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71 新能源探討GAS 氫氣經濟時代瓦斯業未來之商機 上 IGU 第 7 工作委員會於 2003 年大會提出之研究報告 大台北瓦斯能源開發部 湯慰祖摘譯 2001 年起 全世界各地逐漸認知氫氣將是未來一個主要能源帶媒 carrier 美國 尤其是歐洲 已特別認知到氫氣對於一個清潔和安全的能 源供應來說 是一個長期解決方案 而日本在新的氫氣應用技術上則是一個 領導者 如果氫氣在未來成為必要 特別如果是氫氣成為一種車輛燃料 則 天然氣應該會提供龐大氫氣需求量的最大部份 然而在氫氣成為一個重要能 源帶媒而對瓦斯銷售產生衝擊之前 還需要很多年的時間 這份報告建議瓦 斯業考慮目前在瓦斯銷售以外已建立出來的機會 若不利用這些機會 可能 會將瓦斯業未來之角色侷限在僅僅是一個原料供應者 而這將不可能是價值 鏈中最有報酬的位置 執行總結 在 IGU International Gas Union 世界瓦斯聯盟 2001 2003 的工作計劃中 認知到商機將會因早期的氫氣經濟行動而產生 但也承認在一個完全成熟的氫氣 經濟來到而使氫氣在電力之外成為另一個主要能源帶媒 carrier 之前 將需要幾 十年的時間 在這份報告中 將一些瓦斯業的商機依可能出現的時間順序列出 建議瓦斯 業考慮目前在瓦斯銷售以外已建立的這些機會 這份報告並不是替氫氣作辯護 它的目的是希望顯示出一個革命已經開始了 即使這個題目仍然有爭議 但萌芽中的氫氣經濟不能被忽略 如果能提供充分 資訊給瓦斯業 使其對涉入程度做出正確決定 就符合這份報告的目的了 72 新能源探討GAS 研究群認定出下列因萌芽中的氫氣經濟而建立的瓦斯業之商機 2003 2050 1 現地 on site 小規模自天然氣抽取氫氣 2003 2050 2 HCNG Hythane 氫氣 天然氣 巴士之加氣站 2003 2050 3 在天然氣中添加數個百分比之氫氣 短期機會 2003 開始4 自再生能源產製氫氣 2010 開始5 氫氣配氣網路 2010 開始 6 以氫氣作燃料之 CHP Combined Heat and Power 熱 電聯產 中期機會 2010 開始7 氫氣燃料電池車之加氣站 2020 開始8 純氫氣之輸送 2050 2150 9 大型具 CO2分離程序 sequestration 之 SMR Steam Methane Reforming 蒸汽甲烷重組 2050 開始10 大規模氫氣儲存 地下儲存 2030 開始11 氫氣器具 長期機會 2020 開始12 用氫氣發電 短期機會 1 現地小規模自天然氣抽取氫氣 燃料電池 CHP 和氫氣車輛的市場遠景 已鼓勵了許多產業競逐者發展小規模 現地重組器 可用接近大型生產氫氣的價格 在現地很快地供應氫氣 經由與小 規模重組器製造商的協議 瓦斯公司能有途徑進入氫氣市場 然後將 CNG 壓縮 天然氣 加氣站轉換成 CNG 氫氣加氣站 2 HCNG Hythane 氫氣 天然氣 巴士之加氣站 在傳統熱機 thermal engines 巴士上使用天然氣 氫氣混合之 HCNG 可以在 往氫氣經濟的方向上構成一個平順的移轉 這立即就可實施 而燃料電池車可能 73 新能源探討GAS 還要 15 至 20 年之久才能商業化 3 在天然氣中添加數個百分比之氫氣 以些許自再生能源產製之氫氣或自天然氣中獲得並分離 CO2之氫氣加入天然 氣中 可使得每能源單位的燃燒氣體所排放出的 CO2降低 至於加入多少氫氣才不 會造成瓦斯鏈任何一環發生困難 尚留待決定 4 自再生能源產製氫氣 所有國家都決定增加再生能源的比例 氫氣將會是這些能源的一個帶媒 具 有大量機會的新興產業正在建立中 中期機會 1 氫氣配氣網路 