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環保科技 | 全球掀起氫能源革命


現時全球仍是以石油、煤和天然氣等不可再生資源作為主流能源,但自1760年代第一次工業革命以來,人類對這類化石燃料的消耗日益增加,儲量卻持續減少,終有一天會用完,加上所帶來的環境污染已造成全球氣溫上升等生態問題,以上原因都加速推動各國更積極實現碳中和目標。近年中國、美國、日本、韓國、歐盟等尤其重視氫能源方面發展,國際氫能委員會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》預期,2050年氫能源需求量將是目前的10倍,在全球所有能源消費的比重提高至18%,氫經濟的市場規模將達到2.5萬億美元,並可減少60億噸二氧化碳排放;以氫能為核心技術的燃料電池汽車更將佔據全球車輛的20%至25%,到時氫能將成為與汽油、柴油並列的終端能源體系消費主體。

優勢遠超汽油和鋰電池

在《巴黎協定》下,全球大部分國家都為減碳作出協定,逐步推出以電動車取代燃油車的方案,帶動電動車產量持續攀升。但實際上,以鋰電池主導的電動車並非完全是零排放,只是在使用階段屬於零排放,例如從上游原材料供應鏈環節中碳排放就佔到70%以上,因此以整個產業鏈來考量的話,電動車並不是零排放,反而使用燃料電池的氫能車(fuel-cell electric vehicle,FCEV)更能實現零排放。

相比起傳統燃油和鋰電池,氫氣具有低污染、高效能的特點,氫能車內置燃料電池,通過氫氣和氧氣產生的化學作用製造電流,推動車輛行駛,化學過程中產生的副產品只有水份,及後又可分解成氫再次回收利用,全生命周期不會產生碳排放,屬於零污染的清潔能源。

另一方面,氫氣的能量密度極高,最高可達到143MJ/Kg,是汽油的3.25倍,是鋰電池的130倍,意味著擁有比汽油和鋰電池更高的能量轉換效率。舉個例,燃油車加注1kg汽油約可行駛20km;電動車1kg電池單體儲存的電量只能行駛1至2km;但氫燃料電池車加注1kg氫氣,就可行駛100km,差別之大顯而易見,這亦帶來續航里程長的優勢。

《經濟學人》發表文章指出,行駛距離較短的私家車,未必能夠突顯氫能車的優勢;但行走距離較長的交通工具(例如貨車),使用氫能可減少停下補充燃料的次數,亦可降低興建補充燃料的設施數目,因此更適合長途運輸卡車、大巴、物流車等中重型車輛應用。加上有別於電動車動輒需要數小時充電的缺點,氫能車的加氫時間只需約5分鐘,應用上比柴油車和電動車都實用方便得多。

中國氫能政策加速落地

中國近年頻推減碳措施,2019年兩會期間,根據多方面意見最終將「推動加氫設施建設」增寫入2019年政府工作報告。在《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中,首次提出將氫能納入能源體系管理,統籌推動氫能產業發展。在支持氫能技術發展上,《能源技術革命創新行動計劃(2016~2030年)》、《能源技術創新“十三五”規劃》等文件中,明確支持氫能及燃料電池關鍵技術裝備研發和示範應用。對燃料電池汽車的發展目標和支持政策較為明確。

2020 年正式發布的《新能源汽車產業發展規劃(2021~2035 年)》強調氫燃料電池汽車應用支撐技術突破,從提高氫燃料制儲運經濟性和推進加氫基礎設施建設入手,推動實現商業化應用。財政部、工業和信息化部、科技部、國家發展和改革委員會、國家能源局等五部門《關於開展燃料電池汽車示範應用的通知》以燃料電池車為切入點,採用「以獎代補」的方式,帶動氫能產業健康有序發展。

