時事分析 | 創新及科技發展 | 2020-08-11 | 《經濟日報》

新能源革命:「氫能引擎」如何駛向未來?



全球暖化問題日益嚴峻,節能減碳已成為全球的重大課題。眼見新能源應用是未來的大趨勢,多個國家與汽車製造商近年積極推動「氫能車」發展,部分大型能源企業更瞄準氫能商機,斥資興建提取氫氣的基建和設施,冀在新能源市場中分一杯羹。究竟氫能有何好處、長遠是否有潛力取代傳統能源?

「氫能車」是「氫燃料電池車」(fuel-cell electric vehicle,FCEV)的簡稱[1]。一般而言,氫能車內置燃料電池,透過氫氣和氧氣產生的化學作用製造電流,推動車輛行駛,而兩種氣體在化學過程中,產生的副產品只有氫和氧的複合物,即水份,對環境無害。在電池系統中,氧氣來自空氣,氫氣則被妥善壓縮及儲存在車內的氣缸,與燃油車相似,當存備的氫氣耗盡,氫氣可補充到氣缸。[2]

《經濟學人》今年中發表的分析文章指出,氫能車其中一項優勢在於氫燃料電池的能量密度較傳統鋰電池高,即較小的電池便足以推動汽車行駛相同距離的路程,而氫燃料電池可產生的能量,一般較傳統鋰電池高兩至五倍。文章續指,行駛距離較短的私家車,未必能夠凸顯氫能車的優勢;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。[3]此外,氫能車補充燃料只需三至四分鐘,較電動車的數小時快捷。[4]

氫能車數目遠遜電動車 價格成關鍵因素

氫能車雖不乏優點,但根據國際能源署(International Energy Agency,IEA)的數字,在2018年,全球只約有1.12萬輛氫能車在路上行駛,主要分布在美國和日本,遠遠少於為數約510萬輛的電動車[5],可見氫能車仍未算普及。其中一個關鍵原因,是氫能車價格偏高,「起跳價」達約6萬歐羅(約52.2萬港元[6]),較傳統電動車高出近兩倍。[7]

挪威再生能源技術顧問公司電動車全球業務部主管Jeremy Parkes今年初接受傳媒訪問時表示,氫能車的價格及其運行成本均高於傳統電動車,而新技術只能在生產水平有所提高時,成本才能下降。他舉例,根據過往電動車電池的發展,每當產量增加一倍,成本便降低19%。在同一則報道 ,英國汽車零件供應商GSF Car Parts電子商務經理Mark Barclay亦指出,亞洲和歐洲多個汽車品牌已開始涉足氫能車市場,認為當整個汽車業適應這種新技術,相關成本便能下降,並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,奉勸業界為此趨勢做好準備。[8]

事實上,近年不少國家和企業已有部署,研究擴大氫能的應用範圍。南韓於去年1月發表的「氫能經濟路線圖」(Hydrogen Economy Roadmap)中訂下目標[9],於2040年把全國的氫能巴士數目增加至4.1萬輛、生產620萬輛氫能車、在全國增設至少1,200個氫燃料站,以及出產容量達15吉瓦的氫電池。[10]

在日本,自2011年發生福島核災後,該國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,故有意大力發展氫能。其中於2018年開業、東急酒店旗下的川崎國王天際東急REI酒店,便以氫燃料電池能為房間提供電力和熱水,成為全球首間部分由氫氣供電的酒店。此外,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)亦與多間企業聯手,成功單靠氫氣發電,為某市區範圍供應熱力和電力,為全球首次。[11]

氫能並非「零排放」?

從各國及企業爭相搶佔氫能市場的情況可見,氫能的確具備發展潛力,但外界對此技術不無質疑。雖然氫能發電只會排出水份,不會破壞環境,但在提取氫氣的過程中會釋出二氧化碳[12],並非全然潔淨的能源。

究其原因,氫氣並非一次燃料(primary fuel)[13],既不能在大自然中找到,也不可在大自然找到的礦石中提取[14],而是需要透過蒸氣重整(steam reforming)或水電解(electrolysis of water)等過程產生。[15]

