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面對地球的極端氣候變遷，世界共識為邁向淨零碳排的能源與產業轉型之際，臺灣政府於今（2022）年3月30日提出國家2050年的淨零碳排總策略。臺灣產業將面對減碳與能源轉型的艱鉅挑戰，尤其近期因新冠病毒 （SARS-CoV-2）退散而景氣復甦，再加上烏俄戰爭也牽動著國際性的能源與通膨危機。能源的獨立與安全議題，更是衝擊著政府、產業與人民的應變能力。在全世界去石化、低碳能源發展趨勢下，電力供應需擴大再生發電比例，因此如何儲存穩定再生能源成為一大議題；其他難以電氣化的工業原物料，如車輛、船舶、飛機動力燃料，以及建築與工廠的熱能使用，也急需技術創新研發有所突破。相關技術需進一步達產業規模化以降低成本，再配合各國的能源政策引導，以達成碳中和目標。這些相關技術包含智能電網與儲能、載具電動化、氫能與氫能燃料、生質能源、碳捕捉封存或再利用技術開發。其中，氫能的運用將是一項重要的技術，本文將針對氫能與氫能燃料的技術發展做初步介紹。

氫能基礎建設紛紛納入政策規劃

氫能技術已成為國際上共識的減碳技術方向之一，目前已有39個國家提出該國的氫能政策。以美國為例，在新通過的《跨黨基礎建設法案》（Bipartisan Infrastructure Law）將投入95億進行清潔氫能的水電解產氫研發，以及建設使用於天然氣、再生能源與核能產氫的示範氫能基礎設施。

歐盟的Re Power EU計畫中，則通過於2030年前將建置基礎設施，每年自產綠氫1000萬噸、進口1000萬噸，將綠氫應用於燃料電池車、化工、農業、鋼鐵，並且示範將天然氣添加於管路、發電、氨氣大型運輸船等應用。也將透過碳價政策將綠氫（green hydrogen）的使用比例逐年增加，替代傳統石化燃料在上述領域的使用。另外在烏俄戰爭爆發下，傳統石化燃料倍數漲價更加速歐盟各國推動清潔能源的利用及基礎建設，尤其是投資再生能源與氫能發展，以提升歐盟的能源安全與獨立。

在臺灣2050年的國家淨零碳排路徑策略上，氫能被列入欲發展技術，規劃9∼12％電力將使用於氫能發電，而氫氣來源有進口與自產綠氫。工研院綠能所聯合產業界提出臺灣氫能技術應用藍圖規畫，建議在臺灣西岸分別設立北、中、南三大氫應用園區，搭配北部既有電廠改以混氫發電、中部離岸風電規劃以綠氫生產，以及南部既有石化鋼鐵聚落的綠氫應用。配合相關政策，台電公司將進行氫能與氨氣添加於天然氣與燃煤發電的示範計畫；中油也將於今年完成移動加氫站建置，未來計劃轉型為充電與賣氫的新能源公司；中鋼的煉鋼技術也將轉 換為天然氣產藍氫（blue hydrogen），再往電解產氫的氫氣煉鋼技術發展，以大幅降低碳排量。此外，台積電的製程需要使用氫氣，以往主要由石化產製灰氫（grey hydrogen）且運輸會產生碳排。最新遠東新集團亞東氣體公司已於去（2021）年建立領先世界規模最大的水電解高純氫氣廠，未來將擴充至100百萬瓦（megawatt, MW）的電解廠規模，以供應台積電的綠氫需求。

灰氫、藍氫、綠氫，各種產氫技術的未來

現今95％以上的氫氣多以天然氣與水經高溫重組反應製得，重組反應後會釋出二氧化碳排於大氣，因此被稱之為灰氫。 藍氫產生過程與灰氫相同，差別為製程產生的二氧化碳會被捕獲和儲存，技術本身減少碳排。若將再生能源例如風能或太陽能產生的電力應用於電解技術，所產生的氫氣就稱之為綠氫，氫氣可作為氣體或液體儲存，直到需要才釋出。綠氫的技術發展可能可以解決大多數可再生能源的間歇性問題，讓發出的電能得以儲存。

以再生能源發電產綠氫，目前最接近商業化的技術是水電解產氫。2019年綠氫的生產成本為每公斤2.5∼4.5 美元，為目前石化燃料產灰氫成本的2∼3倍。但據估計，到2030年再生能源發電成本將預計降至每百萬瓦時（MWh）30美元（以離岸風電為例），加上成熟大規模量產使用水電解器（每千瓦300美元）技術，可使綠氫生產成本接近石化燃料產氫成本的每公斤1.5∼3.0 美元，將可完全替代目前工業生產使用的氫氣，還可添加於天然氣管路的熱能使用。而到2050年，綠氫成本將降低達每公斤1∼1.5美元，低於傳統石化能源產氫，可更大規模替代鋼鐵及水泥等工業產品的燃煤、天然氣發電與熱能使用。

