时事分析 | 创新及科技发展 | 2020-08-11 | 《经济日报》

新能源革命:「氢能引擎」如何驶向未来?



全球暖化问题日益严峻,节能减碳已成为全球的重大课题。眼见新能源应用是未来的大趋势,多个国家与汽车制造商近年积极推动「氢能车」发展,部分大型能源企业更瞄准氢能商机,斥资兴建提取氢气的基建和设施,冀在新能源市场中分一杯羹。究竟氢能有何好处、长远是否有潜力取代传统能源?

「氢能车」是「氢燃料电池车」(fuel-cell electric vehicle,FCEV)的简称[1]。一般而言,氢能车内置燃料电池,透过氢气和氧气产生的化学作用制造电流,推动车辆行驶,而两种气体在化学过程中,产生的副产品只有氢和氧的复合物,即水份,对环境无害。在电池系统中,氧气来自空气,氢气则被妥善压缩及储存在车内的气缸,与燃油车相似,当存备的氢气耗尽,氢气可补充到气缸。[2]

《经济学人》今年中发表的分析文章指出,氢能车其中一项优势在于氢燃料电池的能量密度较传统锂电池高,即较小的电池便足以推动汽车行驶相同距离的路程,而氢燃料电池可产生的能量,一般较传统锂电池高两至五倍。文章续指,行驶距离较短的私家车,未必能够凸显氢能车的优势;但行走距离较长的交通工具,例如货车,使用氢能可减少停下补充燃料的次数,亦可降低兴建补充燃料的设施数目。[3]此外,氢能车补充燃料只需三至四分钟,较电动车的数小时快捷。[4]

氢能车数目远逊电动车 价格成关键因素

氢能车虽不乏优点,但根据国际能源署(International Energy Agency,IEA)的数字,在2018年,全球只约有1.12万辆氢能车在路上行驶,主要分布在美国和日本,远远少于为数约510万辆的电动车[5],可见氢能车仍未算普及。其中一个关键原因,是氢能车价格偏高,「起跳价」达约6万欧罗(约52.2万港元[6]),较传统电动车高出近两倍。[7]

挪威再生能源技术顾问公司电动车全球业务部主管Jeremy Parkes今年初接受传媒访问时表示,氢能车的价格及其运行成本均高于传统电动车,而新技术只能在生产水平有所提高时,成本才能下降。他举例,根据过往电动车电池的发展,每当产量增加一倍,成本便降低19%。在同一则报道 ,英国汽车零件供应商GSF Car Parts电子商务经理Mark Barclay亦指出,亚洲和欧洲多个汽车品牌已开始涉足氢能车市场,认为当整个汽车业适应这种新技术,相关成本便能下降,并相信氢能车在未来十年或对传统电动车造成威胁,甚至取代传统电动车,奉劝业界为此趋势做好准备。[8]

事实上,近年不少国家和企业已有部署,研究扩大氢能的应用范围。南韩于去年1月发表的「氢能经济路线图」(Hydrogen Economy Roadmap)中订下目标[9],于2040年把全国的氢能巴士数目增加至4.1万辆、生产620万辆氢能车、在全国增设至少1,200个氢燃料站,以及出产容量达15吉瓦的氢电池。[10]

在日本,自2011年发生福岛核灾后,该国已关闭所有核反应炉,同时因地少山多、人烟稠密,难以大规模发展再生能源发电,故有意大力发展氢能。其中于2018年开业、东急酒店旗下的川崎国王天际东急REI酒店,便以氢燃料电池能为房间提供电力和热水,成为全球首间部分由氢气供电的酒店。此外,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)亦与多间企业联手,成功单靠氢气发电,为某市区范围供应热力和电力,为全球首次。[11]

氢能并非「零排放」?

从各国及企业争相抢占氢能市场的情况可见,氢能的确具备发展潜力,但外界对此技术不无质疑。虽然氢能发电只会排出水份,不会破坏环境,但在提取氢气的过程中会释出二氧化碳[12],并非全然洁净的能源。

究其原因,氢气并非一次燃料(primary fuel)[13],既不能在大自然中找到,也不可在大自然找到的矿石中提取[14],而是需要透过蒸气重整(steam reforming)或水电解(electrolysis of water)等过程产生。[15]

其中蒸气重整是利用高温燃烧天然气或其他碳氢化合物,再加大气压及加入催化剂,继而产出氢气。[16]现时全球每年生产的7,000万吨氢气,几乎全数均透过蒸气重整获取,但此技术每生产1吨氢气,便会释放出7吨二氧化碳,被称之为「灰氢气」(grey hydrogen)。[17]

