【新興領域/2022.5焦點】氫能知多少

Image from Pixabay

一、全球氫能產業趨勢發展

根據IEA Global Hydrogen Review 2021指出，2019年時只有3個國家制定氫能發展策略，至今已經增加到17個國家，且超過20個國家公開宣布制定相關氫能計畫。此外，全球電力產氫所需的電解槽在過去5年內翻倍成長，估計2030年可增加到800萬噸的供應量，雖然仍不及IEA碳排路徑的8,000萬噸目標，但迅速的成長趨勢，也間接看出相關企業在氫能發展上的努力。

截至2020年，全球290 MW的電解槽容量中，歐洲（40%）位居領先地位，其次是加拿大（9%），第三為中國（8%）。依常見電解槽技術分布而言，鹼性電解法（Alkaline）以61%為首要，其次為質子交換膜電解法（Polymer electrolyte membrane，PEM）占31%，其餘占比則為未指定技術及固態氧化物型電解法（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC），由於鹼性電解槽發展起步早、具備純熟的商業技術，使得長期受到工業重用，不過，可以看到近年來使用PEM的電解槽系統因所需體積小，使其有加速成長幅度的趨勢。

圖1 2021-2020全球新設電解槽裝置容量

隨著全球電解槽裝置的擴大，平均裝置產能有增加的趨勢，預計到2030年，全球電解槽裝機容量，加計正在建設中及規劃中項目可達到54 GW，就區域分布而言，歐洲電解槽裝置容量以22 GW最多，澳洲以21 GW的裝置容量緊追在後，第三則為拉丁美洲，裝置容量為5 GW。此外，IEA也透露，電解槽成本未來將隨著規模經濟和學習效應而降低。

圖2 2021-2030建設中及規劃中電解槽裝置容量

二、常見產氫類型

究竟綠氫是什麼？電解槽發展技術逐漸吸引企業投入生產？由於氫氣難以在自然界中找到，需透過工業製程方式產生，因此針對不同製氫方法，其物料來源、碳排放及製氫成本大有不同。因此，隨著製氫過程的不同，經常以顏色來區分氫氣類型，大致分為灰氫、藍氫、綠氫。

表1  常見產氫類型

其中灰氫是經由水蒸氣重組（steam reforming）方式獲得，透過水蒸氣與碳氫化合物在高溫觸媒環境下，反應產生出氫氣，常見物料來源為甲烷（天然氣）。由於產製技術相對成熟，使得成本也相較便宜，最低價格約每公斤0.9美元，不過在生產的過程中，會排放大量二氧化碳，約每公斤氫氣會產生12公斤二氧化碳，在淨零碳排的目標下，較不受到市場趨勢的接納。

藍氫是指在蒸氣重組或氣化過程中產生的碳排，經由碳捕獲、利用與儲存技術避免碳直接排放到大氣中。雖然此生產方法可以減少碳排放量，但是碳捕獲、利用與儲存技術的成熟度、政策法規尚未完備、捕獲成本高等因素，使得該方法目前尚未普及化。而價格介於每公斤約1.5至2.9美元。

綠氫，又稱為P2G（Power to Gas）使用太陽能或風力發電等再生能源，或是核能電解水生產氫氣，轉換效率約在40%~70%，此技術之所以會成為未來發展趨勢，在於產氫的過程幾乎沒有碳排放。不過，在發展上仍受到許多挑戰，像是轉換率不高、電解槽裝製成本昂貴，也因此其耗費成本是其他技術的3~8倍。

其他生產氫氣方式，還有藍綠氫，是直接使用熱裂解技術將天然氣中的氫分離，而褐氫，則是將煤炭氣化而獲得，這些方法在製氫上仍會產生碳排，因此，目前鮮少被企業採用。

根據統計，2020年全球9,000萬噸的氫氣，有79%來自於石油、天然氣、煤，其餘21%來自於工業餘氫，此外，水電解產氫僅占3萬噸氫氣中的0.03%，由此可見，幾乎零碳排的綠氫市占率依舊非常的渺小。

