張泉湧觀點：全球暖化轉機─歐盟計畫用氫能取代核電，我國將推展氫谷

前言、綠氫是全球潔淨能源，研發驅動力主要來自2050淨零排放

氫之化學符號為H，原子序數為1，原子量為1.00794，是地球大氣中最簡單、最豐富而普遍的化學元素，能量密度大、且燃燒後的產物為水，不會產生二氧化碳，能源轉換效率比化石燃料高，因而被視為終極或全球潔淨能源(Global Clean Energy)。2021年聯合國氣候變遷大會(COP26)達成「格拉斯哥氣候協定」，並以逐步減少煤炭的產量為主要目標，2050淨零排放（net-zero emission）浪潮席捲全球，綠氫(green hydrogen)潔淨能源，成為各國積極追求目標。從取之不盡的水資源中分解氫，透過能量轉換提供電力並生成水，如此周而復始，可提供人類永續的資源循環，為了達到淨零目標，全球苦尋替代傳統石化燃料的潔淨能源，惟目前取自大自然的再生能源雖扮演部分要角，但發展都有其環境限制，仍需再找到更為低碳的燃料以達成零碳世界目標，因此氫能及時倍受國際重視。

早在1970年，美國德州農工大學教授博克里斯，在通用汽車技術中心的一場演講中，即已提出氫經濟（Hydrogen Economy）一詞，設想未來以氫氣取代石油，成為全球經濟的主要能源。西門子能源2011年推出首項氫能產品(Silyzer 100)電解槽，11年來電解效能大幅提升，成本也縮減到20％以下，氫能電池開始有了新的技術進展。

近年美國、歐盟、日本和中國都爭先恐後地發展氫經濟，尤其隨著covid-19疫後及循環經濟概念，使先進國家更確定朝向綠色新政方向，甚至希望以氫能取代核能。歐盟在2020年7月公佈氫能戰略，目標以建立氫能為核心的能源系統，並在10年內用氫能設施取代30座核電站。經營氫能業務超過30年，西門子能源砸下3,000億歐元，在柏林打造全新超級工廠，預計2023年秋天開幕，屆時生產線上的機器人，將從1台提升到4台，工時也從1班增至3班，以高度自動化流程，24小時不停工，將是德國工業4.0實力的實現。

壹、氫氣種類與電解水製氫技術，AEM發電將成主力

氫氣依來源不同，可分為灰氫、褐氫、綠氫及藍氫等4類：1. 由化石燃料如天然氣經蒸汽重組產生的氫氣，稱為灰氫(gray hydrogen)；2. 煤氣化、熱裂解、水解等方法獲得的氫氣稱之為褐氫(brown hydrogen)；3. 利用再生能源或核能進行電解水製得氫氣，碳排最低因此被稱為綠氫(green hydrogen)，又稱P2G (Power to Gas)，轉換效率40～70%；4. 若將蒸汽重組過程中的碳排，經由碳捕捉及封存或再利用，避免二氧化碳排放到大氣中，則稱為藍氫(blue hydrogen)。現今全球氫氣生產大部分為灰氫，隨著技術提升與成本下降，預計在2040年綠氫將可能成為主力。 （相關報導： 這項新能源的競爭，正在改變全球能源市場版圖！ ｜ 更多文章 ）

目前常溫電解水製氫技術主要有3種：1. 簡易且已有百年歷史的鹼性電解槽（Alkaline，ASLK）；2. 複雜且需要大量貴金屬銥和鈦才能生產的質子交換膜電解槽（proton exchange membrane，PEM）；3. 陰離子交換膜電解槽（Anion exchange membrane，AEM）， 它的特色是結合鹼性電解槽、質子交換膜電解槽的低成本、便利性優勢，不需大量使用貴金屬材料、可模組化堆疊，適合大規模生產。AEM電解槽結構與PEM電解槽類似，主要結構由陰離子交換膜和兩個過渡金屬催化電極組成，一般採用純水或低濃度鹼性溶液用作電解質。

貳、用AEM綠色氫氣製氫技術，可望扭轉全球暖化危機

目前氫氣電解市場主要為ASK及PEM兩種產氫模式，2022年3月2日德國清潔科技公司Enapter成功創造AEM技術，研發獲得標準太陽能模組化、快速普及和降低成本的商品，進而成功推動綠色氫市場，用綠色氫氣在德國建置生產，同時可組裝與堆疊的AEM Electrolyser EL4.0綠色氫氣產生器，其應用範圍可以從小至一個家庭，大至一個工業園區。創辦人Sebastian在業界擁有「氫氣能源傳教士」的封號，2021年10月獲得由威廉王子頒發的改善氣候獎(The Earthshot Price，TEP)。

近年來已開發國家推動「潔淨能源」逐漸看見成效，美國2022年再生能源的發電量首次超越煤炭，而歐盟也預估2030年再生能源可達整體的40％以上，但就全球平均來說，再生能源產生的電力僅占20％，仍有80％的電力靠高汙染的燃料，全球仍面臨再生能源短缺之嚴峻課題。

