【零碳排放新經濟系列】歐洲倚靠綠色氫氣走向零碳目標! (09/11/2020 STANDNEWS立場新聞)
倚靠綠色氫氣走向 2050 零碳排於目標,最近兩三年間迅速成為世界主流。
今年 7 月 8 日歐盟在以「氣候中和」為目標的框架下,通過了標誌性文件《氫氣策略》(註 1),在歐盟內大力推動「乾淨氫氣」的生產及應用,一則取代化石燃料,二則用作運輸和儲存能量的媒介,是歐盟 2050 年達到零碳排放的重要支柱。值得注意的是歐盟今年 5 月發表了回應新冠肺炎影響的復元計劃(註 2),新增投資將注入綠色復元 “green recovery” 概念,包含發展可再生能源和乾淨氫氣,過程中將創造新產業和就業機會,因此《氫氣策略》不是經濟負擔而是經濟動力。
基本概念
「氣候中和」指人類不再為大氣層增添溫室氣體(主要是二氧化碳),「乾淨氫氣」指由可再生能源生產的氫氣,生產過程不牽涉溫室氣體排放,也稱為「綠色氫氣」,此外氫氣燃燒後變成水,不製造二氧化碳,所以是「零碳燃料」。
達到「氣候中和」要求停止燃燒化石燃料(煤、石油、天然氣),關鍵一環是以可再生能源如風力和陽光發電,用在日常生活、工業生產和運輸之中,不過風力或太陽能發電不是天天穩定,產電太多時需要想辦法儲存,產電不足時把儲存的能量釋放變回電,《氫氣策略》視綠色氫氣為儲存和釋放能量的媒介,即是風力或太陽能發電多時製造氫氣,不足時燃燒發電,解決可再生能源不穩定的基本問題。
由於歐洲內部以至世界各地,都有地方(如日本、香港)無法以本地可再生能源發電满足社會需求,必須從有能力出口可再生能源的地方輸入,最放便是用電纜傳電,如果實在太遠怎麼辦?以前講過澳洲和日本的例子(註 3),在風力和陽光多的地方製造氫氣,運去能源缺乏的地方燃燒發電,綠色氫氣成為「儲存和運輸能量的媒介」就是這個意思。
某些工業程序或長途運輸難以電氣化,始終需要實物燃料,歐盟《氫氣策略》確認了綠色氫氣為停燒化石燃料後的替代燃料。
策略路線圖
《氫氣策略》明確宣示:「歐盟的優先選擇是發展主要由風力和太陽能製造的可再生氫氣」 “The priority for the EU is to develop renewable hydrogen, produced using mainly wind and solar energy.”
第一階段 2020-2024:策略目標是安裝最少 6 GW 可再生能源水解製氫裝備,每年生產一百萬噸綠色氫氣,把產生二氧化碳的氫氣生產機器退役,促進使用氫氣的新產業,包括工業和重型運輸。
第二階段 2025-2030:策略目標是達到最少 40 GW 可再生能源水解製氫裝備,每年生產一千萬噸綠色氫氣,預期綠色氫氣價格逐漸有競爭力,氫氣將成為整體能源系統的組成部份,支援以可再生能源為基礎的電力系統,政府政策將促進更廣泛使用,如製鋼、貨車、鐵路及海運等,個別地區可建成以綠色氫氣為主流能源的示範區,以及開始規劃境內長途運輸。
第三階段 2030-2050:預計綠色氫氣技術成熟並大規模應用,包括難以用其他方法減碳的行業。
為了讓策略得到執行,歐盟同時規劃了配套的投資計劃,項目包括大型水解製氫廠及相連的風力及太陽能發電場、運輸、分配和儲存設施、氫氣加氣站等,又採取措施促成各國合作建立氫氣供應鏈,這方面跟日本和澳洲合作預計 2030 年建成商業化國際液態氫供應鏈(註 3)異曲同工,5 月宣布的歐洲復元計劃增加了額外撥款推進乾淨氫氣發展。
在擴充綠色氫氣應用方面,歐盟預見首先把現時使用氫氣的工業轉用綠色氫氣,立即產生減碳作用,其次是公共交通、鐵路、重型汽車、內陸水道交通,後三者預料將採用氫氣燃料電池技術,有關交通運輸的具體策略歐盟將於今年年底公布。
展望
過去不少人認為綠色氫氣價錢太貴,沒有前途,其實由 2005 至今,綠色氫氣成本已經跌了一半,如今歐盟公布了《氫氣策略》,產生規模效應,預料到 2025 將再跌三成,行內人士更指出,歐盟與中國之間的技術競爭,將令綠色氫氣價格更快速下降(註 4),最新評估報告指:2040 綠色氫氣價格將比現在下降64%,在德國同樣跌幅甚至可提早到 2030 出現,達到有競爭力的價格水平(註 5)。
2050 達到零碳排放是把人類從氣候危機解救出來的希望,經過多年醞釀和深思熟慮,世界各國一致選擇綠色氫氣為停燒化石燃料後的替代品,歐盟《氫氣策略》一出,確定了大規模量產和連帶價格下降的趨勢,有了這個新的世界大局,加上鄰近地區的中、日、韓、新加坡都起動了走向氫氣經濟,香港政府必須立即下定決心,訂定綠色氫氣經濟策略,走向 2050 零碳排放目摽,否則我們將被時代邊緣化,失去國際大都會的地位。
註 1:European Commission, 8 July 2020: A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe.
