【專文簡介製氫背後的種種】
#認識氫氣碳足跡 #德國氫能大躍進
前文( https://reurl.cc/8GVdqo )提到，氫氣和電力得從初級能源轉化、不會憑空誕生。那氫氣又是如何製造呢？
▋主流製氫法
全世界超過95%產量的氫氣源自天然氣和天然氣處理廠，亦即利用水蒸汽-甲烷重組反應(steam methane reforming process, SMR )和水氣轉化反應(Water-gas shift reaction, WGSR)量產氫氣。處理廠包括以下四個主要系統:除硫、重組、高溫轉化、變壓吸附，個別功能簡介如下：
1⃣除硫: 透過觸媒去除天然氣中的硫化物。進入重組系統前，一部份天然氣會和來自變壓吸附系統的不純物一起燃燒以產生反應所需的熱能。
2⃣重組: 除硫後的天然氣和高溫蒸氣混合、透過鎳基觸媒(和水蒸汽-甲烷重組反應)生成氫氣。反應完的熱氣在離開重組器後會稍作冷卻，與此同時會產生蒸氣。
3⃣高溫轉化: 添加額外的高溫蒸氣，和熱氣進行水氣轉化反應，將一氧化碳轉化成二氧化碳以達到完全反應。
4⃣變壓吸附: 透過加壓方式純化氫氣，不純物會被吸附留在系統內。當不純物濃度飽和時，系統壓力會降低以移除不純物，後者回送到除硫系統成為燃料以提供熱能。
環環相扣的系統設計是為了最大化天然氣利用率和熱循環效率。理論上，系統能整合碳捕捉技術，相關方法仍處於學術研究階段。
▋氫氣的碳足跡
水蒸汽-甲烷重組反應和水氣轉化反應的反應式如下：
水蒸汽-甲烷重組反應：CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2
水氣轉化反應：CO + H2O ⇌ CO2 + H2
兩式相加可得：CH4 + 2 H2O ⇌ CO2 + 4H2
換言之，每製造四單位的氫氣會伴隨著一單位的二氧化碳，這就是氫氣的 #原生碳足跡。若以純甲烷製造的100萬標準立方英尺(standard cubic feet (SCF))氫氣當作一單位，則原生副產物是0.25單位的二氧化碳，合12.98公噸。
而Praxair公司對各 #系統碳足跡 計算得出的理論最小值如下：
重組器和重組反應所需能量：3.7公噸
製造高溫蒸氣所需能量：2.5公噸
變壓吸附時的分離、純化和壓縮製程：0.1公噸
四者合計19.3公噸，但基於熱損耗和效率問題，實際數字約略是21.9公噸，此為總碳足跡。換算後可得以下結論： #製造一公斤氫氣同時會製造9公斤二氧化碳。
然而，這尚未計算壓縮、運輸、燃料電池製造的碳足跡；亦即送到製造商或終端使用者手上時，總碳足跡還會增加。源自化石燃料、製程又依賴化石燃料產生的電和熱，這就是天然氣製氫的原罪，也是氫氣的骯髒小祕密。
▋碳足跡表示法
為了能在同一基準上比較，網路上有各種當量表示法，以下列出兩個。
1⃣每度電的二氧化碳當量
另一方面，標準狀態下的氫氧反應：H2 + 1/2 O2 ⇌ H2O ΔH0＝-286kJ/mol
換算下來一公斤氫氣能產生143百萬焦耳，合39.7 kWh。
但這只是理論值，考量能源損失和科技極限，目前所能利用的數字約略是33.33 kWh，換言之，1公斤氫氣 = 9.28公斤二氧化碳 = 33.33 kWh. 可推得 1 kWh = 278克二氧化碳 (單位: gram CO2eg/kWh)
這也是理論值換算。若透過燃料電池轉換為電力，還得加上製造燃料電池的碳足跡。過去研究也曾預估氫氣生電的碳足跡會介於燃氣和燃煤之間。
2⃣每百萬焦耳的二氧化碳當量
若依百萬焦耳的二氧化碳當量(gram CO2eq/MJ)來看，33.33 kWh = 119.988 MJ. 可推得 1MJ = 77.34 克二氧化碳
依據當量高低，我們可以替氫氣上色：
FCH JU機構認為：
🔲若小於91克，但高於36.4克，那麼有無再生能源參與製造都將被歸類為灰色氫氣。天然氣製氫歸類於此。
🟦若小於36.4克，非再生能源參與製造的部分為藍色氫氣
🟩而再生能源參與製造的部分為綠色氫氣。若製氫能量100%來自於再生能源且二氧化碳當量小於36.4克，就能算是100%純綠氫。
