綠氫熱潮下的技術難題及社會和生態影響


氫，是一種無色、無味，可潔淨燃燒的氣體，近來卻引起了很多人的注意。連全球最大的電動車生產商特斯拉(Tesla)創辦人馬斯克(Elon Musk)都有提及[1]。其實，氫作為一種能源載體，並不是現在才有人使用。1671年，愛爾蘭化學家羅拔·波義耳(Robert Boyle)首先發現鐵屑和稀釋酸之間發生化學反應，產生氫氣[2]。而歷史上最著名的氫氣應用，莫過於1936年3月4日，氫氣推動的飛船興登堡號[3]載著乘客及工作人員共87人於德國腓特烈港開始了它的首次航行。可是飛船在翌年5月6日嘗試降落時爆炸墜毀。

“ 氫是什麼？

氫是一種化學元素，在元素週期表上用符號H表示，原子序數為1。氫通常以分子形式(H2)存在，在室溫和壓力下無毒，但在非常低的溫度(-423°F或-253°C)下可以凝結為液體。元素氫存在於水(H2O)、氨(NH3)等化合物以及天然氣、煤和石油等碳氫化合物中。”

近年，氫已被視為一種低碳的能源載體。在應對氣候變化和低碳經濟轉型的過程中，世界各地政府和能源企業[4]開始留意到氫的潛力，紛紛承諾氫燃料開發並推出發展策略，引起了行業遊說者、投資者和政府的注意，有望成為化石燃料的代替品。此外，氫燃料可以在化工、鋼鐵，以及重型卡車和航運等長途運輸等多個行業減少碳排放方面發揮作用。基於上述可行性，許多地方都將氫燃料作為其能源戰略的核心部分。國際可再生能源機構(IRENA)估計，到2050年，氫燃料可能提供高達全球總能源需求的12%，而氫燃料理事會(Hydrogen Council)估計，氫可滿足高達18%的全球能源需求，並創造一個每年2.5萬億美元的產業。

各地政府正在通過國家策略規劃的程序，擴大氫燃料的開發，減少化石燃料消耗。氫燃料理事會報告稱，已有30多個國家公佈了氫燃料路線圖，包括中國內地[5]，他們亦已承諾為氫燃料開發提供合共超過700億美元的公共財政開支。氫燃料理事會還估計，到2030年，氫燃料項目的計劃總投資可能超過3,000億美元。有投資者甚至形容綠氫*為應對氣候變化的靈丹妙藥，他們要求政府提供巨額補貼和鼓勵措施，還宣稱綠氫與可再生能源一起將成為『世界上最大的產業』。

基於能源分類的氫燃料 製氫的燃料 基於碳強度的分類
黑氫 煙煤 高碳氫燃料
灰氫 天然氣或甲烷
棕氫 褐煤
藍氫 天然氣或甲烷與碳捕獲及儲存 低碳氫燃料
綠氫* 可再生能源推動的電解法
粉紅氫 核能推動的電解法

表1：基於能源和碳強度的氫燃料分類。來源︰NREL & USAID

本文將會就氫燃料的生產方法、轉換效率、儲存和運輸，以及生產項目的環境影響，作一個綜合的分析和前瞻。

燃料電池的工作原理

燃料電池由兩個電極組成--一個負電極(或陽極)和一個正電極(或陰極)--夾在電解液周圍。燃料，如氫，被送到陽極，空氣被送到陰極。在氫燃料電池中，陽極的催化劑將氫分子分離為質子和電子，這兩個分子通過不同的路徑到達陰極。電子通過外部電路，產生電流。質子通過電解液遷移到陰極，在那裡它們與氧和電子結合產生水和熱。

綠氫主導氫燃料市場是全球共識

氫燃料取代化石燃料這項雄心勃勃的計劃正面臨一個重大挑戰，就是今天使用的氫燃料，其中96%是採用依賴化石燃料(如煤炭和天然氣)的熱燃燒過程生產，並產生大量碳排放，甚至比燃燒煤炭還要多。

