一、前言
許多國家已宣布淨零排放目標以減少溫室氣體排放，據此，在國際脫碳的能源趨勢下，透過零碳電力（Zero-Carbon Electricity）電解水生產的綠色氫，對於各國實現能源轉型具有巨大潛力。

報告中藉由研究綠色氫氣的生產和應用，評估未來擴大規模部署的市場機會以及將面臨的挑戰，並將生產成本以及相關基礎設施需求納入分析，最後歸納出政策建議，以促進綠色氫氣產業發展。

二、綠色氫的應用
在循環碳經濟框架中，綠色氫可以在脫碳上發揮以下關鍵作用：
1. 替代石油、天然氣、煤和生質物等含碳燃料以減少碳排放；
2. 從化石燃料或生質物中分離並儲存碳，進而減少碳排放；
3. 維持電網彈性和運作的穩定性。

以下將分述綠色氫在電力系統中的負載平衡以及替代燃料等2個主要應用領域：
(一)負載平衡
過去15年期間再生能源發電快速擴張（特別是太陽光電以及陸域、離岸風電），取代化石燃料發電。然而，再生能源發電的間歇性仍然是主要挑戰，因此，需要搭配儲能技術以維持電網穩定性。目前，鋰離子電池的成本持續下降並可提供4 -6小時的儲能時間，但若要大規模且長期儲能的部署，尚有自放電、功率耦合及儲存能量的規模等技術問題待克服。

另一個可行的儲能方式為綠色氫的生產和儲存併入電網，由電解槽、儲存系統，以及燃料電池或渦輪機組成，在需要時提供電力，以解決再生能源因季節性和間歇性等不穩定的問題。對於長期大規模儲能應用而言，綠色氫的生產和儲存併入電網也比電池儲能更具成本競爭力。例如，美國猶他州開發利用鹽穴儲存綠色氫氣，其儲能容量達美國鋰離子電池儲能總容量的150倍，並且可以儲存數個月的電力，遠高於大型電池儲能系統的持續時間。

(二)作為煤炭和天然氣的替代燃料
為了降低發電時的溫室氣體排放量，全球公用事業公司主要解決方案如下：
(1) 將氫氣直接注入以天然氣為燃料的渦輪機進行發電，以取代化石燃料並減少排放；
(2)在燃煤發電廠中，直接使用氫氣替代煤炭。

目前，將氫氣混入天然氣中為增加氫能最終應用的重要途徑，可減少發電的碳排放，並藉由利用既有的基礎設施，在成本效益上具有市場競爭力。根據國際能源署2019年的估計，將5%的綠色氫混入天然氣中，可減少2%的二氧化碳排放量。實際上，GE、西門子（Siemens）、BakerHughes、三菱和 Solar Turbines等企業，已將氫氣5-100%的氫氣，混入天然氣渦輪機或天然氣管道中進行測試。

三、綠色氫的市場機會與限制
(一) 近期市場機會
1.壅塞(Congestion)和縮減(Curtailment)
近年來，太陽能和風能容量的快速擴張，導致許多電網中再生能源壅塞的情況越來越多。再生能源棄電主要可分成3種機制：經濟棄電、自行調度削減和特殊調度，透過要求特定的再生能源發電廠減少能源輸出，以解決電網中再生能源壅塞問題。尤其在美國中西部地區，由於市場需求和負載容量有限，當生產的風電過多且傳輸容量不足時，零碳電力的價格(此為負載中心的收入來源而非成本)可能降到非常低甚至為負。因此，聯邦能源管理委員會（Federal Energy Regulatory Commission, FERC）建議獨立的再生能源發電營運商以減少生產再生能源電力作為壅塞問題的解決方案。此外，加州在COVID-19大流行期間，由於企業和餐廳的電力需求受到社會社交安全措施影響而大幅下降，也導致再生能源限電率創下歷史新高。限電期間的低電價為低成本綠色氫氣生產提供市場發展機會，可將綠色氫出售至鄰近市場並進行儲存，在需求上升時再行供電，有助於擴大綠色氫的供給和應用。

2.低比例混合
增加氫氣混合到天然氣網絡的基礎設施中為最重要的終端應用，除了天然氣終端用戶脫碳之外，低比例混合亦可達到以下效益：
(1)以低比例混合氫氣到天然氣電網中可使低碳製氫的成本降低，有助於擴大綠色氫能生產；
(2)可發展更廣泛的應用;
(3)運用現有的天然氣基礎設施，可大幅降低氫氣基礎設施的成本。

最近幾十年間，歐洲和美國對天然氣基礎設施進行改造，現今混合到天然氣中的氫氣應用相當廣泛，例如建築供暖、發電和化學合成（例如，甲烷、氨和甲醇）。許多國家也已經訂定相關法規標準，例如荷蘭、德國、法國和西班牙等歐盟國家的混合比率可高於5%，但大多數國家限制<2%。根據美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)研究顯示，於天然氣基礎設施使用混合低於15- 25%的氫，不會對終端用途產生重大風險，且可確保混合氣體的安全。值得注意的是，將少量氫氣混合到天然氣系統中在短期內具有重大的市場價值，可大幅增加太陽光電和風力發電的安裝和使用。倘若全球範圍將混合比例限制設定在5%的範圍以內，至少可使再生能源發電容量增加1倍。

(二) 近期市場限制：技術經濟限制和創新
透過電解產生氫的製氫技術已相當成熟，然而，電解製氫的大規模商業應用才剛開始發展。許多大規模製氫方法受到高成本和經驗不足的限制，進而影響綠色氫能部署的速度和規模。目前電解槽和綠色製氫技術的產量仍然有限，且成本相當高昂。此外，用於綠色氫氣生產的其他主要技術，如固態氧化物電解技術，不僅市場中的技術水準較低，且幾乎沒有獲得政府的研究發展資金。另一方面，多數國家已對太陽能、風能和電池儲能等技術，投入研究發展資金並擬訂支持性政策，相較之下，綠色氫能的政策支持和研發資金投入明顯不足。

四、小結：政策建議
綠色氫的創新需要擴大投資以提高能源效率，並進一步開發和示範能降低成本和提高性能的工程和技術。例如尚屬於低TRL的綠色氫能創新技術，主要在發展催化劑和特殊材料，以降低製程中的能源需求進而降低成本（例如，光觸媒材料或陶瓷薄膜）；而較高TRL的電解技術，其創新重點則為低成本製造以及系統平衡與優化。目前，美國和歐盟已開始增加計畫性投資，但要實現綠色氫能的規模化商業部署，預計還需要增加數十億美元的投資。