https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen_strategy.pdf
註 2:European Commission, 27 May 2020: Europe’s moment: Repair and Prepare for the Next Generation.
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/HTML/?uri=CELEX:52020DC0456&from=EN
註 3:《草雲居》,2020 年 7 月 20 日:零碳排放新經濟系列:氫氣燃料時代來臨
https://tiandiyouqing.blogspot.com/2020/07/blog-post_20.html
註 4:energypost.eu, 31 August 2020: Who will be the Hydrogen superpower? The EU or China.
https://energypost.eu/who-will-be-the-hydrogen-superpower-the-eu-or-china/
註 5:Wood Mackenzie, 25 August 2020: Green hydrogen costs to fall by up to 64% by 2040.
https://www.woodmac.com/press-releases/green-hydrogen-costs-to-fall-by-up-to-64-by-2040
完整內容請見:
https://www.thestandnews.com/nature/零碳排放新經濟系列-歐洲倚靠綠色氫氣走向零碳目標
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氫氣應用 在 說說能源 Talk That Energy Facebook 的最佳解答
【專文簡介製氫背後的種種】
#認識氫氣碳足跡 #德國氫能大躍進
前文( https://reurl.cc/8GVdqo )提到,氫氣和電力得從初級能源轉化、不會憑空誕生。那氫氣又是如何製造呢?
▋主流製氫法
全世界超過95%產量的氫氣源自天然氣和天然氣處理廠,亦即利用水蒸汽-甲烷重組反應(steam methane reforming process, SMR )和水氣轉化反應(Water-gas shift reaction, WGSR)量產氫氣。處理廠包括以下四個主要系統:除硫、重組、高溫轉化、變壓吸附,個別功能簡介如下:
1⃣除硫: 透過觸媒去除天然氣中的硫化物。進入重組系統前,一部份天然氣會和來自變壓吸附系統的不純物一起燃燒以產生反應所需的熱能。
2⃣重組: 除硫後的天然氣和高溫蒸氣混合、透過鎳基觸媒(和水蒸汽-甲烷重組反應)生成氫氣。反應完的熱氣在離開重組器後會稍作冷卻,與此同時會產生蒸氣。
3⃣高溫轉化: 添加額外的高溫蒸氣,和熱氣進行水氣轉化反應,將一氧化碳轉化成二氧化碳以達到完全反應。
4⃣變壓吸附: 透過加壓方式純化氫氣,不純物會被吸附留在系統內。當不純物濃度飽和時,系統壓力會降低以移除不純物,後者回送到除硫系統成為燃料以提供熱能。
環環相扣的系統設計是為了最大化天然氣利用率和熱循環效率。理論上,系統能整合碳捕捉技術,相關方法仍處於學術研究階段。
▋氫氣的碳足跡