國家主席習近平繼2020年在聯合國大會提出2030年碳達峰、2060年碳中和的「雙碳」承諾後,今年9月再藉聯合國大會提出新承諾,將大力支持發展中國家能源綠色低碳發展,停止在海外建設燃煤發電項目,進一步減低國家對燃煤能源的倚賴。同年發布的《新時代的中國能源發展》白皮書中亦指出,要加速發展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業鏈技術裝備,促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展。

由此可見,開發氫能先進技術和推動氫能產業化將是國家未來的方向,燃料電池技術是當前全球能源技術革命的一大契機,背負著深入推進能源供給和消費的重要革命。《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》顯示,中國氫氣年產能約4,100萬噸,產量約3,342萬噸,為世界第一產氫國。中國氫能聯盟預計,2030年,中國對氫氣的需求將達到3,500萬噸,並在未來的能源體系中,佔據其中5%,到2050年後需求將達到6,000萬噸,佔比也將突破10%,產業鏈價值更是高達12萬億元人民幣。

浙江、湖南、湖北、廣東、海南、上海、北京等逾30省、市及自治區目前已在當地的《十四五規劃》中明確提出要發展氫能產業,根據規劃目標,期內要將煤炭消費量基本零增長並逐步下降,到2030年非化石能源消費量佔比達到25%左右,到2035年提高至約30%,同時將氫能納入《2035年遠景目標綱要草案》之中。今年9月,五部門聯合正式發布《關於啟動燃料電池汽車示範應用工作的通知》,北京市、上海市、廣東省所報送的城市群成為首批示範城市,4年示範期內,每個城市群最高可獲得17億元人民幣的中央財政資金獎補。

當中尤以北京市為氫能發展重地,北京市經濟和信息化局發布的《北京市氫能產業發展實施方案(2021-2025年)》顯示,目標2023年前,北京將力爭建成37座加氫站,推廣氫燃料電池汽車3000輛;到2025年前,氫燃料電池汽車累計推廣量突破1萬輛,可見當地未來燃料電池汽車發展的目標是相當明確。

中國國務院國資委秘書長、新聞發言人彭華崗在今年7月舉辦的「上半年央企經濟運行新聞」發布會表示,目前已有超過1/3的央企在進行包括制氫、儲氫、加氫、用氫等環節在內的全產業鏈布局。摩根大通則認為,中國正在宣導燃料電池車,正如十年前力推電動車一樣,如今成效斐然,因此對未來燃料電池車發展深具信心。

日本專利全球第一

不單止是中國,現時全球氫能發展的趨勢都非常強勁,在佔全球GDP約52%的27個國家當中,有16個已經制訂全面的國家氫能發展戰略,當中日本、韓國和美國的發展步伐於全球處領先位置。

自從2011年發生福島核災後,日本已關閉所有核反應爐,同時因地少山多、人煙稠密,難以大規模發展再生能源發電,所以不少企業都伺機大力發展氫能。早於2014年,日本豐田就上市一款名為MIRAI的氫能源汽車,MIRAI在日語中是未來的意思,這亦被日本人視為汽車的未來。早前MIRAI 於美國街道模擬真實駕駛狀況下,加滿 5.65 kg 的氫燃料後,以 1,360 km 的續航表現同年内再次打破健力士世界紀錄。截止2020年底,MIRAI在全球合共生產了約12,015部。

又例如2018年開業的川崎國王天際東急REI酒店,以氫燃料電池能為房間提供電力和熱水,是全球首間部分由氫氣供電的酒店。再者,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)亦與多間企業聯手,成功只靠氫氣發電就可為某些市區範圍供應熱力和電力,成為是全球首例。

2017年,日本政府公布「基本氫能戰略」,旨在創造一個「氫能社會」目標在2030年前後建構商用規模的供應鏈,每年採購約30萬公噸的氫氣。氫能車普及目標是到2025年約20萬輛,到2030年約80萬輛。加氫站的建置目標是到2025年度達320座;到2020年代後半,加氫站事業的自立化。燃料電池巴士的導入目標是到2030年度約1,200輛。燃料電池堆高機的導入目標是到到2030年度約10,000輛。