因此，人們以顏色來區分不同氫燃料產生過程，不同的顏色用來描述氫燃料生產過程的溫室氣體排放強度（見表1）。例如，藍氫代表了使用天然氣來生產，並採用碳捕獲和儲存(CCUS)技術，最大限度減少二氧化碳的直接排放。但是，藍氫生產會在天然氣的生產和運輸中產生甲烷排放（一種強力的溫室氣體）。因此，我們並不贊成採用化石燃料生產氫燃料作為減緩氣候變化的方法。

“ 氫燃料是如何生產？

氫可以從各種化合物中分離出來而產生。目前大約80%的氫燃料供應來自專用的氫燃料生產工廠。剩餘的20%是作為其他技術的副產品生產。四種最普遍的製氫方法是：

  1. 蒸汽-甲烷重整：這是一種以天然氣為主要燃料，受廣泛使用且成熟的製氫方法。全球約四分之三的年產量，及美國約95%的專用氫燃料生產都採用這一技術。它包括三個階段：第一階段，高溫蒸汽(700°C-1000°C)首先在催化作用下與甲烷產生化學反應而生成氫、一氧化碳和少量二氧化碳。然後，一氧化碳和水蒸氣在催化劑的作用下發生化學反應(水-氣變換反應)，生成二氧化碳和氫燃料。然後，通過去除二氧化碳和其他雜質來提取純氫燃料(通常使用變壓吸附)。這一過程也可以用乙醇、丙烷或汽油等其他燃料來完成。
  2. 氣化：煤中的碳基物質包括碳、氫、氧、氮和硫。為了生產氫燃料，煤炭在催化作用下部分燃燒，以產生二氧化碳所需的熱量和化學反應，二氧化碳與煤炭反應生成一氧化碳。這種一氧化碳與水蒸氣反應產生氫燃料(水-氣轉換)，隨後進行類似於蒸汽-甲烷重整的淨化過程。此法約佔全球專用氫燃料產量的23%。
  3. 電解：這是一種從水分子中分離出氫和氧的過程，過程被稱為電解槽，它是由電力操作(某些技術是用熱能)。目前，只有不到0.1%的專用氫燃料生產是通過電解。電解槽由水中的陽極和陰極組成，某些技術還包括電解液。電流施加到陰極上並流過水，導致水分子分裂為氫和氧。目前，電解技術主要有三種：鹼性電解法、質子交換膜電解法和固體氧化物電解槽。
  4. 甲烷熱解：這是一種將甲烷熱分解為氫和固碳的新技術。由於生成的大部分碳是固體，二氧化碳排放量可以低於蒸汽甲烷重整過程。改良工作仍在進行，以克服需要較高溫度、氫燃料純度以及從氣態氫中分離固體碳等問題。
其他方法，如生物質氣化、可再生液體燃料的重整、生物過程和直接太陽能水分解過程也可用於製氫。”

世界各地的政府和投資者目前都以綠氫燃料，即是採用可再生能源生產氫燃料，作為能源轉型的重要工具。有能源巨企負責人甚至指出，太陽能和風能並不能一天到晚都生產電力是一個問題，需要一些大型儲存容器來平滑風能和太陽能的輸出，而氫就可以是那個非常大的容器。氫燃料是一種一年四季都可以儲存能量的技術，不受氣候條件限制。當你在夏季和冬季可再生資源匱乏的時候，在春季和秋季擁有過剩的能源都可以使用。如果可再生能源要成為發電組合中的最大份額，對長期儲存的需求將變得更加迫切，而常用的鋰離子電池在幾個小時內就會耗盡。所以，在能源轉型過程中，氫燃料將是不可或缺[6]。

“ 氫作為一種能源載體意味著什麼？

由於氫必須從其他能源中生產，所以它被認為是一種能源載體，而不是一種能源。一旦生產出來，氫就可以被儲存、運輸，然後用於氫燃料電池、氨生產、生物燃料、工業金屬加工和焊接以及其他應用上。 ”