水蒸汽-甲烷重組反應和水氣轉化反應的反應式如下:
水蒸汽-甲烷重組反應:CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
水氣轉化反應:CO + H2O ⇌ CO2 + H2
兩式相加可得:CH4 + 2 H2O ⇌ CO2 + 4H2
換言之,每製造四單位的氫氣會伴隨著一單位的二氧化碳,這就是氫氣的 #原生碳足跡。若以純甲烷製造的100萬標準立方英尺(standard cubic feet (SCF))氫氣當作一單位,則原生副產物是0.25單位的二氧化碳,合12.98公噸。
而Praxair公司對各 #系統碳足跡 計算得出的理論最小值如下:
重組器和重組反應所需能量:3.7公噸
製造高溫蒸氣所需能量:2.5公噸
變壓吸附時的分離、純化和壓縮製程:0.1公噸
四者合計19.3公噸,但基於熱損耗和效率問題,實際數字約略是21.9公噸,此為總碳足跡。換算後可得以下結論: #製造一公斤氫氣同時會製造9公斤二氧化碳。
然而,這尚未計算壓縮、運輸、燃料電池製造的碳足跡;亦即送到製造商或終端使用者手上時,總碳足跡還會增加。源自化石燃料、製程又依賴化石燃料產生的電和熱,這就是天然氣製氫的原罪,也是氫氣的骯髒小祕密。
▋碳足跡表示法
為了能在同一基準上比較,網路上有各種當量表示法,以下列出兩個。
1⃣每度電的二氧化碳當量
另一方面,標準狀態下的氫氧反應:H2 + 1/2 O2 ⇌ H2O ΔH0=-286kJ/mol
換算下來一公斤氫氣能產生143百萬焦耳,合39.7 kWh。
但這只是理論值,考量能源損失和科技極限,目前所能利用的數字約略是33.33 kWh,換言之,1公斤氫氣 = 9.28公斤二氧化碳 = 33.33 kWh. 可推得 1 kWh = 278克二氧化碳 (單位: gram CO2eg/kWh)
這也是理論值換算。若透過燃料電池轉換為電力,還得加上製造燃料電池的碳足跡。過去研究也曾預估氫氣生電的碳足跡會介於燃氣和燃煤之間。
2⃣每百萬焦耳的二氧化碳當量
若依百萬焦耳的二氧化碳當量(gram CO2eq/MJ)來看,33.33 kWh = 119.988 MJ. 可推得 1MJ = 77.34 克二氧化碳
依據當量高低,我們可以替氫氣上色:
FCH JU機構認為:
🔲若小於91克,但高於36.4克,那麼有無再生能源參與製造都將被歸類為灰色氫氣。天然氣製氫歸類於此。
🟦若小於36.4克,非再生能源參與製造的部分為藍色氫氣
🟩而再生能源參與製造的部分為綠色氫氣。若製氫能量100%來自於再生能源且二氧化碳當量小於36.4克,就能算是100%純綠氫。
–
▋德國的大躍進
德國聯邦政府在上週(6/10)敲定其國家氫能戰略,目標是在2030年時有5GW綠色氫氣(以下簡稱綠氫)產能(折合14TWh的氫氣產量)*、2040年達10GW。政府預計在一項1300億歐元的經濟刺激方案當中撥款70億歐元於新產業和相關研究。這是德國首次針對氫氣產量訂下具體目標,以期此次大躍進(quantum leap)讓德國在氫能科技領域成為世界領導者。舉國從政府當局到公民團體都樂觀其成。德國也預告輪值歐盟理事會主席後的首要任務之一是創造橫跨歐洲的氫氣基礎設施。(聽起來真的很大躍進)
要達到5GW綠氫產能約需20TWh的再生能源電力。氫能戰略伴隨一系列措施以替再生能源提供更良好的環境、並提供更誘人的條件以吸引離岸風電建設,預計離岸風電農場的電力能應付綠氫製造的大部分需求。
