綠色能源與材料科技 (三): 氫能

綠色能源與材料科技 (三): 氫能 

二、氫能

氫能廣義來說包括水力發電，而水力發電是目前人類社會應用最廣泛的可再生能源，在2016年高達16.7%。據以往長期研究顯示，以大壩儲水發電造成的問題包括大壩造成的環境會產生大量的溫室氣體甲烷，而大壩對原有環境的破壞是永久而不可逆轉，但發電功能的壽命卻是有限，同時建造位置也受地理因素限制。目前全球水力發電總量雖仍在增長中，但由於其他綠色能源的快速開發，使其在全球可再生能源所佔比重不斷下降。

未來氫能源發展重點會是在產生氫氣方面；氫氣在一般條件下單位體積能量密度很低，但以單位質量而言，能量密度極高，部分是因為其低分子量。氫電池利用氫氣經過化學反應後產生能量，是燃料電池的一種，它不但不會產生廢氣污染環境，而且也可以儲存能量，每公斤高達1.4億焦耳。它可用其他綠色能源來製造，容易儲存，氫燃料電池是未來大量使用受天候變化影響的太陽能與風能電網必備關鍵組件。

氫能經濟

氫燃料電池剖面圖

氫燃料電池是大量再生能源電網一環

氫能車用燃料電池的效益高過許多內燃機。內燃機效率頂多有20–30%，而最差的燃料電池也有35–45% 效率 (通常都高很多)，再加上相關電動馬達和控制器的耗損，最後純輸出能量最差也有24%，而內燃機則是更低得多。但純氫氣在製造後，必須加壓或液化，以提供足夠的驅動範圍，需要更多地使用外部能源動力壓縮，而且需用不輕的容器罐（壓力容器），在車用時又須經過電解。另一方面，充電鋰電池車純輸出能量高達60%以上，單位里程成本較低，但由於電池較重，車載電池量受限導致可行駛里程較短，充電時間又相對長，與氫燃料電池車各有勝場與缺點。以目前市況來看，鋰電池車已開始起飛，氫燃料電池車則尚在起步階段。

氫能效率

各種動力車能源效率

製造氫氣可用各種能源，在2018年全球產氫利用能源中，煤炭、天然氣、化石燃料副產品分別占16%、41.9%、40.9%，而綠色能源只占0.3%，未來必須大幅增加利用綠色能源，例如利用太陽能與風能，如此產生的氫氣稱為綠氫，其他依產氫所用能源或方式不同分類，還有黑氫、褐氫、藍氫、灰氫等。

全球產氫所用能源比率

在利用綠能產氫方面，電解水是目前主流方法，但能源效率為70%，也就是每用一度電，只能回收0.7度電，在節能方面並不划算；不通電而直接利用太陽光裂解水分子，可算無本生利，但產氫效率低，需要用到光催化材料來增加效率，如何開發適當光催化材料是現在研究的重點。

電解水是產氫主流方法

催化太陽光裂解水

以通過能帶隙調控和金奈米粒子修飾的 ZnxCd1-xS 奈米線為例，在模擬太陽光（加 AM1.5G  濾光片）下裂解水製氫，具有優良光催化性能。實驗顯示，與ZnS 和 CdS 奈米線相比，x = 0.5 的 ZnxCd1-xS 奈米線光催化劑對產氫的光催化活性要高得多，可歸因於 ZnxCd1-xS 奈米線的恰當能帶隙寬度和導電帶邊緣電位。另一方面，如通過用適當尺寸和分佈的金奈米粒子修飾 ZnxCd1-xS 奈米線，以在可見光和近紅外區域誘導局部表面等離子體共振，產氫效率可進一步顯著提高。研究成果代表以完全綠色的新穎方法提高水分解中產氫效率的重大進展。(略)

利用太陽光裂解水分子

氫能經濟的障礙是很多氫設備要大量使用才有成本效益。同時氫氣運送管線成本很高昂，需要大量的管線基礎建設投資才能儲存和分配氫氣到末端用戶；另外氫氣易燃並可能導致爆炸，確保安全至為重要，連帶增加使用成本，同時目前電解製氫和燃料電池科技仍有諸多問題待解決，在此前提下，氫氣不見得是長期來看最便宜的能源。

由於到公元2050年，要避免溫室氣體造成全球無法忍受的災難，綠色能源占比須達到70% 以上，而以技術較成熟的太陽能與風能合佔三分之二，但這兩種能源都受天候影響，必須有約百分之二十的備用電源才能有穩定的電網；前美國能源部長以及諾貝爾物理獎得主朱棣文曾預測，要達到此目標，電池技術將不實際，但如在電化學產氫上有所突破，而能將氫氣妥善儲存於地下，則情況會大為改觀；由此觀點，地球的未來將繫於產氫與儲氫技術的超越性創新，也是材料科技很能發揮的地方；時不我予，需要全球加緊通力合作。同時即使在目前，利用太陽能或風能發電尖峰時，也有發電過剩浪費問題，因此用來產氫也有助於避免浪費而儲能與其他應用。

儲氫有潛力長期儲存大量能源

利用再生能源產氫

另一方面，抗衡氣候變遷全球間歇性綠色能源的永續利用可能的「續命丹」是核能，核能發展近年來受全球性反核運動影響遇到很大的阻礙，安全性備受質疑，是否屬於綠色能源頗有爭議；但核能技術本身也在不斷改進中，由倡導與施行節能減碳措施領先的歐盟，正積極研議將核能劃歸綠色能源來看，未來核能有可能在氫能應用尚未成熟開發之前，作為人類抵抗災難性溫室效應解方之一。