《元素的世界》氫燃料電池是電動汽車遠景

劉公典 2023/09/14 16:14 點閱 3285 次
氫能源是真正潔淨而取之不盡的綠能。(網路截圖)
氫能源是真正潔淨而取之不盡的綠能。(網路截圖)

全球急需可以持續發展又能兼顧減少溫室氣體排放,以維護全球氣候變化、改善空氣品質、提高能源安全與降低能源風險,為70億人口提供負擔得起的能源。如今因化石燃料燃燒會產生大量污染物和溫室氣體,其中汽車約佔全球排放一氧化碳54%、二氧化碳14%、氮氧化物30%、顆粒物10%、非甲烷揮發性有機化合物47%。

96%依輕石化石油

目前世界運輸系統有高達96%的能源仍然依賴石化石油,根據國際能源署(IEA)報告,交通運輸部門的溫室氣體排放量約佔全球排放量的30%,其中道路車輛的排放量接近70%。英國將在2040年禁止柴油和汽油車輛上路,而歐洲的目標則是在2050年將溫室氣體排放量減少80%。

自18世紀以來,人類就開始使用水作為燃料。水由氫原子和氧原子組成。將水分解為氫原子和氧原子最簡單的方法之一是電解水。1838年「燃料電池之父」威廉•羅伯特•格羅夫爵士提出可以逆轉上述分解水的電化學過程,也就是由氫原子和氧原子反應生成水來發電的電池概念,將氫的化學能轉化為電能和熱能,稱為燃料電池(FC)。

氫經濟概念

美國早在1970年就提出氫經濟概念,是世界上第一個將推動氫能和燃料電池發展作為國家能源戰略的國家。將燃料電池應用於電動汽車,稱為燃料電池電動汽車(FCEV)。1995年《時代》雜誌將FCEV列為21世紀十大高新技術之首。

FC和傳統電池的工作原理類似,都是藉由電解質將氧化反應與還原反應分開,利用外部電路將電子從陽極傳送到陰極,將化學能轉化為電能。但是二者主要區別,是在產電過程,FC的電極材料原則上不會發生化學反應,而是消耗外部供給的燃料和氧化劑,因此需要不斷補充燃料(氫氣)。

唯一的副產品是水

至於電動汽車(EV)則是利用電動機旋轉動力驅動車輪,而不像傳統汽車,是藉由內燃機驅動車輪。傳統內燃機的能源效率是30-40%,而FCEV的能源效率高達40-60%,且唯一的副產品是水。而EV或FCEV的最大缺點之一,是車輛的技術成本昂貴。成本包括車輛料電池系統、加氫站、電池/牽引電機和生命週期。

利用化石資源、再生資源(太陽能或風能)和核資源生產氫,可以更有效利用能源系統中的間歇性可再生能源。氫氣可以從中生產,以壓縮氣體或低溫液體的形式儲存,並通過卡車或管道輸送給用戶。氫還可以轉化為其它常用的能源載體,例如電力、甲烷或液體燃料。

氫可由低碳生產

未來,氫可能由各種低碳來源生產,包括可再生能源(綠色氫)或具有碳捕獲和儲存的化石氫(藍色氫)。

由於FCEV的最大障礙之一是缺乏公共網絡的分配,其中研究預估加氫站平均現金流約為10年期限。而氫動力汽車所獲得好處,像是清潔空氣、減緩氣候變化、永續和能源安全的受益人,並非個人車主,而是整體社會,因此意味這項公共政策如果想發揮核心作用,就需要公共政策支持來克服車輛基礎設施的困境。

根據未來市場研究(MRFR) 2019年報告,預計到2025年全球汽車FC市場將以25%的複合年增長率增長。此外,麥肯錫分析估計如果氫在整個經濟領域廣泛用於運輸、電網穩定、供暖和工業,到2050年,氫需求可能會增長10倍。而2040年FCEV即可達2800萬輛,占市場10.1%。