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▋德國的大躍進
德國聯邦政府在上週(6/10)敲定其國家氫能戰略，目標是在2030年時有5GW綠色氫氣(以下簡稱綠氫)產能(折合14TWh的氫氣產量)*、2040年達10GW。政府預計在一項1300億歐元的經濟刺激方案當中撥款70億歐元於新產業和相關研究。這是德國首次針對氫氣產量訂下具體目標，以期此次大躍進(quantum leap)讓德國在氫能科技領域成為世界領導者。舉國從政府當局到公民團體都樂觀其成。德國也預告輪值歐盟理事會主席後的首要任務之一是創造橫跨歐洲的氫氣基礎設施。(聽起來真的很大躍進)
要達到5GW綠氫產能約需20TWh的再生能源電力。氫能戰略伴隨一系列措施以替再生能源提供更良好的環境、並提供更誘人的條件以吸引離岸風電建設，預計離岸風電農場的電力能應付綠氫製造的大部分需求。
除打點相關基礎建設，德國政府也提供金融補貼牛肉給大型貨物運輸、鋼鐵業、化工業和航空業以誘使業者投資相關製程；針對鋼鐵和化工業業者訂定碳差價合約(Carbon Contracts for Difference(CfD))，並檢驗航空業的能源消耗在2030年前是否能達到20%再生能源的使用目標。
然而，該製造多少綠氫仍相當爭議。德國目前有99%氫氣產量來自化石燃料(即灰色氫氣,以下簡稱灰氫)，且政府部門間的冗長協商突顯了淘汰化石燃料的困難。煉油和天然氣業者則認為在能源轉型的初期階段，灰氫不該缺席。德國綠黨名譽主席Oliver Krischer則表示將氫氣應用於汽車產業(諸如充氫站)單純在浪費公帑。
部分人士也提及，德國2030年將安裝最高5GW綠氫電解槽，這一計劃將拉動電解槽工業實現快速發展，與當前的安裝量相比，10年間這一規模將增長200倍。到2040年，德國電解槽部署規模有望達到10GW，若“歐洲2x40GW綠氫計劃”順利實施，則德國2040年電解槽規模將佔歐洲部署總量的25%。但德國境內的再生能源發電能力有限，氫氣產能不足。即便考慮2040年新增10GW電解槽，綠氫產能也僅28TWh，仍低於2030年新增氫氣需求。戰略明確提出要加強國際合作，在之前針對氫能推出的90億歐元投資計劃中，其中20億歐元將在摩洛哥等合作夥伴國家建立大型的製氫廠。
E3G氣候智庫的研究者，Felix Heilmann，表示：「德國的氫能戰略向世人宣示這個世界最大的天然氣消費國正準備替"不用天然氣"的未來做準備"，畢竟歐盟策略中2050得達成零碳排，使用氫氣替代供暖或交通燃料都是必需之路。
▋結論
根據2017年的國家發展委員會報告，高雄地區的石化、重工、鋼鐵業總年產量合計12萬公噸。如此產量也勉強供三大產業使用，目前沒有剩餘氫氣發展氫經濟。
這邊小編以核一兩部機組機稍微計算了一下：
核一兩部機組(裝置容量604 MW x2 )，容量因子85%，則一年可發出 (604 x 2 x 0.85) x (365x24) = 8,994,768 MWh. 全數用於電解水可得 8,994,768/55 = 163,541.2 公噸氫氣。
這是三大產業總產量的1.36倍。也就是說，核一延役的話就有充足的餘裕發展氫經濟了呢。結合氫燃料電池，也能同步改善交通空氣汙染ㄟ。
話說回來，可以預期將來賣氫氣的利潤會比賣電更高。還非得是低碳足跡的氫氣不可。碳足跡過高的氫氣不僅直接淘汰，也連帶地使使用這類氫氣製造的產品喪失競爭力。這對不產天然氣的我國而言，如何取得大量、便宜、穩定的低碳能源以降低製氫成本，確保產品和服務有國際競爭力，將會是執政者的挑戰。
至於德國，祝他們幸福，短時間內來看，投資1MW的製氫廠與管線就耗費30億台幣，若要擴展到5GW(5000倍)，真的所費不貲
▋參考資料與計算(見留言處)
https://reurl.cc/O1odyr
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