在這個燃料電池的早期發展階段 技術和經濟最適宜的系統輪廓尚未形成 舉例來說 可以想像數個氫氣燃料電池構成的一個小型網路 由單一的重組器 reformer 產製氫氣 氫氣配氣網路這時就需要了 而它的建造和維修就是一個商 機 2 以氫氣作燃料之 CHP Combined Heat and Power 熱電聯產 氫氣配氣基礎建設將容許以氫氣在燃料電池或微渦輪機 microturbines 中作 為燃料的 CHP 之發展 3 氫氣燃料電池車之加氣站 在商業服務中 巴士可能是第一種氫氣燃料電池車 瓦斯公司將有機會轉換 CNG 加氣站成為 CNG 氫氣加氣站 而在巨大的車輛燃料市場中成為最重要的競逐 者 長期機會 1 純氫氣之輸送 來自遠方再生能源和來自大型具 CO2分離程序之天然氣重組器的氫氣 將必須 74 新能源探討GAS 被長距離運輸至欲配氣之處 2 大型具 CO2分離程序之 SMR Steam Methane Reforming 蒸汽甲烷重組 石化燃料 包括天然氣 終究將必須被要求除碳 而這在大型 SMR 廠施作 將更具經濟性 3 大規模氫氣儲存 地下儲存 氫氣之地下儲存已被實證為可行 4 氫氣器具 氫氣之廣泛應用將使得氫氣器具出現 特別是觸媒燃燒裝置 5 用氫氣發電 氫氣是燃燒渦輪機的一種好燃料 本 文 本 文 從 2001 年起 全世界都已逐漸認知到氫氣將會是未來的一個主要能源帶媒 美國和歐洲均已認為氫氣對於清潔 安全的能源來說 是一個長期解決方案 然而 縱然氫氣作為一個能源帶媒的觀念 已經被包含在未來能源規劃前景 scenarios 中 但涉入之產業將採取行動的時機和途徑並未設定 將依據未來政 府的政策以及法規 技術的發展和產業的遠見而定 未來完全成熟的氫氣經濟尚 有數十年之久 對於瓦斯公司來說 適當時機的認知確是一項挑戰 燃料電池確實是轉換氫氣至諸如電力和熱的有用能源形式的最好裝置 氫氣 經濟不能沒有燃料電池而存在 而燃料電池卻能在目前石化燃料經濟中發展 1 在氫氣產業中瓦斯業目前之角色 1 1 今日之氫氣產業 氫氣是一個商品 被各種產業 諸如石油精煉和石化產業 所大量生產和使用 它有刻意生產 on purpose hydrogen 和以各種製程的副產品形式來回收的兩種 生產情形 追蹤生產和使用的數量並不容易 像石油精煉產業在現地生產和消費 75 新能源探討GAS 大量的氫氣 正確的生產數字不易決定 整個氫氣生產中僅一小部分 4 被商業 工業氣體公司當做一種工業氣體來 交易給各種小型使用者 氫氣目前是一種重要的化學商品 它的主要巿場是在阿摩尼亞生產 45 煉 油 25 和甲醇生產 15 其他氫氣需求來自 oxo 合成 7 工業氣體巿 場 4 和火箭工業 目前火箭工業提供了一個使用純氫氣作燃料的唯一例子 天然氣和氫氣有緊密的連結關係 因為刻意生產的氫氣的最大部分 80 是 由天然氣生產 對於作為原料的天然氣而言 氫氣即為其最大的輸出 1 2 在氫氣產業中瓦斯業目前之角色 煤氣公司是世界上最大的氫氣生產者 因為煤氣含有近 60 之氫氣 既然現在 煤氣已為天然氣所取代 瓦斯公司除了作為天然氣重組 reform 的一個供應者外 不再與氫氣有關 但日本例外 日本的瓦斯公司仍維持 syngas CO H2 和氫氣的 生產活動和利益 這主要是因為日本的瓦斯公司也涉入自天然氣生產化學物質的 產業 而這需要生產 syngas 作為一個初步程序 除了日本之外 天然氣產業在氫 氣產業當中並未扮演任何角色 2 能源產業中氫氣之未來 長期來看 氫氣在已開發和開發中國家的廣泛能源政策當中扮演了一個獨一 無二的角色 這是藉由增加系統效率和乾淨能源選擇 減少能源供應中斷 增加 國內能源選擇 建立新巿場機會和加強國內產業的經濟競爭性而造成 如同電力一般 氫氣能由所有主要能源來生產 