AEM電解槽可將再生能源電力和水轉化為低成本的綠氫，電解水製氫技術的發展，是低碳清潔氫氣供給的轉類點；陰離子交換膜電解水，因其獨特的低成本及高效率優勢，已被認為極具發展前景的製氫技術。歐洲、中國、加拿大及韓國等國家和地區，均持續積極推動AEM製氫技術的研發。Enapter被譽為最先進的氫氣能源研發團隊，其開發的AEM電解槽是可堆疊型模組，易於安裝和標準化。2021年10月獲威廉王子頒發的改善氣候獎(The Earthshot Price，TEP)；麥肯錫顧問公司估計，2021年全球有超過30個國家公布綠氫發展藍圖，公共投資金額超過700億美元，綠氫被認為可以用來幫助重工業及大型運輸工具等最難減碳的行業。AEM電解技術型態類似計算機系統領域的微處理器開發，擴展性強，生產成本也可隨著系統成長數量而降低，是緩解全球暖化危機重要方法之一。 （相關報導： 這項新能源的競爭，正在改變全球能源市場版圖！ ｜ 更多文章 ）

参、國際能源署公布2050淨零排放路徑，氫能需占整體能源使用13%

聯合國政府間氣候變遷專門委員會在2021年8月9日發布的第6次評估報告指出，若現在不立即採取行動，最糟在2027年全球升溫就會達到1.5°C，溫室氣體排放減量已刻不容緩，並表示全球必須在2050實現淨零排放，才能免於氣候災難，淨零排放也因此成為2021年格拉斯哥舉辦的第26屆聯合國氣候變遷大會上各國的共識，全球已逾130個國家宣示至2050年達成國家的淨零排放，而氫能已被世界公認為能源轉型的重要關鍵，它類似天然氣但不含碳的能源。2022年國際能源署(International Energy Agency，IEA)公布的「全球能源部門2050淨零排放路徑」中指出，若想達到2050淨零排放，氫能需占整體能源使用13%，未來全球氫氣供應每年將超過5.3億噸； 為了加速臺灣邁向氫能時代，國發會2022年8月提出「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」，氫能也將占電力供給的9～12%。從整體能源使用角度來看，氫能不僅是臺灣達到2050淨零排放，也是全球的關鍵角色。

肆、我國發展綠氫能發電情況與未來台灣氫谷

中山大學教授陳軍互團隊，2021年創造最新一代的複雜氧化物催化劑技術，透過電解方式，將西子灣的海水轉化成氫能，這項技術高活性低成本，轉換成綠氫發電模式，且免於儲電的煩惱，目前已逐漸使用在許多民生科技上，如生醫、綠能科技、半導體產業、石化與民生工業等，該獨創綠氫催化技術2021年獲國際華沙發明展(IWIS)，金牌及銀牌獎等5個橫跨歐美的國際獎項。

氫作為一種新能源，擁有許多優點，如氫是宇宙中含量最豐富的元素、燃燒後的剩餘物以水蒸氣的形式排入大氣，然後形成清潔雨水重新降落地面、氫能也是一種能量密集型能源，灌滿油箱氫燃料後，就可駕車600多公里、氫更可用於發電廠發電，發電成本與將碳排放稅考慮在內的化石燃料相競爭。未來氫能主要用途有3：1. 發電、2. 工業應用和3. 交通載具；我國在發電上，可分為定置型和分散型發電2種模式，前者即火力發電廠，後者最具代表性的如燃料電池發電。在工業應用上，產業界因不同製程，使用氫氣已行之有年，如煉油業、石化業及鋼鐵業等，都是氫氣需求量很大的產業。

2022年6月27日工研院發表台灣2050氫應用發展藍圖，將推動發電、工業及運輸等低碳化，並研議在北、中及南部設立氫應用特色園區，打造亞太地區的氫能發展基地，形成有特色的台灣氫谷。如北部可發展氫能發電園區，利用現有發電廠，改作氫氣發電系統，提供北部的綠電。中部已有很多離岸風電，適合做為綠氫生產基地，並供中部工業園區使用。南部氫能園區則以提供重工業為主，藉由永安天然氣接收站，並增建氫氣接收站，即可提供給鋼鐵業使用。

目前我國氫氣用量約30～40萬噸，工研院預估2050年台灣的氫氨需求總量約750萬噸，其中氫氣約435萬噸，總減碳量約可達到3,700萬公噸。氫氣來源高達約75％要靠進口，25％則由自產之藍氫及綠氫，估計其中約70％為綠氫，30％為藍氫。雖然氫氣進口成本不低，但到了2050年使用化石燃料需付碳費，未來可能的氫氣供應大國澳洲，提出出口目標為每公斤1.4～1.5美元，雖比目前天然氣貴一點，但考量碳排和碳費，氫能和化石燃料在經濟成本就會拉近，且具有替代能源的優勢。2023年3月27日Enapter公司創辦人Sebastian來台發表 「AEM Electrolyser綠色氫氣解決方案」，可望為我國綠能巿場帶來新局。綠色氫氣將成為可持續的替代品，世界各國都在尋找如何不耗費大額投資，即可生產氫能的解方。為大量減少化石燃料的使用，Enapter已在德國建立園區，更成功的在泰國清邁創建蝴蝶館(Phi Suea House)，透過太陽能發電產生的氫氣能源基地。Enapter也與我國台南沙崙實驗場簽下20台AEM設備。 （相關報導： 這項新能源的競爭，正在改變全球能源市場版圖！ ｜ 更多文章 ）

＊作者歷任飛航總臺主任氣象員、民航局組長及多所大學兼任副教授，著有《張泉湧觀點》及《圖解全球暖化之危機與轉機》、《全球氣候變遷─危機與轉機》、《圖解大氣科學》等書。