢。根據中國工程院院長徐匡迪的分析,氫的燃燒熱值高,每1,000克氫燃燒後的熱量約為汽油的三倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。氫燃燒後的產物只有水,對環境無污染。氫可以由水(H2O)來製取,而水則是地球上最為豐富的資源。而在實證上,氫做為燃料能源不會像燃燒石油和煤炭一樣產生任何足以導致溫室效應的化學物質,也不會引起酸雨和煙霧。

我國中央研究院院長李遠哲也曾經公開指稱,燃燒石油等礦物質的能源型態,會導致酸雨、空氣中懸浮粒子增加,以及溫室效應等環境影響。台北百年難見的納莉颱風水災,也與全球環境變遷有關,其背後原因又與傳統化石能源的消耗問題有關。因之,目前全球科學家都在努力,希望繼利用奈米技術將太陽光能轉換為電能後,再利用電能將水分解出氫來,如今氫已被科學家認為是無污染的新能源。李遠哲還預測,21世紀將是氫能源的世紀。

美日矚意綠色氫能源

客觀來看,氫能源的時代序幕實際上已經打開了。歐美和日本所研發使用燃料電池的汽車,經由氫和氧的化學反應,產生了電能、熱和水蒸氣,沒有噪音的困擾,也不會排放二氧化碳、產生氮氧化物等有害氣體,可說是排放零污染。

而正因為氫做為燃料能源不會排放二氧化碳,有助於改善大氣層的溫室效應,對環境保護的效益無可計量;以及受到2001年紐約發生911恐怖攻擊事件的衝擊,美國方面已意識到,發展氫能源是擺脫對中東石油依賴的一條確保能源取得安全新出路,所以布希政府於已正式編列大筆預算,並與汽車合作研發計劃相結合,準備於今後五年內發展氫能源及燃料電池技術,以及氫氣供應基礎設施和先進汽車技術等。

日本方面也雄心壯志在推動綜合利用氫能源計劃,今後五年內的計劃推動預算為8,800萬美元,預計到2020年總投資額為40億美元。日本環境省也進一步提出呼應,希望未來社會都能使用非化石燃料製造的氫能源,以實現綠色氫能源社會。這裡所謂的綠色氫能源,指的是從微生物、金屬廢棄物等非化石燃料中製造出來的氫,有別於通過分解石油、煤炭、液化石油氣(LPG)等化石燃料後產生的氫。目前三洋電機正在實驗由垃圾等廢物中提取有機物,然後經由微生物分解來製取氫,以及嘗試用葡萄糖替代垃圾等廢物,提取有機物做為製氫原料之技術。

另外,由亞太地區21個經濟體組成的亞太經合會(APEC)所轄之能源工作小組,這幾年來也提出不少有關發展氫能源的研究報告,並積極鼓勵區域內各經濟體把發展氫能源列為新的能源政策。2003年10月在泰國曼谷舉行的APEC部長會議,在聯合聲明中更呼籲大家應努力發展乾淨的、有效率的氫能源,以減少對化石燃料的過度依賴。

德國冰島領先氫能源發展趨勢

除了亞太國家對發展氫能源的高度重視外,歐洲的德國和冰島在發展氫能源領域,早已奠定其領先者地位。綠色概念濃厚的德國能源和汽車工業界,在氫和燃料電池汽車方面的研發技術,以及加氫站本身能夠經由電解水製取氫,均領先世界使用氫能源做為汽車動力之發展趨勢。

特別是冰島,為全世界第一個導入「氫經濟」的國家,有「綠色能源之國」的美譽。近幾年來該國藉由與殼牌石油、挪威水電集團、戴姆勒克萊斯勒公司等跨國企業展開合作,積極投入氫能源的開發和運用,且於2003年建造了冰島第一座加氫站,並希望於2050年之前完全以氫為替代能源,達成國內所有運輸工具、甚至漁船等都不再使用石油產品做為動力能源之理想。由於冰島推動「氫經濟」頗具成效,已吸引不少亞洲國家的能源專家前去學習製取氫之技術,以及運用經驗。

製取氫的技術和遠景

然而,在推動發展氫能源之前,如何製取氫則是一門大學問。目前,製取氫較常見的方法有四,其一是利用太陽能產生的電力為催化劑,以水為原料,電解水生成氫和氧;其二是利用鈰氧化物與金組合為催化劑,以天然氣和化石燃料(石油、煤)為原料,經由水和一氧化碳反應生成氫和二氧化碳;其三是利用鐵附加鈰氧化物為催化劑,以天然氣為原料,通過氣態轉化製取氫;其四是利用鎳、鋁和錫合金為催化劑,以動植物廢料為原料,通過高分子碳水化合物氫液態轉型製取氫。

此外,前面提及的日本使用非化石燃料製造的氫能源,其中從微生物製取氫方式特別引人關注。能源專家已探索出地球上有16種水中綠藻和三種紅藻有產生氫的能力,利用藻類本身產生的脫氫?,並在太陽能的光合作用下產生氫。

能源專家還發現,有四種細菌也有產生氫的能力,其中包括:依靠發酵過程而生長的嚴格厭氧細菌、能在通氣條件下發酵和呼吸的兼蓄性厭氧細菌、能進行厭氧呼吸的嚴格厭氧細菌、光合細菌等。至於人類熟悉的大腸桿菌、產氣桿菌和某些芽孢桿菌,以及反芻動物胃中的細菌,也都具有不同程度的產氫能力。

期待「氫能源時代」到來

但必須指出的是,上述這些製取氫的方法,有的技術還不夠成熟,有的效率不盡理想,有的成本偏高,尤其是貯存氫和輸送氫仍有安全問題;因此,氫要在短期間內成為普及性的燃料能源,的確有其客觀上的限制,必須進一步加以突破和解決。

不過,隨著人類環境保護意識的高漲,以及石油資源的供給有侷限性,不排放二氧化碳、不會助長溫室效應,同時能量效率高、淨潔又無噪音的新能源──氫,已被視為明日綠色能源之星。相信,在人類的科學技術不斷研究發展之下,實現「氫能源時代」的條件和配套必能逐步成熟,或許在不久的將來,我們週遭生活的一切能源事物都將烙印上一個「氫」字。(作者為台灣經濟研究院國際處副研究員)


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