“ 今天的氫有什麼用途？

氫主要用於工業過程。這包括煉製(33%)、氨生產(27%)、甲醇生產(27%)和鋼鐵生產(3%)。在美國，幾乎所有產生的氫燃料都用於煉油、氨生產(作為化肥生產的前體)和甲醇生產；約10%用於處理金屬、加工食品和其他應用。氫還可用作發電、運輸和建築物供暖的燃料。這種使用現在是有限，但有可能長遠降低全球碳排放。 ”

燃料轉換過程效率低 儲存和防洩漏都具挑戰性

儘管綠氫具有上述優點，而人們對綠氫的期望很高，但要大規模採用它，還是遇到很多技術上的挑戰，我們必須儘早克服，否則，如果對綠氫的期望落空，會非常影響全球的減碳進程。目前，綠氫技術還處於初級階段，還沒有在工業規模上進行測試。我們利用電解過程來生產氫燃料。在電解過程中，電子與水產生化學反應，只留下氧氣的副產品。然而，目前只有4%的氫燃料生產使用電解法，很大程度上是因為生產綠氫過程的能源效益較低，甚至比熱燃燒生產的氫燃料還要貴。換言之，綠氫生產仍然比使用煤炭或天然氣生產氫燃料的成本高得多。

不管採用何種可再生能源，其產生的氫燃料的效率仍遠遠低於直接使用可再生能源本身。通過熱燃燒或電解過程生產的氫燃料，儲存它，然後用它來發電，這個被稱為『電力到氣體到電力』的轉換過程效率低下，成本也很高。不論是打破水中氫和氧之間的分子鍵，還是在渦輪機中燃燒產生的氫的過程，以及在轉換、壓縮和運輸過程中，往返效率(Round Trip Efficiency)最高只有約四成，換言之有六成或以上能量在轉換過程中損失了[7]。

又例如，將氫燃料儲存在燃料電池中，然後用它來為家庭供暖，耗能是直接使用可再生能源的五到六倍。同樣，在汽車中使用氫燃料電池的效率估計，是使用電力為電動汽車充電的三倍。之前的研究還表明，裝置綠氫產能所需的能源，可能是使用直接電氣化替代能源的2到14倍。儘管綠氫的儲存能力將使電網獲得更穩定的可再生能源供應，但將可再生能源轉化為電能生產氫燃料的效率要低得多，因此比起直接從能源中消費電力，成本更高。它也將是大多數電網中可用的最昂貴的能源儲存選擇之一，而氫燃料的儲存和運輸是出了名的困難和昂貴。

“ 氫燃料是如何儲存？

氫燃料可以直接儲存，也可以轉化為氫基燃料。儲存介質的選擇將取決於是否易於到達地質儲存點，以及儲存和運輸需求的持續時間和規模。對於規模較小的過程，儲存罐是非常有用。地質儲存點，如鹽穴，有望儲存大量氫。由於氫的體積能量密度較低，與其他燃料相比，相同能量含量的氫需要更多的儲存容量。為了克服障礙，氫還可以轉化為以氫為基礎的燃料和原料，如氨、液態有機氫載體、合成烴或合成液體燃料，這些燃料可以儲存在儲存罐中，並可長距離運輸。如果最終用途需要純氫，這種方法需要額外的氫提取步驟，從而影響氫作為能源載體的效率和最終成本。 ”

而至於氫燃料交通運輸[8]，氫儲存仍存在技術挑戰，就是如何在車輛重量、體積、效率、安全性和成本的限制下，儲存傳統行駛里程(>300英里)所需的氫氣量。還必須驗證這些系統在整個使用壽命內的耐用性，並且達到可接受的加油時間。非機載大容量儲存的要求通常比機載要求限制較少，例如，可能沒有或限制較少的重量要求，但可能有體積或佔地面積要求。