至于水电解的原理是利用电流,把水转换成气态氢和氧[18],而过程中所释出的二氧化碳量则取决于选用哪种能源发电。如果利用再生能源等发电,由于较环保,故又被称为「绿氢气」(green hydrogen)。不过,根据热力学的定律,在水电解过程中输入的电能,必然多于氢气可输出的能量,被视为欠缺效率,加上现时透过水电解生产的氢气,每公斤价格较蒸气重整生产的高出约一美元,因此有关技术未被广泛使用。[19]

面对上述难题,有企业选择第三条路。挪威能源企业Equinor早前宣布,计划在英国北部兴建全球最大型的氢气工厂,并会选用天然气作为原材料,生产的氢气会输送至化学工厂及发电厂,而过程中释出的二氧化碳,将经管道输送至岸边,埋在海床下,相信每年可减少90万吨二氧化碳排放。[20]业界对利用储存技术,把氢气制造过程中,排出的二氧化碳安全地埋藏,称之为「蓝氢气」(blue hydrogen)。[21]

新能源技术如雨后春笋 成氢能市场挑战

综合前文,可见从提取氢气,以至处理过程中释出的副产品,均需大量技术及设施,为普及带来挑战。同一时间,其他与新能源相关的技术也急速发展,形成竞争。例如为了解决太阳能、风力等再生能源产电后,只能短暂储电和储电电池安全风险的问题,Google旗下一间初创公司近年正研发「马尔他技术(Malta’s technology)」,把电能转换成「热能」及「冷能」两种储能形态,并计划构建一个兆瓦级的试验系统[22],继而把系统连接到电网。[23]

而更摆在眼前的是,煤炭、石油、天然气等传统能源[24],在2018年占全球总能源消耗的87%[25],其竞争优势依然明显。要不同产业和地方改变输出能源的方式,并转用高成本的氢能,并不容易。

再者,新冠疫情来袭,能源需求大为下降,国际油价因而暴跌[26],价格甚至低于开采页岩油的成本,导致相关企业无盈利可言,其中美国页岩油企业Whiting Petroleum已向法院提出破产保护。由于美国页岩油产业规模不小,约占全国生产总值增长近10%,并且在国家经济发展战略中占重要地位,所以页岩油企业倒闭,将对国家经济构成深远的影响。[27]假如某国家及企业「落重注」投资发展氢能,但将来能源需求如现时般锐减,届时氢能会否变成「页岩油翻版」,都是业界要考虑的问题。

港府鼓励转用电动车 无直接推动氢能市场

回到香港,政府于2017年初公布《香港气候行动蓝图2030+》,订下在2030年把香港每单位本地生产总值的碳排放量(碳强度)[28],由2005年水平降低65%至70%的目标。[29]在路面交通方面,当局于2018年初推出「一换一」计划,让拆毁及取消拥有符合条件的旧私家车登记后,再为一辆新电动私家车作首次登记的车主,可获较高的首次登记税宽减,上限为25万元,以鼓励私家车车主换车时选择电动车。[30]此外,今年初公布的《财政预算案》亦提及会预留8,000万元推行「电动公共小巴试验计划」,目标于2023年有40辆电动小巴在路面试行。[31]

虽然政府落实不少措施推动电动车,但一直被批评充电设施严重不足,有碍电动车普及。[32]另外,有见多个国家已相继调拨资源发展氢能车,前天文台台长林超英曾撰文表示,本港在氢能方面迟迟不见起步,恐怕搭不上绿色氢气时代的顺风车,更失掉参与亚洲氢气新经济建设的机会,进一步被剧变的时代淘汰。[33]

留意最新技术发展,固然重要,惟另一值得关注的是,近年外国多次传出氢气爆炸意外,其中去年更曾在一个月内发生三宗事故,包括韩国江陵市一个属于政府研究计划的储氢缸爆炸,导致多人死伤[34],不禁令人担心氢能车,以至氢能基建设施的安全。故此,当局即使要赶上氢能快车,仍必须把安全放在首位。

话说回来,氢能在未来能否普及,仍有待观察,但肯定的是不少国家、企业及投资者早已对氢能虎视眈眈。本港若想在相关领域参与其中,必须先了解能源市场的大趋势,审视如何投放资源在新能源研发及推动使用之上。