其中蒸氣重整是利用高溫燃燒天然氣或其他碳氫化合物,再加大氣壓及加入催化劑,繼而產出氫氣。[16]現時全球每年生產的7,000萬噸氫氣,幾乎全數均透過蒸氣重整獲取,但此技術每生產1噸氫氣,便會釋放出7噸二氧化碳,被稱之為「灰氫氣」(grey hydrogen)。[17]

至於水電解的原理是利用電流,把水轉換成氣態氫和氧[18],而過程中所釋出的二氧化碳量則取決於選用哪種能源發電。如果利用再生能源等發電,由於較環保,故又被稱為「綠氫氣」(green hydrogen)。不過,根據熱力學的定律,在水電解過程中輸入的電能,必然多於氫氣可輸出的能量,被視為欠缺效率,加上現時透過水電解生產的氫氣,每公斤價格較蒸氣重整生產的高出約一美元,因此有關技術未被廣泛使用。[19]

面對上述難題,有企業選擇第三條路。挪威能源企業Equinor早前宣布,計劃在英國北部興建全球最大型的氫氣工廠,並會選用天然氣作為原材料,生產的氫氣會輸送至化學工廠及發電廠,而過程中釋出的二氧化碳,將經管道輸送至岸邊,埋在海床下,相信每年可減少90萬噸二氧化碳排放。[20]業界對利用儲存技術,把氫氣製造過程中,排出的二氧化碳安全地埋藏,稱之為「藍氫氣」(blue hydrogen)。[21]

新能源技術如雨後春筍 成氫能市場挑戰

綜合前文,可見從提取氫氣,以至處理過程中釋出的副產品,均需大量技術及設施,為普及帶來挑戰。同一時間,其他與新能源相關的技術也急速發展,形成競爭。例如為了解決太陽能、風力等再生能源產電後,只能短暫儲電和儲電電池安全風險的問題,Google旗下一間初創公司近年正研發「馬爾他技術(Malta’s technology)」,把電能轉換成「熱能」及「冷能」兩種儲能形態,並計劃構建一個兆瓦級的試驗系統[22],繼而把系統連接到電網。[23]

而更擺在眼前的是,煤炭、石油、天然氣等傳統能源[24],在2018年佔全球總能源消耗的87%[25],其競爭優勢依然明顯。要不同產業和地方改變輸出能源的方式,並轉用高成本的氫能,並不容易。

 

 

再者,新冠疫情來襲,能源需求大為下降,國際油價因而暴跌[26],價格甚至低於開採頁岩油的成本,導致相關企業無盈利可言,其中美國頁岩油企業Whiting Petroleum已向法院提出破產保護。由於美國頁岩油產業規模不小,約佔全國生產總值增長近10%,並且在國家經濟發展戰略中佔重要地位,所以頁岩油企業倒閉,將對國家經濟構成深遠的影響。[27]假如某國家及企業「落重注」投資發展氫能,但將來能源需求如現時般銳減,屆時氫能會否變成「頁岩油翻版」,都是業界要考慮的問題。

港府鼓勵轉用電動車 無直接推動氫能市場

回到香港,政府於2017年初公布《香港氣候行動藍圖2030+》,訂下在2030年把香港每單位本地生產總值的碳排放量(碳強度)[28],由2005年水平降低65%至70%的目標。[29]在路面交通方面,當局於2018年初推出「一換一」計劃,讓拆毀及取消擁有符合條件的舊私家車登記後,再為一輛新電動私家車作首次登記的車主,可獲較高的首次登記稅寬減,上限為25萬元,以鼓勵私家車車主換車時選擇電動車。[30]此外,今年初公布的《財政預算案》亦提及會預留8,000萬元推行「電動公共小巴試驗計劃」,目標於2023年有40輛電動小巴在路面試行。[31]

雖然政府落實不少措施推動電動車,但一直被批評充電設施嚴重不足,有礙電動車普及。[32]另外,有見多個國家已相繼調撥資源發展氫能車,前天文台台長林超英曾撰文表示,本港在氫能方面遲遲不見起步,恐怕搭不上綠色氫氣時代的順風車,更失掉參與亞洲氫氣新經濟建設的機會,進一步被劇變的時代淘汰。[33]