特別是石化燃料 再生能源 和核能 氫氣能夠成為一個有效的能源儲存媒介 特別是做為分散式發電之用 因為改良的能源轉換技術 諸如燃料電池和 CO2分離程序 使氫氣能讓石化資源繼 續被有效使用 而不會產生有害物質的排放 目前 資本投資已開始投入在氫氣能源相關的運輸和發電上面 作為一個能 76 新能源探討GAS 源帶媒和儲存媒介 氫氣和所有能源領域相關 包括運輸 建築物 公用事業和 工業 對於間歇式的再生能源技術 如太陽能和風力 氫氣是一個儲存選擇 它 能轉換 基載 base load 技術 諸如核能 地熱 生物能和水力成為 負荷跟 蹤 load following 系統 在加州 特別是洛杉磯盆地 乾淨車輛的需求正在驅動零排放車輛的發展 它替燃料電池巴士 貨車和汽車的成長提供了誘因 有幾個巴士公司目前正在整 合氫氣和燃料電池技術到他們的車隊 有幾個主要汽車製造廠也正在發展燃料電 池車 以回應來自於持續關心溫室氣體和其他有害排放物的巿場需求 如同運輸一般 可提供可靠 高品質 高效率電力的分散式發電之需求正驅 動燃料電池的發展 燃料電池可提供電力予電力網和現地客戶 這些分散式電力 系統可利用廢熱以供空間加熱或熱水生產以達到更高之效率 在氣候改變和國家安全的議題方面 全世界已漸趨一致 共同期盼氫氣能在 運輸和固定式應用方面滿足逐漸增加且相當可觀的能源需求 2 1 全球實況 2002 年世界能源消費將達 1970 年之 3 倍 這代表全球社會追求持續成長的經 濟幸福 而京都氣候改變議定書 Kyoto Climate Change Protocol Agreement 中也說 明了全球追求環境幸福的需求 未來能源前景 scenarios 的藍圖描繪是必要的工具 可讓國際團體和政府的 政策成形 以達到諸如永續發展和能源自己自足的特定發展目標 好些個國際組 織提出了未來的能源前景 這些前景幾乎沒有提到氫氣經濟潛在的發生和衝擊 這並不是全然忽視氫氣經濟的益處 而是基於公平合理的假設 氫氣經濟在 2050 年前不可能席捲世界 亦即氫氣基礎設施完全就位 然而 也不是暗示這之前就 不會有商機出現 而是商機會隨著這幾十年必要的氫氣基礎設施的建立而一一呈 現 77 新能源探討GAS 今日 大約 90 世界初級能源的使用來自於石化燃料 其餘則來自核能和再 生能源 主要為水力發電 燃燒石化燃料會排放出有害人體的氣體在局部環境中 NOx CO UHC 未燃燒之碳氫顆粒 和在全球環境中 CO2 氫氣當作燃料使用會大幅減少局部大氣污染 NOx CO UHC 顆粒 在燃燒 過程中只有 NOx 須加以控制 而這很容易藉由適當的燃燒器來達成 以純氫氣運 轉的燃料電池不會排放出污染物 只有從頭至尾不會排放出 CO2的氫氣循環才能有 助於減少溫室氣體排放 車輛是一個明顯的機會 以零排放燃料循環之燃料作為目標 其他機會還包 括遠方和攜帶電力 住宅用及固定式用發電之燃料電池 近期在很多諸如燃料電 池的氫氣技術中 都要求成本和尺寸的縮減 這將會持續許多年 從內燃機轉變 至燃料電池 電力引擎將會花費數十年之久 氫氣當作一個能源帶媒來使用 將使得大規模引進再生永續能源以用於固定 式能源生產和運輸系統變得較為容易 諸如水力 太陽能 風力 地熱等 在再生能源廣泛應用前的很長一段過渡時間 氫氣將由如石化燃料等其他能 源中取得 氫氣自石化燃料 特別是天然氣中生產並分離 CO2的方式可證明是很有 吸引力的 因為可在限制石化燃料對環境衝擊的同時 仍讓其繼續使用 石化燃 料的廣泛應用和以石化燃料為本之氫氣生產技術 將使氫氣在再生能源時代來臨 前的過渡時期 能以可接受的價位來生產 氫氣在達成能源安全目標上面的重大貢獻有 藉著在區域和國家的基礎上增加能源選擇機會 可減少能源供應中斷 藉使用當地能源以滿足當地能源需求 可增加國內能源選擇 