除打點相關基礎建設,德國政府也提供金融補貼牛肉給大型貨物運輸、鋼鐵業、化工業和航空業以誘使業者投資相關製程;針對鋼鐵和化工業業者訂定碳差價合約(Carbon Contracts for Difference(CfD)),並檢驗航空業的能源消耗在2030年前是否能達到20%再生能源的使用目標。
然而,該製造多少綠氫仍相當爭議。德國目前有99%氫氣產量來自化石燃料(即灰色氫氣,以下簡稱灰氫),且政府部門間的冗長協商突顯了淘汰化石燃料的困難。煉油和天然氣業者則認為在能源轉型的初期階段,灰氫不該缺席。德國綠黨名譽主席Oliver Krischer則表示將氫氣應用於汽車產業(諸如充氫站)單純在浪費公帑。
部分人士也提及,德國2030年將安裝最高5GW綠氫電解槽,這一計劃將拉動電解槽工業實現快速發展,與當前的安裝量相比,10年間這一規模將增長200倍。到2040年,德國電解槽部署規模有望達到10GW,若“歐洲2x40GW綠氫計劃”順利實施,則德國2040年電解槽規模將佔歐洲部署總量的25%。但德國境內的再生能源發電能力有限,氫氣產能不足。即便考慮2040年新增10GW電解槽,綠氫產能也僅28TWh,仍低於2030年新增氫氣需求。戰略明確提出要加強國際合作,在之前針對氫能推出的90億歐元投資計劃中,其中20億歐元將在摩洛哥等合作夥伴國家建立大型的製氫廠。
E3G氣候智庫的研究者,Felix Heilmann,表示:「德國的氫能戰略向世人宣示這個世界最大的天然氣消費國正準備替"不用天然氣"的未來做準備",畢竟歐盟策略中2050得達成零碳排,使用氫氣替代供暖或交通燃料都是必需之路。
▋結論
根據2017年的國家發展委員會報告,高雄地區的石化、重工、鋼鐵業總年產量合計12萬公噸。如此產量也勉強供三大產業使用,目前沒有剩餘氫氣發展氫經濟。
這邊小編以核一兩部機組機稍微計算了一下:
核一兩部機組(裝置容量604 MW x2 ),容量因子85%,則一年可發出 (604 x 2 x 0.85) x (365x24) = 8,994,768 MWh. 全數用於電解水可得 8,994,768/55 = 163,541.2 公噸氫氣。
這是三大產業總產量的1.36倍。也就是說,核一延役的話就有充足的餘裕發展氫經濟了呢。結合氫燃料電池,也能同步改善交通空氣汙染ㄟ。
話說回來,可以預期將來賣氫氣的利潤會比賣電更高。還非得是低碳足跡的氫氣不可。碳足跡過高的氫氣不僅直接淘汰,也連帶地使使用這類氫氣製造的產品喪失競爭力。這對不產天然氣的我國而言,如何取得大量、便宜、穩定的低碳能源以降低製氫成本,確保產品和服務有國際競爭力,將會是執政者的挑戰。
至於德國,祝他們幸福,短時間內來看,投資1MW的製氫廠與管線就耗費30億台幣,若要擴展到5GW(5000倍),真的所費不貲
▋參考資料與計算(見留言處)
https://reurl.cc/O1odyr
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各節重點:
01:10 太陽能發電的污染在哪裡?
01:50 製造太陽能電池會有什麼污染?
02:34 處理這些污染物很難嗎?
03:22 太陽能板是巨型垃圾?
04:15 回收成本要怎麼解決?
05:22 漁電共生會不會有污染風險?
06:05 漁電疑慮1:洗太陽能板會污染到魚塭的水嗎?
06:52 漁電疑慮2:太陽能板擋不住颱風?
07:49 漁電疑慮3:架設太陽能板會影響產值?