氫能源專利方面,日本現時佔據全球30%以上,是全球第一。日本的豐田、本田、日產、松下和東芝等,在氫能和燃料電池技術方面,已是全球的領軍人物,在質子交換膜燃料電池、燃料電池系統和車載儲氫這三大技術上,日本和美國的專利加起來,已佔了超過50%全球市場。今年東京奧運期間,奧運村更成為氫能社會示範區,日本的最終目標是在2030年實現氫能商業化,並在未來繼續成為氫能領導者。

韓國氫能車銷售勝日本

韓國的氫能發展同樣不甘後人,早於2013年,現代汽車就推出第一輛名為NEXO的氫能車,累計銷量達12,717部,略超豐田的MIRAI。2020年全球氫能車銷售量約9,000輛,其中近七成是來自現代汽車,市佔率較2019年成長約24%,銷售量較2019年增長35.3%。現代汽車以氫能卡車打入歐洲市場,同時發展氫無人機、氫船、火車等取代化石燃料交通工具的方案,今年更宣布在中國廣州設立首家海外氫燃料電池工廠。

2019年韓國政府發布「氫能經濟發展路線圖」,計劃到2040年氫燃料電池汽車累計產量增至620萬輛,氫燃料電池汽車加氫站增至1,200個。2040年韓國計劃把燃料電池產量擴大至15GW,是2020年韓國發電總量的7至8%水平。路線圖還明確到2040年氫燃料家用汽車達275萬輛;家用發電600MW;氫燃料出租車8萬輛;氫燃料巴士4萬輛;氫燃料卡車3萬輛;年減少大氣污染2,373噸;溫室氣體減少2,728萬噸等一系列發展目標。

韓國政府已為氫能企業及其境外氫能項目提供稅收減免等全方位支持,目標是到2030年培育30間國際領先氫能企業。為培養氫能領域優秀人才,計劃在本科和研究生教育開設氫能源課程,預計將創造5萬個工作崗位。氫燃料電池研發方面,更計劃將技術應用範圍由汽車,擴大到火車、船舶和城市空中交通,並進行氨燃料動力船舶和液化氫運輸船的商業化部署,打造氫能港口樞紐,為氫燃料的國際運輸打好基礎。

由於氫能不像開採石油般需要地理優勢,只需透過生物生產、水電解、高壓電解、高溫電解等方式就能能獲取,如能掌握生產、儲存氫能的技術,就能收集到存於大自然各處的氫,因此對於能源進口率高達95%的韓國來說,大力發展氫能將是降低能源對外依賴度的契機。

美國重返《巴黎協定》的後著

中歐過去數年相繼在新能源車領域發力,滲透率方面逐漸拋離美國。為重奪市場話語權,美國總統拜登上台後,就積極推出鼓勵新能源車產業的行政命令,當中明確零排放汽車的內涵,除電動車外,首次強調氫能車,這或意味著美國新能源產業政策結構重心,將向氫能發展傾斜。尤其宣布重返《巴黎協定》後,更促使美國重新定位氫能在能源結構和全球市場的地位,並在氣候目標下進行新部署。

2020年底,美國能源部在 2002年計劃的基礎上,發布了最新版《氫能計劃發展計劃》,提出未來10年及更長的時間的氫能研究、開發和示範的總體戰略框架,同時制訂美國到2030年發展氫能的技術經濟指標。今年6月,再啟動了第一個「氫能公關」(Hydrogen Shot)項目,降低可再生能源、核能的價格能源和熱能轉化生產清潔氫能80% 至1美元/公斤,以減低成本作為誘因,進一步推廣氫能應用普及化。

