產業技術評析

一、Power-to-Gas(P2G)技術簡介
 

Power-to-Gas(P2G)技術是將再生能源的過剩電力轉換為氫氣或再製作成甲烷等氣體進行運送及儲存，藉此再次發電或是轉為其他應用。轉換的主要目的是協助能源轉型、穩定電網，並進一步擴充再生能源在能源(Power to Hydrogen/Fuels)、運輸(Power to Mobility)以及工業(Power to Chemical)層面的應用(如圖1所示)。
 

資料來源：工研院產科國際所ITIS研究團隊整理(2019/05)
圖1　Power-to-Gas技術示意圖
 

在P2G的技術架構中，氫能具有清潔能源的特性，可自能源系統的初始發電遍及至終端的低端應用，或再轉化為甲烷以擴大其應用範圍，故成為整體技術發展中的重要樞紐。藉由氫能的特性，P2G技術可達到以下七個功能：
 

1.再生能源整合與創能
 

氫氣可由各類再生能源，例如利用太陽光電或風力發電的過剩電力，以水電解法製氫，或利用生質能中的厭氧方式製氫。且產生氫氣之後，可進一步藉由燃料電池再度發電，因此可串聯並整合各類技術以提升再生能源的利用率。
 

2.再生能源流通
 

P2G的應用場域較不受產業或時間特性所限制，可以流通至不同部門或地區為其所用。
 

3.再生能源緩衝
 

目前技術最成熟的再生能源為太陽光電與風力發電皆有間歇性的問題，而利用氫氣的可儲存再利用特性能做為長期且大規模能源系統的緩衝物。
 

4.運輸部門低碳化
 

氫氣未來最大應用市場即為各式載具的新型態燃料，最主要的目標為取代汽油，除了應用於燃料電池各式載具(如汽車、公車、卡車、堆高機等)之外，將氫氣製作成生質燃油或甲烷為主的含碳燃料來提供貨輪或飛機也是可能應用之ㄧ。
 

5.工業製程低碳化
 

氫氣良好的助燃能力可協助工業使用更少的化石燃料，並提高製程的能源效率。
 

6.家用系統低碳化
 

可利用氫能燃料電池提供家庭更有效率的電與熱來達成低碳化。
 

7.低成本的脫碳加熱
 

在許多需要高熱/高耗能工業製程上，氫氣免除其二氧化碳捕獲與封存的成本。另外，氫氣若製作成甲烷、氨或甲醇等工業用化學物，可提高與工業餘氫相關製程的附加價值。
 

二、技術發展趨勢
 

P2G技術的出發點是使用過剩的電能來產生氫氣或再製作成甲烷，發展的關鍵因素是轉換的成本，如何在轉換過程達到低成本且低碳化，致使轉化後的氣體仍有一定的經濟、能源與環保效益，為此技術邁向商業化的重點。故近年以以下兩大類技術為主要發展趨勢：
 

1.電解水製氫法
 

利用多餘電力將水放置電解槽(Electrolysis)中轉化為氫氣與氧氣，目前較為成熟的技術為鹼性(Alkaline)電解法、質子交換膜(Proton Exchange Membrane/PEM)電解法，以及固態氧化物(Solid Oxide)電解法。
 

2.甲烷裂解法
 

又稱為甲烷化(Methanation)，將電解水製成且多餘的氫氣加入二氧化碳之後再轉化為甲烷以置於其他能源或工業用途。目前較為成熟的技術為熱催化(Thermo Catalytic)與生物甲烷化(Bio-Methanation)。
 

資料來源：工研院產科國際所ITIS研究團隊整理(2019/05)
圖2　P2G技術藍圖
 

由於電解水製氫法為燃料電池運行原理的逆反應，技術發展進程較為成熟，尤其是鹼性與質子交換膜電解技術在近年已達可商業化的規模(如上圖2所示)，近年大型示範運轉計畫多以此二類技術為核心。
 

三、技術發展挑戰
 

電解製氫技術自1960年代即開始發展，過去主要應用於燃料電池的發電系統，因此製氫市場與技術發展曾一度停滯。近年在氫氣轉換效率提升與其他再生能源技術進步導致能源整合需求增加之後，P2G技術再次受到關注。然而，目前P2G市場至今仍面臨以下問題：
 