留意最新技術發展,固然重要,惟另一值得關注的是,近年外國多次傳出氫氣爆炸意外,其中去年更曾在一個月內發生三宗事故,包括韓國江陵市一個屬於政府研究計劃的儲氫缸爆炸,導致多人死傷[34],不禁令人擔心氫能車,以至氫能基建設施的安全。故此,當局即使要趕上氫能快車,仍必須把安全放在首位。

話說回來,氫能在未來能否普及,仍有待觀察,但肯定的是不少國家、企業及投資者早已對氫能虎視眈眈。本港若想在相關領域參與其中,必須先了解能源市場的大趨勢,審視如何投放資源在新能源研發及推動使用之上。

1 孔祥威,「【科技.未來】豐田再推氫能車 中日韓為何下注『未來能源』?」。取自香港01網站:https://www.hk01.com/周報/400870/,最後更新日期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頁。
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頁。
6 按2020年7月8日的匯率,即1歐元等於8.7港元計算。
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100萬千瓦。資料來源:「技術詞彙」。取自香港交易所披露易網站:https://www1.hkexnews.hk/listedco/listconews/sehk/2003/1103/00836/cwp106_c.pdf,查詢日期2020年7月15日。
11 同1。
12 同2,第67頁。
13 同2,第65至66頁。
14 “Primary fuel,” Energy Education, https://energyeducation.ca/encyclopedia/Primary_fuel, last modified April 28, 2020.
15 同2,第66頁。
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頁。.
18 「水電解」。取自百科知識:https://www.easyatm.com.tw/wiki/水電解,查詢日期2020年7月8日。
19 同2,第66至67頁。.
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100萬瓦,發電廠的裝機容量通常以兆瓦表示。資料來源:「技術詞彙」。取自香港交易所披露易網站:https://www1.hkexnews.hk/listedco/listconews/sehk/2003/1103/00836/cwp106_c.pdf,查詢日期2020年7月15日。
23 “Storing renewable energy in molten salt,” X.company, https://x.company/projects/malta/, accessed July 9, 2020;許光吟,「如何『儲存』再生能源呢?Google用鹽巴證明」。取自鉅亨新聞網站:https://news.cnyes.com/news/id/3881667,最後更新日期2017年8月1日。
24 「能源及分類」。取自中電網站:https://www.ls-energy.hk/chi/energy-type.html,查詢日期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,「國際油價『插水』有原因 為何跌到負值不等於入油『有錢收』?」。取自香港01網站:https://www.hk01.com/即時國際/466122/,最後更新日期2020年4月27日。
27 羅保熙,「【油價暴跌】風光十年 美國頁岩油勢成『喪屍產業』?」。取自香港01網站:https://www.hk01.com/世界說/463701/,最後更新日期2020年4月22日。
28 「公眾參與過程」。取自可持續發展委員會網站:https://www.susdev.org.hk/tc/paper-ch1.php,最後更新日期2020年2月11日。
29 「政府公布《香港氣候行動藍圖2030+》(附圖)」。取自政府新聞公報:https://www.info.gov.hk/gia/general/201701/20/P2017012000724.htm?fontSize=1,最後更新日期2017年1月20日。
30 「立法會七題:推廣使用電動車」。取自政府新聞公報:https://www.info.gov.hk/gia/general/201911/20/P2019112000580.htm,最後更新日期2019年11月20日。
31 陳晶琦,「政府擬撥8000萬推電動小巴 業界試行新充電設施:準備就緒等拍板」。取自香港01網站:https://www.hk01.com/社會新聞/459604/
32 「立法會十六題:電動車充電設施」。取自政府新聞公報:https://www.info.gov.hk/gia/general/201912/04/P2019120400351.htm,最後更新日期2019年12月4日。
33 林超英,「減碳氫氣經濟新時代—香港必須奮力追上」。取自立場新聞網站:https://www.thestandnews.com/nature/減碳氫氣經濟新時代-香港必須奮力追上/,最後更新日期2020年6月20日。
34 孔祥威,「【科技.未來】普及進度不似預期 氫能車時代還有多遠?」。取自香港01網站:https://www.hk01.com/周報/400950/科技-未來-普及進度不似預期-氫能車時代還有多遠,最後更新日期2019年12月6日;Daisy Chuang,「全球一個月內3起氫爆炸意外,氫能安全性備受關注」。取自科技新報網站:https://technews.tw/2019/06/20/hydrogen-explosion/,最後更新日期2019年6月20日。