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IRENA製氫技術的水資源分析

殷正華、古慧雯/ 發布日期:2024/03/15/ 瀏覽次數:190

隨著氣候變遷及對能源安全的重視,全球能源正快速轉型為清潔、永續的能源,而氫能恰可提供良好的解決方案,許多主要國家已將氫能作為重要的產業發展策略,更在澳洲、中國、加拿大、歐盟、日本、荷蘭、美國等領軍之下,組織自願性多國政府倡議,以氫能倡議(Hydrogen Initiative, H2I)加速氫能與燃料電池在商業的佈署,並協調、促進政府、其他國際倡議或部門間的合作。

國際常以不同顏色來表示不同製氫技術,顏色定義如下:
(一)褐氫(Brown hydrogen):透過煤氣化的方式製氫。
(二)灰氫(Grey hydrogen):透過蒸汽甲烷重組(steam methane reforming, SMR)的方式製氫。
(三)藍氫(Blue hydrogen):由褐氫或灰氫方式生產,再利用碳捕捉、利用和封存(carbon capture, utilisation and storage;CCUS)技術降低溫室氣體排放。
(四)綠氫(Green hydrogen):以再生能源電解水製氫。

根據IEA(2023) 在全球氫能報告中的分析,2022年全球氫產量接近95Mt(較2021年成長3%),主要還是由化石燃料而來,藍氫結合碳捕獲與封存(Carbon Capture, Utilisation and Storage, CCUS)、綠氫產量不到1Mt(占全球產量的0.7%)。然而所有氫氣生產過程都需要用水,對處於高氣候風險與水資源短缺地區來說無疑雪上加霜,因此如何將水資源壓力納入能源產業規劃遂成為當務之急。

一、氫與水的關係
根據國際再生能源機構(International Renewable Energy Agency, IRENA)分析,不同製氫技術的生產成本,以綠氫最高(每公斤4~6美元),藍氫+CCUS次之(每公斤1.5~3美元) ,灰氫與褐氫只要每公斤1~2美元,因此綠氫只在其他電力成本很高或水源豐沛等所有條件俱足的地區才具有競爭力。探究綠氫的成本結構主要取決於初始資本支出、資本加權平均成本、製程所須電力成本、產能因素(電解槽用越久,分攤的成本就越低)。為降低生產所須電力成本,業者常設定製氫場址在有太陽能或風力發電的地方,兩難之處是這些地區通常也是缺水的區;如果淡水不足,還須要海水淡化來補足。如果經濟規模夠大,則可以規劃專為製氫設計的供水系統。無論如何,水資源壓力仍是目前最大挑戰,惟目前尚缺乏有效的數據資料。

二、製氫的水資源需求
所有的氫氣製造過程不僅生產要水,冷卻及CCUS過程也都須要水。冷卻水分別佔綠氫與褐氫用水量的56%及52%,而灰氫只佔14%,藍氫雖然缺乏資料佐證,但確定會比灰氫來得高。一般而言,若製程的能源效率越高,則熱量釋放越少,冷卻水的需求則越低。儘管氣冷技術在發電產業已成熟,但因設備成本高,並未應用於製氫。
除了水量很重要以外,水質也至關重要。綠氫與灰氫須要高純度水用於電解和蒸汽甲烷重組(Steam Methane Reforming, SMR),水的純度不足將導致能源效率低落且降低設備壽命。雖然製程中的水可以回收再利用,但無法減少水的消耗,只要氫生產越多則水的消耗也越多。圖一顯示以電解方式生產的綠氫,其用水強度最低,而且電解效率越高則用水強度越低。但在水平衡模型中可以發現,質子交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)的電解效率要比鹼性電解來得更高,代表更為省水。

三、全球製氫的用水足跡與風險
2021年全球製氫量將達86 Mt,其中68 Mt為灰氫、18 Mt為褐氫。在1.5°C情境下,IRENA預期到2040年全球年產247 Mt氫,其中166 Mt是綠氫、81 Mt是藍氫;到2050年則預期氫的產量達523 Mt,其中94%為綠氫;此意味著未來對水的需求將大增。如圖二顯示2021年的淡水需求量為22億噸,約占能源產業全年取水量的0.6%左右,但到2040年的需求約增長3倍,到2050年則更暴增至5.5倍,水質越低則用量更高。因此,若因氣候擾亂水資源分佈,勢必將重創氫能產業,對水資源及氫能相關的投資與決策必須及早規劃並防範未然。
依IRENA所繪製的水資源緊迫風險地圖來看,全球在營運中的綠氫與藍氫工廠,其中約12.3%位處於水資源高度緊迫地區;相較之下,目前正在規劃專案的水壓力要高出許多,約有35.7%的產能是位在水資源高度緊迫地區,目前營運與規劃的58 Mt年產量藍氫與綠氫,其中35%也都在這些區域。到2040年各部門用水吃緊狀況下,將面臨更多不確定的風險與壓力。由於氣候與社會經濟因素,某些地區的市場會來得更為嚴峻,例如印度營運中與規劃中的藍氫與綠氫產地,有99%都在高度水資源緊迫地區;中國與歐盟27國則分別約有56%及19%在高度緊迫地區;美國及其他G20國家則相對壓力小得多。