1.氫氣的儲存與運輸成本高
 

氫氣產生後，如何有效率且安全地儲存及運輸需要慎重考慮，因為儲存及運輸方式攸關氫能的後續應用。
 

氫的儲存方式現階段可分為壓縮氫氣、液態氫、儲氫合金(金屬氫化物)、奈米碳管儲氫四種，其中壓縮氫氣、液態氫為目前較成熟的技術，然而壓縮氫氣所需的加壓鋼瓶體積笨重，潛在危險性高，使用需特別注意；而液態氫會自然蒸發，若一段時間未使用液態氫將自然蒸發完畢，不能作為長期儲存之用。至於其他還在研發的技術，儲氫合金技術雖具安全和方便性，但其單位體積儲存量較小，成本較為高昂，以致相關示範運轉計畫仍持續進行中；奈米碳管儲氫則在發展初期，離商用化階段仍遠。綜上所述，就儲存方式而言，壓縮氫氣與液態氫使用上均有很大限制，短期內儲氫合金強化儲存密度是發展重點，若奈米碳管技術有所進展，未來可為優秀的儲氫材料。
 

氫氣常用的運輸方式有兩類，一為運氫車輛，即將氫加壓或液化之後，以特殊的罐裝拖車運送至目的地；二為供氫管線，直接將氫氣注入特殊材質的專門運氫管線，或是注入現有的天然氣管線。而近期計畫多以天然氣混合管線為主，由於氫氣具有良好的助燃能力，若注入的氫氣量不超過總體的10%，將不影響管線的安全性，又可提升天然氣的效能，致使這類管線已陸續在歐洲進行示範運轉計畫。
 

然而，不管是以何種方式儲存或運送，都需要經過加壓的過程，這是非常耗費能源的，且運輸氫氣的車輛、管線、容器會產生「氫脆」的現象，需要嚴格執行定期檢修。在材料選擇嚴格與耗損流失程度大之下，此部分成本過高，成為降低其市場競爭力的主因之一。
 

2.經濟效益與轉換效率仍待提高
 

以發電成本來估算，若無大量生產(超過10萬Nm3/h)，僅水電解製氫的成本便為一般能源的2-3倍。將上述變動的運輸或儲存成本計入之後，P2G整體技術的成本競爭力更難以達到商業化的進程，因此近年技術與市場僅有緩慢進展。
 

為了有效降低儲存與運輸成本，除了以供氫管線解套，將氫氣甲烷化與水電解製氫技術的提升也成為發展趨勢。然而，甲烷裂解過程所需高溫會使製程的管線與設備無法承受而損壞，致使便宜且有效率的催化劑仍在研發中；水電解製氫設備目前僅約47%的轉換效率，若要持續提升，系統的壓力、耐久性、穩定性皆須一同升級。由於上述技術發展速度不如預期，導致短期內難以獲得各國政府充沛的資源投入，技術發展進程與成本下滑速度呈現相互拖延之姿。
 

四、P2G全球市場展望
 

至2022年前，仍陸續有相關的示範運轉計畫進行，亞洲以日本、韓國與中國大陸為最積極發展氫能相關產業的地區，由於日本與韓國宣佈至2040年的戰略地圖且資源投注也相對較高，中國大陸也持續將燃料電池納入新能源載具的發展重點，預期亞洲地區可持續成為全球龍頭。然而，亞洲目前的發展皆以大規模的國家型補助支援氫能發展，此方式並非其他國家能輕易效仿；且其產業鏈主要建設於國內，如何向國際拓展，在全球建立價值鏈，皆有待觀察。
 

另一方面，歐洲與澳洲將鋪設天然氣混和氫氣的供氫管線為近期發展重點，試圖以網絡的型態擴大P2G與氫能供應鏈，其中英國與德國更進一步針對管線的排放標準進行相關測試與法規制定，若能順利擴大與加速建置計畫，未來全球發展板塊仍有變化空間。
 

五、結論
 

P2G技術乘著全球再生能源裝置量快速擴張的聲勢，可整合多種技術且較不受時間限制，可應用場域廣泛，前景看似十分遼闊；而主流技術尚未定於一山，吸引眾多單位投入，希望能搶得先機。但其技術要推進至商業化應用仍有相當一段距離，需靠政府提高長期支援力道，藉由技術提升拉抬市場需求，以利發電成本下滑及擴展其應用範圍。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)