根據《美國氫能經濟路線圖》,到2025年,全美各種應用的氫總需求量將達到1,300萬噸,道路上行駛共計15萬輛輕、中、重型氫能車,同時還有12.5萬輛氫能車物料搬運工具。2030年,美國氫能經濟每年可產生約1,400億美元的收入,並在整個氫價值鏈中提供70萬個工作崗位。2030年底,全美各種應用的氫總需求量將突破1,700萬噸,售出的氫能車將達到120萬輛,在物料搬運中有30萬輛氫能車搬運工具,同時全美有4,300個加氫站投入運營。2050年,氫經濟將每年創造創造約7,500億美元的收入和累計340萬個就業機會,並且滿足美國終端能源需求的14%。

普及化應用的最大阻礙

雖然氫能是接近完美的清潔能源,並且深得各國近年大力推崇,但發展氫能經濟的最大關鍵在於如何減低生產成本,否則要普及開去仍然甚有難度。由於氫氣並能在大自然中直接找到,而是屬於「二次能源」,即需要先經過其他途徑才可提煉出來,以生產來源劃分的話,可分為「灰氫」(grey hydrogen)、「藍氫」(blue hydrogen)和「綠氫」(green hydrogen)三種。

「灰氫」是利用化石燃料石油、天然氣和煤產生氫氣,制氫成本較低但碳排放量較高,非常不環保;「藍氫」則在使用化石燃料制氫的同時,配合碳捕捉和碳封存技術,碳排放強度相對較低但收集成本較高;「綠氫」可再生能源進行對水電解制氫,雖然成本是三者中最高,但制氫過程完全沒有碳排放,所以發展「綠氫」才是讓氫能達至全產業鏈綠化的正確路向。但根據熱力學定律,在水電解過程中輸入的電能,必然多於氫氣可輸出的能量,所以被視為欠缺效率,成本太高,導致綠氫生產一直增長緩慢。根據歐洲委員會估計,現時綠氫氣的生產成本是化石燃料的三至六倍,大約每公斤2.5至5.5歐元,藍氫每公斤約2歐元,灰氫則約為1.5歐元。

不過,隨著太陽能研究的發展,科學家開始研究利用陽光進行電解水,只要把二氧化鈦一類催化劑放入水中,在陽光照射下,催化劑便能激發光化學反應,把水分解成氫和氧。他們預計只要當更有效的催化劑面世,到時人們只要在汽車、飛機等油箱中裝滿水,再加入光水解催化劑,加上陽光的配合,水便能不斷地分解出氫,成為發動機的能源。

也有科學家發現,有些微生物也能在陽光作用下製取氫,只要利用在光合作用下可以釋放氫的微生物,通過氫化酶誘發電子,把水裡的氫離子結合起來,就能產生出氫氣。例如日本已找到一種名為「紅鞭毛桿菌」的細菌,只要把它放在玻璃器皿內,以澱粉作原料培養,就可以產生出氫氣,據說這種細菌制氫的效能頗高,每消耗5毫升的澱粉營養液,就可產生出25毫升的氫氣。

挪威再生能源技術顧問公司電動車全球業務部主管Jeremy Parkes認為,現時氫能車的價格及其運行成本均高於傳統電動車,但隨著新技術出現而提升生產水平,成本就會下降。根據以往電動車電池的發展,每當產量增加一倍,成本便降低19%。英國汽車零件供應商GSF Car Parts電子商務經理Mark Barclay更指出,亞洲和歐洲多個汽車品牌已開始涉足氫能車市場,「當整個汽車業適應這種新技術時,相關成本便能下降,甚至相信氫能車在未來十年或對傳統電動車造成威脅,甚至取代傳統電動車。」

上海博氫新能源科技公司董事長沈建躍則表示,「氫燃料電池最大的問題不在制氫,而在儲、運、加環節。不解決這三個問題,氫燃料電池的產業化無從談起。」中國工程院院士彭蘇萍對氫能成本進行調研後發現,制氫成本可以控制在每公斤約10元人民幣,但儲、運和加氫環節就要30元人民幣,因此必須把中間這部分成本降下來。總的來說,上游的制氫技術、中游的儲氫技術,以及應用層面的燃料電池技術,都是氫經濟發展不可或缺的部分,而未來的技術革新將是突破瓶頸的關鍵。

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