三、電解水製氫技術及其發展

此外，電解水製氫不可或缺的角色即是電解槽，常見方法包含鹼性電解法（Alkaline electrolysis，AE)、質子交換膜電解法（Polymer electrolyte membrane，PEM）及固態氧化物型電解法（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC），以下針對這些常見方法比較其有劣勢。

圖3 電解水製氫技術

其中AE（TRL 10-11）自1920年代即大規模被工業應用，使用電催化的傳統方法，使用鹼性溶液或鹼性固態OH^-傳導薄膜作為電解液，透過外加電壓的方式，使水分解產生氫氣和氧氣，目前此技術發展成熟，因此成本相對較低，經常做為大型電解產氫系統使用。PEM（TRL 8）使用固態的酸性聚合膜做為電解質，陽極的水經由電解形成氫離子與氧氣，並釋放電子，而氫離子經由質子交換膜輸送至另一端的陰極，與外部迴路游離的電子結合產生氫氣，此技術因具高電流密度的特性及高電解效率，在國際市場上已有示範場域，此外，質子交換膜燃料電池產業鏈也具備自主研發及生產的優勢。SOEC（TRL 6）使用陶瓷材料作為電解質，利用水以蒸氣形式從電解槽注入，在陰極形成氫離子與氧離子，氫離子接受迴路導入回傳電子而產生氫氣；另外，氧離子經由陶瓷電解質移轉至陽極產生氧氣，並釋放電子，由於SOCE必須在高溫環境下操作，且成本較為昂貴，是目前材料使用上需克服的問題，不過，該技術擁有最佳電解能效，在未來電解技術上是具有相當高的發展潛力。

四、全球氫能早期投資概況

因此，若要發展氫能，以達到淨零碳排，未來資金的支持也至關重要，IEA預估2030年全球需在氫能領域投資1.2兆美元，到2050年，則需投入到10兆美元。此外，到2050年，終端技術的投資展全球累計的60%，尤以交通運輸產業發展會越來越快速。

在早期投資部份，近幾年來氫能產業的投資無論在投資件數與金額皆有大幅度的成長，就2020年至2021年來看，件數與金額成長幅度皆將近3倍，就區域分布而言，北美及亞洲交易件數增加，而歐盟略顯減少，就投資階段而言，2021年以早期階段投資規模成長相當快速，2022年是否資金將大舉移至較成熟的後期階段，仍有待觀察。2021年重要氫能獲投企業包含FTXT Energy Technology（1.25億歐元）、EnerVenue（1.1億歐元）、Universal hydrogen（5,300萬歐元）、Lhyfe（5,000萬歐元）的貢獻，此資金規模相較全球氫能所需投資金額仍相距甚遠。

圖4 2017-2022Q1投資氫能概況

進一步觀察，2022Q1早期投資前10大投資案件中，以2010年成立的德國產製電解槽公司Sunfire獲得1.95億歐元D輪投資最高，投資方包含Copenhagen Infrastructure Partners、Carbon Direct、Blue Capital。Sunfire電解槽產氫技術主要以鹼性電解法、SOEC為主，該公司的鹼性電解槽系統壽命可運行長達9萬小時，在30 bar壓力下，可生產2,230 Nm³/h氫氣，能耗為4.7 kWh/Nm³。由於大多氫氣供應商需要高壓氫氣，因此電檢槽可以減少加壓的成本，SOEC電解槽系統可生產750 Nm³/h氫氣，能耗為3.6 kWh/Nm³。此外，Sunfire也有投入燃料電池的解決方案。

獲投金額次高的為獲得A1輪1.5億歐元投資的中國的國家電力投資集團公司，該成公司成立於2015年，目前為中國5大發電集團之一，主要業務包含火力發電、水力發電、核能發電、太陽能發電、風力發電等，涵蓋範圍包含電力分配、電能及配套設備的銷售、與電力相關的媒開採及相關交通運輸、進出口業務等，核心技術為氫燃料電池、製儲技術、航空、交通、船用等氫能動力系統單元、氫安全、檢測檢驗與實驗驗證平台，其中製儲技術則著重於高溫熱裂解製氫、質子交換磨製氫。