此外，氫氣本身亦是一種溫室氣體，平均全球變暖潛能值約為11，即是比二氧化碳高11倍[9]。科學家已關注到應用氫燃料的洩漏率。有研究指出，在最好的情況下，假設整條氫燃料生產洩漏率為1%，與傳統化石燃料相比，採用天然氣生產氫燃料，即是在裝置了碳捕獲技術的天然氣供應鏈中洩漏1%的甲烷，仍可以在20年內將全球變暖影響減少70%。而使用零排放電力生產綠氫則可以將氣候影響減少95%以上。然而，如果氫氣洩漏率上升至10%，藍氫燃料實際上可能會使20年內的變暖影響增加25%。而與化石燃料相比，綠氫仍將把20年內的變暖影響減少三分之二，卻使我們無法達成碳中和的目標[10]。


上圖比較了直接使用可再生能源與使用可再生能源產生氫燃料兩個不同過程的能源損耗比率。顯然，直接使用可再生能源的能源損耗比使用可再生能源產生氫燃料低一半，但由於可再生能源難於儲存，我們不應抹煞綠氫，補充『儲存』可再生能源的不足。
來源︰energycentral.com

我們樂見擴大綠氫的生產和使用，而且當局需要重大的鼓勵措施和投資，尤其是在主力出口綠氫的地區，以進一步降低可再生能源的成本，建設氫燃料生產、運輸、儲存和使用所需的基礎設施。這些鼓勵措施和投資應該包括加強科學研究提升轉換過程的能源效率，及解決氫儲存在交通工具應用上的技術難題，此外，也需要開發足夠的電解能力，改造港口基礎設施，改變現有天然氣管道的用途或建設專用的新管道，建造新的鐵路和貨櫃船，以及創造安全的儲存能力。必須重視綠氫生產系統的維護工作，大力減低氫氣洩漏率至1%或以下。而氫貿易長遠可以帶來更低成本的能源供應，因為可以採用更便宜的方法進口能源，及帶來更多的替代方案來提升未來取代化石燃料的能力[11]。

“ 氫燃料是如何運輸？

目前，大多數氫的生產和消費都在同一地點或很近的地方。然而，上面討論的各種形式的氫也經常以氣體或液體的形式通過氣態管道、液體罐車或專用管道運輸。最可行的氫燃料運送方法往往取決於區域氫燃料需求的大小和穩定性。氣體管道拖車通常可以儲存多達1噸氫燃料，液體罐車通常可以儲存4-5噸氫燃料，當區域輸送需求為每天數百噸時，通常使用氣體管道，預計將保持穩定數十年。今天，通過航運運輸氫燃料並不常見，但各地正進行早期部署，以支援全球氫貿易。 ”

綠氫生產要尊重社區和生態權利

除了技術和成本問題外，能源項目帶來的社會和生態影響也必須受到關注。即使是可再生能源項目，受影響的居民往往沒有機會充分了解這些計劃，無法維護自身權益。此外，他們從這些項目中獲得的好處很少，甚至沒有。而項目亦導致居民土地喪失，而未能獲得補償，例如肯尼亞圖爾卡納湖(Lake Turkana)風力發電場和摩洛哥瓦爾扎扎特(Noor Ouarzazate)太陽能發電站周邊的牧民，其牲畜遷徙路線受到干擾，破壞了畜牧文化，降低了牧場土地系統的復原力。而生活在哥倫比亞北部拉瓜希拉省(La Guajira Department)的瓦尤人原住民(Wayuu)，也因為當地興建風力發電場及發展氫燃料生產基地而徵收土地，衍生了土地權益的問題。為生產可再生能源而掠奪土地，加劇了不少地方牧民被邊緣化的狀況。如果不強調人權保障和承認公共土地權利的法律制度，越來越多牧民將失去土地，轉向大規模的可再生能源項目，只會變得更加貧窮，助長更多的衝突和難民流離失所[12]。