1 孔祥威,「【科技.未来】丰田再推氢能车 中日韩为何下注『未来能源』?」。取自香港01网站:https://www.hk01.com/周报/400870/,最后更新日期2019年12月6日。
2 “Another look in the toy box,” The Economist, July 4, 2020, p. 65.
3 同2,第66页。
4 Rachel Garham, “Hydrogen fuel cell vs electric cars: what you need to know but couldn't ask,” Euronews, February 14, 2020, https://www.euronews.com/living/2020/02/13/hydrogen-fuel-cell-vs-electric-cars-what-you-need-to-know-but-couldn-t-ask.
5 同2,第66页。
6 按2020年7月8日的汇率,即1欧元等于8.7港元计算。
7 同4。
8 同4。
9 “Korea Hydrogen Economy Roadmap 2040,” International Energy Agency, https://www.iea.org/policies/6566-korea-hydrogen-economy-roadmap-2040, last modified October 10, 2019.
10 「吉瓦」是指100万千瓦。资料来源:「技术词汇」。取自香港交易所披露易网站:https://www1.hkexnews.hk/listedco/listconews/sehk/2003/1103/00836/cwp106_c.pdf,查询日期2020年7月15日。
11 同1。
12 同2,第67页。
13 同2,第65至66页。
14 “Primary fuel,” Energy Education, https://energyeducation.ca/encyclopedia/Primary_fuel, last modified April 28, 2020.
15 同2,第66页。
16 “Hydrogen Production: Natural Gas Reforming,” Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming, accessed July 8, 2020.
17 同2,第67页。.
18 「水电解」。取自百科知识:https://www.easyatm.com.tw/wiki/水电解,查询日期2020年7月8日。
19 同2,第66至67页。.
20 Anmar Frangoul , “Energy major announces plans to produce hydrogen from ‘largest plant of its kind’,” CNBC, July 2, 2020, https://www.cnbc.com/2020/07/02/energy-major-to-produce-hydrogen-from-largest-plant-of-its-kind.html.
21 “Another look in the toy box,” The Economist, July 4, 2020, p. 67; Anmar Frangoul , “Energy major announces plans to produce hydrogen from ‘largest plant of its kind’,” CNBC, July 2, 2020, https://www.cnbc.com/2020/07/02/energy-major-to-produce-hydrogen-from-largest-plant-of-its-kind.html.
22 「兆瓦」是指100万瓦,发电厂的装机容量通常以兆瓦表示。资料来源:「技术词汇」。取自香港交易所披露易网站:https://www1.hkexnews.hk/listedco/listconews/sehk/2003/1103/00836/cwp106_c.pdf,查询日期2020年7月15日。
23 “Storing renewable energy in molten salt,” X.company, https://x.company/projects/malta/, accessed July 9, 2020;许光吟,「如何『储存』再生能源呢?Google用盐巴证明」。取自巨亨新闻网站:https://news.cnyes.com/news/id/3881667,最后更新日期2017年8月1日。
24 「能源及分类」。取自中电网站:https://www.ls-energy.hk/chi/energy-type.html,查询日期2020年7月9日。
25 Hannah Ritchie and Max Roser, “Energy,” Our World in Data, https://ourworldindata.org/energy, accessed July 9, 2020.
26 洪怡霖,「国际油价『插水』有原因 为何跌到负值不等于入油『有钱收』?」。取自香港01网站:https://www.hk01.com/即时国际/466122/,最后更新日期2020年4月27日。
27 罗保熙,「【油价暴跌】风光十年 美国页岩油势成『丧尸产业』?」。取自香港01网站:https://www.hk01.com/世界说/463701/,最后更新日期2020年4月22日。
28 「公众参与过程」。取自可持续发展委员会网站:https://www.susdev.org.hk/tc/paper-ch1.php,最后更新日期2020年2月11日。
29 「政府公布《香港气候行动蓝图2030+》(附图)」。取自政府新闻公报:https://www.info.gov.hk/gia/general/201701/20/P2017012000724.htm?fontSize=1,最后更新日期2017年1月20日。
30 「立法会七题:推广使用电动车」。取自政府新闻公报:https://www.info.gov.hk/gia/general/201911/20/P2019112000580.htm,最后更新日期2019年11月20日。
31 陈晶琦,「政府拟拨8000万推电动小巴 业界试行新充电设施:准备就绪等拍板」。取自香港01网站:https://www.hk01.com/社会新闻/459604/,最后更新日期2020年4月13日。
32 「立法会十六题:电动车充电设施」。取自政府新闻公报:https://www.info.gov.hk/gia/general/201912/04/P2019120400351.htm,最后更新日期2019年12月4日。
33 林超英,「减碳氢气经济新时代—香港必须奋力追上」。取自立场新闻网站:https://www.thestandnews.com/nature/减碳氢气经济新时代-香港必须奋力追上/,最后更新日期2020年6月20日。
34 孔祥威,「【科技.未来】普及进度不似预期 氢能车时代还有多远?」。取自香港01网站:https://www.hk01.com/周报/400950/科技-未来-普及进度不似预期-氢能车时代还有多远,最后更新日期2019年12月6日;Daisy Chuang,「全球一个月内3起氢爆炸意外,氢能安全性备受关注」。取自科技新报网站:https://technews.tw/2019/06/20/hydrogen-explosion/,最后更新日期2019年6月20日。