增加系統效率和乾淨能源選擇 以符合區域電力供應和空氣品質需求 在成長中的全球能源技術市場 建立新的市場機會和加強國內產業的經濟 競爭性 78 新能源探討GAS 對於近期和長期氫氣能源技術研發的支持 對於達到真正能源安全是相當重 要的 全世界近年來在氫氣技術的公共和私人投資已有相當大的成長 但在 2002 年大部份重要計劃都是由美國 特別是歐洲所宣佈 並投入更多的基金 從一億 兩千萬歐元增加到接下來三年架構研發計劃的二十一億歐元 與石油燃料不同的是 氫氣的意外溢灑和漏氣將不會污染水或傷害生態系統 因為氫氣在大氣中消散很快並且沒有毒性 2 2 區域實況 歐洲 歐盟在 2002 年通過京都協議 它約束 15 個會員國要達到整個歐盟平均減量溫 室氣體 8 2002 年秋季 歐洲議會主席 Romano Prodi 宣佈要大量增加氫氣的研發 他說科學計劃對於歐洲的重要性就好像 1960 年代太空計劃對美國的重要性一般 氫能將使歐洲從一個愈來愈依賴進口石油和天然氣的潛在危險狀況中解放出來 政府的財政支持和立法能把技術推向實際應用 在氫氣方面使歐洲居於全球領 導地位 促發一波科學成就 歐盟想要進入氫氣能源時代的新希望 是歐洲瓦斯業會強烈考慮涉入氫氣產 業的原因之一 另一個理由是在歐洲有很多公司都是瓦斯業的潛在競爭者 這些 公司已在各種計劃中開始著手與氫氣相關的工作 它們並不看短期的任何商業利 益 而是著眼於長期的商機 如果瓦斯業涉入太遲 則未來最有利益的那一部份 商機將會拱手讓人 歐洲天然氣車輛協會 ENGVA 在 2001 年年會時 決定將氫氣當作是一種車 輛燃料 增加到其傳統範圍的利益和活動當中 這個決定是對氫氣在歐洲道路運 輸可能扮演一個主要角色的認知 而且對於具有天然氣車輛經驗的瓦斯公司來說 可能是一個絕好的機會 在傳統的熱機中使用氫氣和天然氣的混合氣 可能是一 座在漫長過渡時期通往燃料電池時代的橋樑 79 新能源探討GAS 在歐洲 氫能被期待能使用在兩個領域中 第一個是運輸 第二個是再生能 源 期待氫氣的儲存會有利於間歇性再生能源的電力生產 2001 年 10 月 歐洲議會發出一個提案 要在 2020 年引進 20 佔有率的他種 道路運輸燃料 這份文件對於其他幾種燃料做了一個簡單分析 結論是只有生物 燃料 氫氣和天然氣是可行的解決方案 預計氫氣在 2015 年可達 2 2020 年可 達 5 如果所有這些氫氣將由容量為 1000Nm 3 h 的現地天然氣重組器所提供 則 2015 年需要 3500 座氫氣產生器 2020 年則需要 10 000 座氫氣產生器 日本日本 在日本 氫氣經濟的第一個驅動源是減少溫室氣體排放量 日本有一個著名 的由政府所支持的氫氣發展計劃 WE NET World Engergy Network 它是在一個 更廣泛的新陽光計劃 New Sunshine Project 下運作 該計劃在為期 28 年的計劃期 內 分配了一百一十億美元的基金 其中大約二十億是要用在 WE NET 計劃 由 新能源和工業技術發展組織 NEDO 管理 WE NET 將由三階段來推動 第 一階段在 1999 年結束 任務是研究 主要分析氫氣的生產 儲存和使用 第二階 段從 1999 年至 2005 年 將在日本建造設備以實驗生產 儲存和使用氫氣的技術 第三階段從 2006 年至 2020 年 要將技術實際應用 日本政府有一個減少溫室氣體排放量的策略 在 2010 年要減少 6 以達到 1990 年的水準 氫氣就被提名扮演一個達到碳量縮減的角色 在日本 每年氫氣總消費量達一億六千二百萬 Nm 3 主要是藉蒸汽甲烷重組 SMR 從天然氣中生產 小規模氫氣生產設備的發展自 1980 年開始加速 因為很 多氫氣使用者在尋求委外生產氫氣時 較喜歡現地氫氣生產系統 以