此外，一直備受爭議的大型水電項目正希望利用綠氫熱潮回歸。水力發電不但排放溫室氣體甲烷，而且全球已經有八千萬人因修建大壩而失去了家園、生計和文化，有4.72億人在大壩下游受到不利影響，包括最具生物多樣性的河流生態系統遭到破壞，漁業和土壤損失等影響，近年水電行業的新增產能有所放緩。不過，行業團體如國際水電協會(IHA)試圖將水電定位為綠氫生產的關鍵燃料，以此來重塑水電品牌，並在世界各地催生對新水電站的需求。水電的建設成本比太陽能和風能高出兩到三倍，但有投資者正在推動新的大型氫燃料發電機組的開發，以合理化水力發電建設。

各地政府和項目投資者需要通過民間社會，特別是與項目地區受影響民眾進行公開討論，保障當地社區對土地和自然資源的權利，謹慎管理好能源轉型的過程。事實上，聯合國人權理事會早於2011年通過了《工商企業與人權：實施聯合國『保護、尊重和補救』框架指導原則》，並發佈了《聯合國工商企業與人權指導原則》，列出了31項原則，指導各地政府和企業如何實施保護、尊重和補救框架，承諾所有投資活動必須有尊重人權的政策，並通過人權盡職調查，以確定、預防和減輕企業投資行為妨害人權的影響。只有通過這些做法，才能避免損害當地民眾的權利和生計，公平地過渡到可再生能源，使民眾能夠從過渡中受益。

發展綠氫也可以讓當地社區獲益，我們引用加拿大、肯尼亞和墨西哥的例子[13]，當地都通過分享可再生能源項目中產生的收入而獲益。有研究表明，可再生能源發電可以與肯尼亞和摩洛哥牧民放牧活動共存，甚至可以改善動物福利。能源項目可以兼容多種功能的土地利用，並採取共融的方法，參與設計改善農業、畜牧業、生物多樣性、農村社會和經濟活動以及能源的總體土地利用效率。因此，牧民和可再生能源存在雙贏的可能，但需要找到方法來加強牧民社區的發言權和行政能力，以便他們能夠為其成員談判有利的條件。

香港應積極探索綠氫熱潮下可發揮的作用

綠氫與任何新技術一樣，其生產和採用是否可持續，不能光靠依賴技術本身。投資者推動的水電產氫計劃既忽視了負面的氣候影響，也忽視了大型水電對社會和環境的破壞性影響。在各地政府將公共資源用於促進和發展綠氫技術之前，必須對各種社會和環境影響進行審查。

至於香港，特區政府於2021年先後公佈《香港電動車普及化路線圖》和《香港氣候行動藍圖2050》，都提出要積極探索氫燃料汽車在香港使用的可行性。而中華電力和中華煤氣各自在最新出版的《可持續發展報告2021》和《環境、社會及管治報告2021》也承諾探索使用氫燃料的可行性，並會投資基建準備好綠氫的供應。最近，香港的專營巴士營辦商及能源公司也組成了『零排放交通聯盟』，共同承諾為零碳排放道路交通運輸制定有明確時間表的路線圖[14]。氫燃料已被視為香港新能源的明日之星。

展望香港將來成為氫燃料消費的城市，可以積極參與在科研項目上，改善轉換效率、儲存和運輸的技術和成本。除了公共交通已開始研究引入氫燃料巴士，兩家電力公司也應該繼續研究綠氫作為燃料，政府也要考慮引入加氫站和氫儲存的配套設施。此外，可以探索在金融和貿易的領域，如何促進氫貿易及綠氫項目融資，如何符合商業與人權的國際原則和合規程序，並長遠減低製氫的成本。

（鳴謝曾卓斌（實習生）協助本文部分資料搜集工作。）

參考:


  1. Frangoul A., ‘The most dumb thing’: Elon Musk dismisses hydrogen as tool for energy storage, CNBC, 12 May 2022. https://www.cnbc.com/2022/05/12/tesla-ceo-elon-musk-dismisses-hydrogen-as-tool-for-energy-storage.html
  2. Winter, M. Hydrogen: historical information. WebElements Ltd., 2007. https://education.jlab.org/itselemental/ele001.html
  3. Hindenburg Statistics, airships.net, 2009. https://www.airships.net/hindenburg/size-speed/
  4. 例子包括歐盟、美國、澳洲、日本和一些跨國能源企業等。
  5. 中華人民共和國國家發展和改革委員會，《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）》 ，2022年3月23日。 https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202203/t20220323_1320038.html?code=&state=123
  6. Collins, L., Why hydrogen-fired power plants 'will play a major role in the energy transition', Recharge, 29 July 2021. .
  7. Mayer G., Thomas N., Hydrogen: the future of electricity storage? Financial Times, 5 April 2021. ; Collins, L., Why hydrogen-fired power plants 'will play a major role in the energy transition', Recharge, 29 July 2021. https://www.rechargenews.com/energy-transition/why-hydrogen-fired-power-plants-will-play-a-major-role-in-the-energy-transition/2-1-1045768.
  8. US Department of Energy, Hydrogen Storage Challenges. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage-challenges
  9. Collins L., Hydrogen ‘twice as powerful a greenhouse gas as previously thought’: UK government study, Recharge, 8 April 2022. https://www.rechargenews.com/energy-transition/hydrogen-twice-as-powerful-a-greenhouse-gas-as-previously-thought-uk-government-study/2-1-1200115
  10. Environmental Defense Fund, STUDY: Emissions of Hydrogen Could Undermine Its Climate Benefits; Warming Effects Are Two to Six Times Higher Than Previously Thought, Environmental Defense Fund, 19 July 2022. https://www.edf.org/media/study-emissions-hydrogen-could-undermine-its-climate-benefits-warming-effects-are-two-six
  11. International Renewable Energy Agency (IRENA), Global hydrogen trade to meet the 1.5°C climate goal: Part I – Trade outlook for 2050 and way forward, International Renewable Energy Agency, 2022. https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Global-Hydrogen-Trade-Outlook
  12. Waters-Bayer, A. et al., Pastoralism and large-scale REnewable energy and green hydrogen projects, Heinrich-Böll-Stiftung, Brot für die Welt, May 2022. https://www.boell.de/en/2022/05/18/pastoralism-and-large-scale-renewable-energy-and-green-hydrogen-projects
  13. Ibid
  14. 零排放交通聯盟，零排放交通聯盟冀與政府合作 齊為香港公共道路運輸減碳， 2022 年7月26日 https://civic-exchange.org/wp-content/uploads/2022/07/Press-Release_ZEMC-White-Paper_Chi_Final.pdf

其他參考資料：


  1. International Energy Agency (IEA), The Future of Hydrogen – Analysis. IEA, June 2019. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen.
  2. IEA, Global Hydrogen Review 2021. IEA, 2021. https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf.
  3. International Rivers, Seeing Green: Hydropower to "Green" Hydrogen is the latest false climate solution,2022. https://3waryu2g9363hdvii1ci666p-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/sites/86/2022/07/Green-Hydrogen-Factsheet.pdf
  4. Mohit J. et al., National Renewable Energy Laboratory, Hydrogen 101: Frequently Asked Questions About Hydrogen for Decarbonization, USAID and National Renewable Energy Laboratory (NREL), July 2022. http://pdf.usaid.gov/pdf_docs/PA00ZH27.pdf.
  5. US Department of Energy, Fuel Cells. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells.
  6. Vickers, J. et al., Cost of Electrolytic Hydrogen Production with Existing Technology, US Department of Energy, 2020. https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/20004-cost-electrolytic-hydrogen-production.pdf.

作者︰
低碳想創坊研究員李育成先生

2022年9月