各種電解技術中，鹼性電解（alkaline elecrolyzer, AE）具備成熟、非貴金屬使用、價格合宜等優點，為現今大型儲能製氫市場的主流；質子交換膜電解（proton exchange membrane electrolyzer, PEME）技術具有高純度氫氣、模組化、快速應變的優點而為近年發展的主流；固態氧化物電解（solid oxide electrolyzer, SOE）技術具有高溫高效率、可將水與二氧化碳共電解等優點而為未來矚目焦點。

根據製程，氫能技術可以分為：灰氫使用為蒸氣甲烷重組（steam methane reforming, SMR）
或煤炭氣化（coal gasification）；藍氫同樣使用 SMR 或煤炭氣化氣化配合碳捕捉（carbon capture）；
藍綠氫（turquoise hydrogen）使用熱裂解法（pyrolysis）；綠氫則使用再生能源產生的電能電解水製氫（electrolysis）。
（資料來源：IRENA. (2020). Green Hydrogen: A Guide to Policy Making. International Renewable Energy Agency.）

減碳又節能，綠氫在煉鋼、發電與汽車的運用

綠氫具備當前主要綠能沒有的特性，被認為可以用來幫助重工業、大型運輸工具，甚至是最難減碳的行業煉鋼業，如在高爐冶煉鋼鐵中以氫氣取代焦炭作為還原劑減少汙染排放，達成減排目標，完成全球在2050年達到淨零碳排的最後一哩路。鋼鐵產量占全球溫室氣體排放量的8％，一噸鋼鐵生產向大氣中平均排放約1.85噸二氧化碳。鋼鐵工業的高爐利用焦炭進行化學反應，將焦炭和氧化鐵轉化為二氧化碳和鐵。

一般來說鋼鐵冶煉分為高爐與電爐兩種：前者將由鐵砂礦開採所得的鐵礦石與焦炭融煉生成「生鐵」，然後再次轉爐大量吹氧將鐵水脫碳成為鋼液的「煉鋼」；後者電爐利用高壓電與廢鋼為原料，將電流通過人造石 墨電極與廢鋼，利用高溫電弧將廢鋼熔解，最後使它成 為「鋼鐵」。高爐中的焦炭還原劑可以用「綠氫」取 代，過程中只會排放水，不會有任何有害汙染。綠氫也 可以為電爐提供電力，有機會打造一條較為乾淨的煉鋼 產業。

相較於燃煤發電的高碳排（每一度電會產生0.4公斤的二氧化碳），天然氣發電可大幅降低碳排（每一度電會產生0.15公斤的二氧化碳），而天然氣中摻入綠氫更可進一步減少碳排。天然氣混氫發電技術是指在現有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣－ 天然氣混合氣體來進行燃燒發電的技術。採用混氫天然氣作為燃料，可以改善燃氣輪機燃燒室的燃燒條件和廢氣排放，藉以降低二氧化碳排放以及改善發電效率。氫氣除了供應燃料電池車發電之外，也可以做為內燃機的燃料並輸出動力。氫氣的優點是比燃油或天然氣易燃、較高比例空氣進行運轉、零二氧化碳產出、可在燃料稀薄條件下進行燃燒，缺點則是輸出動能會稍降低。

如何讓天然氣更綠？綠氫協助的能源轉型

天然氣發電業者初期可用現有燃氣機組調整燃料配方，在天然氣燃料投入時添加5∼10％的氫氣，並在確保安全情況下減少碳排放；中長期待燃料電池技術成熟與量產商業化後，再導入燃料電池機組進行綠氫零碳排發電。鋼鐵業者初期可朝向低碳高爐發展，將高爐輔助燃料由粉煤改為含（綠）氫氣體，且部分含鐵原料以先經過（綠）氫氣還原的還原鐵取代。中長期將二氧化碳氣體透過CCS捕捉封存轉變成無碳高爐，同時必須採用全新的（綠）氫能冶金製程。

因為俄烏戰爭導致天然氣價格飆漲，因此各國將「俄烏戰爭能源危機」視為「淨零轉型的契機」，特別是「加速再生能源發展」。而此發展更將有利儲能電解製氫平價化進而加速取代天然氣，促成能源轉型提早實現。

延伸閱讀
1. International Energy Agency. (2020). Energy Technology Perspectives 2020. IEA, Paris. https://www.iea.org/reports/energy-technologyperspectives-2020
2.Council, H. (2021). Hydrogen for Net Zero-A Critical Cost-competitive Energy Vector. https://www.h2knowledgecentre.com/content/ policypaper2741