四、主要國家製氫技術的水資源分析
(一)中國
潔淨氫能肩負中國能源轉型的重責大任,預計到2025年氫能產業將達1340億美元,目前有63%氫氣是來自碳與水資源密集的煤化工廠,其中 80%是位於水資源緊迫的黃河流域。由於黃河流域沿岸皆為採礦、發電、煤化工等高度依賴水資源的產業,因此造成嚴重的排擠與競爭現象,容易受到水資源供應波動、用水限制等相關法規等的影響。依中國氫能聯盟預估在不改變製氫方式下,至2030年化石燃料製氫將較2020年增加11%,每年需水量達9.3億噸,消耗5.8億噸。若所有產能僅採用CCUS轉型,每年需水量將額外新增5.6億噸,因此透過SMR+CCUS或電解來替代煤氣化製氫技術(約可減少18%~28%的水資源消耗)已刻不容緩。

(二)海灣國家
海灣8國生產與使用的是以天然氣為主的灰氫,年產7.8 Mt約佔全球總量的9%。大多數製氫裝置是煉油廠、鋼鐵廠與石化設施的一部分,因此有機會改造成CCUS設備。由於海灣國家擁有土地成本低、太陽能資源優異、財務富裕及靠近成長市場的地理優勢,具備生產與出口綠氫的潛力。在海灣國家成為氫氣出口中心的情境下,IRENA預估至2040年每年至少生產30.2Mt氫氣,其中綠氫約佔69%。然而,水資源匱乏是海灣國家發展氫能的主要障礙。在氫氣出口中心的情境下,至2040年,每年製氫將需要320億噸的海水用於冷卻,以及4.84億噸的海水用於淡化,彰顯水資源永續管理的需求。

(三)歐洲
歐洲對實現脫碳目標具有雄心壯志,設定氫能是能源轉型的關鍵策略,特別是發展綠氫。2021年,歐洲每年約生產7.5Mt氫氣,主要是未經CCS的灰氫,預計至2040年氫氣產量將增加至25.7Mt,並由灰氫轉型成藍氫及綠氫,其中綠氫將占72%以上。而水的需求量與消耗量也分別由2021年的1.5億噸與1.32億噸,增加至2040年的8.01億噸與5.65億噸。隨著製氫技術的轉型,至2040年,歐洲超過23%的綠氫計畫及14%的藍氫計畫將位於水資源壓力較高的地區,歐洲對水資源的需求將更加激烈。

五、結論與政策建議
能源生產過程極度仰賴水資源,欲氣候轉型、達到2050年淨零目標,各種技術的需水狀況必須經過長期評估與規劃。不同製氫技術的需水量不同。平均而言,SMR的取水量與消耗程度最低,PEM是水需求量最低的潔淨能源,且在綠氫生產時只要電解效率提高1%,則取水與耗水強度就會減少2%;而CCUS則會顯著提高冷卻需求,導致取水量增加61%~83%,消耗量增加59%~83%;藍氫同樣也是較為耗水的選項,也須要控制海水淡化的影響。因此政策建議包括:
1.    發展氫能必須優先考慮綠氫,並給予財務誘因或加快法規審理速度。
2.    在缺水地區更要謹慎制定用水限制等相關法規。
3.    發展氫能應讓化石燃料製氫廠優先退場,特別是在缺水地區。
4.    取水量與耗水量應作為建設氫氣廠的事前評估指標,以及營運後的績效指標。
5.    除了在法規與財稅優惠、補助等激勵措施以外,也應對表現不佳的工廠加以懲治。
6.    推動產業創新可朝鼓勵發展商業規模的電解槽效率著手。
7.    缺水地區鼓勵以氣冷技術取代水冷技術。
8.    在淡水緊迫地區,除鼓勵以海水製氫,也應防範熱污染及海水管理制度。

 

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