08:43 關於漁電共生的補充說明
09:14 我們的觀點
10:41 提問
11:00 掰比
【 製作團隊 】
|企劃:歡歡、宇軒
|腳本:歡歡
|剪輯後製:絲繡
|剪輯助理:范范
|演出:志祺
——
🔺註解
→ 02:30 註1:
例如華盛頓郵報就在 2008 年報導,有中國工廠把四氯化矽直接倒在廠外的土地上,使得那裡的土壤慢慢變得雪白一片、沒辦法再種植作物;附近的居民也表示,空氣中因為含有這些化學物質,所以他們一出門,就會覺得眼睛刺痛、頭昏、呼吸困難。
→ 03:10 註2:
例如光宇材料的技術,可對太陽能及半導體產業每月產生的 6000 多噸廢砂漿進行分離、清洗、改值等工序,重新產出矽粉、氫氣、碳化矽、二氧化矽,重新應用於鋰電池負極材料,及機能衣物等產品,如去年世大運紀念服。
→ 03:17 註3:但薄膜型太陽能電池也會有自己的重金屬污染問題
→ 04:01 註4:一般矽晶體太陽能板組成比例是: 65%~75% 玻璃、10%~15% 鋁框、10% 塑膠和 3%~5% 的矽晶。
→ 04:09 註5:這個成本有包含回收玻璃以外的其他部分
→ 08:09 註6:
當然,按照漁電共生的法規,產量只要有七成就符合標準,但嚴格來說,漁民還是損失了另外三成,這也是大家會有顧慮的地方。
→ 09:36 註7:2015年天下爆出台積電的合作工廠違法傾倒的內幕:
https://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5065621
——
【 本集參考資料 】
🌞 一次可以看很多太陽能資訊ㄉ網站們:
→ 陽光伏特家:http://bit.ly/2pe4IR1
→ 太陽能五四三:http://bit.ly/314Mi2h
→ 公視|我們的島:太陽光電系列專題:http://bit.ly/2oAEdFw
/
→ 維基百科|太陽能電池:http://bit.ly/2IMsSZY
→ 科技新報|太陽能真的夠「綠」嗎?還是包裹著糖衣的毒藥:http://bit.ly/2Vy7YTu
→ TVBS|真綠能?太陽能板製程 產生4千噸廢料:http://bit.ly/317MBcR
→ 環境資訊中心|光電循環之路 桶裝廢液污染如何解:http://bit.ly/2q7CvvJ
→ 關鍵評論網|太陽能光電的回收「技術」很環保,卻可能造成2項汙染:http://bit.ly/2B49vXX
→ Energy Trend|廢太陽能板回收有解!台灣太陽能模組回收聯盟成立:http://bit.ly/2Mb1mqQ
→ 科技新報|廢太陽能板惹人嫌?創新回收模式將再創商機:http://bit.ly/2q7DdsT
→ 央廣|工研院研發太陽能板回收技術 獲環保署肯定:http://bit.ly/2oqEXgv
→ 科技新報|退休太陽能板何處去?歐洲首座專門回收廠坐落法國:http://bit.ly/35wsHMa
→ 自由時報|擁核公投控「太陽能板有毒」 太陽光電業者要提告:http://bit.ly/2B44RJt
→ 【能源報導月刊】太陽能板多久洗澡一次?:http://bit.ly/2oAFufM
→ 每日頭條|太陽能發電原理圖,看完秒懂:http://bit.ly/2Mb2lHy
→ 太陽能五四三|颱風對太陽光電系統的影響(1/2)-基礎與支架:http://bit.ly/35uPozY
→ 太陽能五四三|颱風對太陽光電系統的影響(2/2)-模組強度問題:http://bit.ly/33lJMGD
→ 太陽能電池產業製程及污染防治簡介:http://bit.ly/35sHiYG
→ 陽光伏特家|【誤會讓人受盡委屈- 太陽能真的夠「綠」嗎?】:http://bit.ly/319m92D
→ 公視|太陽能產業廢棄物 可回收高純度""""矽"""":http://bit.ly/2IHlAXc
→ 中時|樹立循環經濟體系新典範 成亞廢砂漿回收技術 獨步:http://bit.ly/2B7LCi5
【 延伸閱讀 】
→ 知識力|太陽能的原理、種類與優缺點:http://bit.ly/32bnpmT
→ 達智綠能科技|什麼是太陽能?:http://bit.ly/33tiNsv
→ 科技新報|德國打造熱裂解太陽能回收設備,有望年處理 5 萬片太陽能板:http://bit.ly/2oAGhgK
→ GreenMatch|The Opportunities of Solar Panel Recycling:http://bit.ly/2B3PyQS
→ 中央社|疑颱風釀災 日最大規模水上太陽能板失火:http://bit.ly/2McypuZ
→ SEMI Taiwan|半導體工業廢棄物處理創新技術與趨勢:http://bit.ly/31avfMp
→ 台積電|廢棄物管理:http://bit.ly/2VACuMi
→ 科技報橘|外媒讚「垃圾處理天才」,台灣廢棄物回收技術傲視全球好棒棒:http://bit.ly/2OIstLM
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