第三股權投資案為美國8 Rivers，獲得8,900萬歐元投資，於2008年成立，主要業務為協助企業達到淨零的目標，目前產品包含NET Power、 CARBON8、8RH2、TarT、Calcite（DAC）、 CODOX（clean ethylene），其中8RH2透過看碳捕獲的方式產生氫氣，藉此作為發電廠燃料使用。

圖5 2017-2022Q1股權投資前10大投資案件

觀察喜愛投資氫能的公司，以Shell Ventures投資件數最多，主要投資焦點在氫能的移動性、儲存跟生產，Air Liquide、Hyundai、Plug Power、濰柴動力等公司並列件數第二，投資焦點除了氫能的移動性、生產、儲存之外，加油站也是備受屬目的項目。由此得知，投資人為了能在氫能產業分散投資風險，會透過多元投資的方式，找尋適合的標的，如既投資氫能的儲存公司，也投資氫能生產公司。

圖6 2017-2022Q1熱門氫能投資公司

五、結語

近年來，制定氫能發展策略的國家數大幅增加，不外乎台灣也將氫能的使用納入2050碳排路徑規劃，更透過訂定氫能管理專法制定相關規範，可見得氫能發展的重要性。此外，由於氫能應用範圍相當廣泛，如研發氫燃料電池應用於電動車市場，作為重型貨車、航空飛機及船舶貨船等交通運輸燃料，或鋼鐵、石化等工業製程原料，以及可以透過儲存的方式進行運送，其中以交通運輸發展最為快速。雖然氫能未來應用市場擁廣闊，但氫氣卻必須透過工業製程的方式才能獲得，在考量碳排放的影響之下，幾乎零碳排的綠氫將成為主流，而透過近年投資趨勢，也可以發現，獲得較大規模投資的公司，主要業務是以生產綠氫及電解槽最受投資人喜愛，也呼應綠氫的重要性。有鑑於此，越來越來的企業開始加入電解槽技術研發的行列，就地區而言，以歐洲市場位居領先地位；技術部分，仍以技術成熟的鹼性電解槽占據優勢，而PEM電解槽緊追在後。朝著全球減碳目標的同時，產製氫氣相關的新創逐漸浮出水面，不過，氫能在儲存、運輸、能耗仍有多重挑戰需要克服。

參考資料

1. 太原麗子（2018），“電解產氫技術 簡介及日本發展現況研析”，https://reurl.cc/Kbe24g。
2. 陳婕莉（2020），“電解氫技術發展概況分析”，台灣經濟研究院。
3. 吳恆毅（2022），“2050全球淨零轉型「氫」熱潮”， 台灣經濟研究院月刊。
4. 石蕙菱（2021），“全球氫氣生產方式的發展與趨勢”，經濟部技術處，https://reurl.cc/LmW2na。
5. 石蕙菱（2021），“邁向淨零碳排 氫能扮關鍵 !”，i創科技，https://reurl.cc/OAM637。
6. __（2021），“氫的顏色 - 綠氫、藍氫、灰氫、褐氫怎麼區分?”，能源教育資源中心，https://reurl.cc/XjG2Zj。
7. Oscar Kraan and Julia van Haren（2022），“Venture capital is betting on hydrogen to be the surprise of the decade”，Deloitte，https://reurl.cc/x9v334。
8. __（2021），“Global Hydrogen Review2021”，IEA，https://reurl.cc/q5VpNq。
9. __（2022），“Renewables Everywhere”，Sunfire，https://reurl.cc/QLRMRo。
10. __（2022），“国家电投SPIC”，國家電力投資集團有限公司，https://reurl.cc/WrxnN5。