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生質能源:生質氫能

氫氣的熱值很高,每公斤可產生142百萬焦耳,是汽油的3倍,天然氣的3.5倍,燃燒時可產生較高密度的能量及水,不會產生溫室氣體,是一種潔淨的能源。
 
 
 
隨著工業發展與人口遽增,人類加速地消耗地球的資源,尤其是化石燃料與森林資源。已有學者指出,目前地球蘊含的能源中,石油大約可再使用 40 年,天然氣 60 年,煤炭 200 年。

此外,因大量使用化石燃料使空氣中二氧化碳濃度增加,已創下歷史新高,導致溫室效應惡化、北極冰帽急速溶解,以及全球氣候變遷,這些現象對於人類文明的永續發展十分不利。因此,世界各國都在積極進行新能源的研究開發,希望能發現以替代石油為主軸的能源結構。

氫氣的熱值很高,每公斤可產生 142 百萬焦耳,是汽油的 3 倍,天然氣的 3.5 倍,燃燒時可產生較高密度的能量及水,不會產生二氧化碳等溫室氣體,是一種潔淨的能源。如果能永續地生產氫氣,再配合安全有效率的儲存、輸送及利用,就可建立一個氫能永續運用的平台,把目前的「石油經濟」社會轉換為清潔且零碳排放的「氫經濟」社會。

由於目前氫氣的生產大多來自天然氣等化石燃料,如何從更環保的資源去取得氫氣,是氫經濟社會能否真正來臨前須先突破的重點。

如何生產氫氣

氫氣的生產方法有 3 種,分別是熱化學法、電化學法及生物法。熱化學法包括蒸氣重組法、煤炭氣化法及部分氧化法;電化學法包括電解法及光電解法。目前世界上氫氣的年產量超過 3,600 萬噸,其中 4% 是由電解水法得到,其餘是用熱化學法從石油、煤、天然氣等轉化製得。

熱化學法需要消耗大量的礦物資源及能源,同時會產生破壞地球的污染物,因此不利於未來的發展。電化學法產氫雖沒有污染的顧慮,但效率低、耗能高,且電極穩定性欠佳,並不符合經濟效益。

與前述方法相較,利用生物法產氫可在常溫常壓下進行,也可應用於廢水與廢棄物處理來獲得氫氣,同時有乾淨、節能、不消耗資源等優點,是一種符合永續發展的方法,因此引起各國的重視。

以微生物生產氫氣,可分為光合作用和非光合作用兩種。其中光合作用微生物需要光能來累積生長所需的能量,並以水或有機物產氫。在光合作用微生物中,有許多可在厭氧情況下產氫,其中以紫色不含硫細菌效率最佳,它以光為能量來源,把有機物質如有機酸、醣類等完全分解,並產生氫氣,這種反應稱作光發酵反應。

非光合微生物則藉由有機質厭氧發酵生產氫氣,因不需光源,所以稱作暗發酵反應。因此,暗發酵產氫是指厭氧微生物使有機質發酵時所伴隨的產氫作用,常被使用的厭氧產氫菌有梭孢桿菌屬、腸道菌屬等。在產氫發酵過程中,通常會伴隨乙酸、丁酸、乳酸、乙醇等產物。

由於暗發酵產氫與光發酵產氫的作用對象不同,但有先後關係,因此若能先利用暗發酵把巨大分子的多醣類分解而快速產氫,在這過程中生成的有機酸及醇類,再經由光發酵繼續分解,進行第二階段產氫。如此,不但可降低末端排放的有機物含量,也可減少廢水處理成本並增加氫氣獲取量,應是最佳的生物產氫策略。

氫氣的儲存與運輸

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,譬如如何把已儲存的氫氣供應給移動的車輛,或如何運輸至消費地點,如加氫站等。

氫氣的儲存方式有 4 種:壓縮儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫及奈米碳管吸附儲氫。國內外現行的輸送與儲存技術大多採用高壓氣體和低溫液體儲氫方式,但是近年來固態儲氫的技術逐漸受到重視。固態儲氫技術是以金屬氫化物儲存氫氣,它的原理是利用金屬吸收大量的氫氣,並且以金屬氫化物的形式儲存。由於氫和金屬氫化物之間的轉換是可逆反應,當外界有熱量施加於金屬氫化物時,它就會分解並釋放出氫氣。

用於固態儲氫的金屬大多是合金,用它們來儲存與輸送氫氣具有下列優點:體積儲氫密度高;不需要高壓容器和隔熱容器;安全性好,沒有爆炸的危險;可得到高純度的氫。目前研發成功的儲氫合金分成 4 類:稀土鑭鎳,鐵鈦合金,鎂系合金,以及釩、鈮、鉛等稀貴金屬。

如何利用氫氣產生能量

氫能的產生主要是直接燃燒氫氣及利用氫燃料電池發電,其中最被看好的是氫氣燃料電池的應用。一般燃料電池可分成 3 種:應用於運輸工具、小型發電機的質子交換膜燃料電池(PEMFC);應用於小型 3C 電子產品的直接甲醇燃料電池(DMFC);應用於大型發電廠的固態氧化物燃料電池(SOFC)。其中以 PEMFC 商業應用最為廣泛,且由於在發電時會同時產生熱與水,很適合應用於需要電及熱水的場所,如家庭、餐廳、旅館等。

另一方面,由於 PEMFC 的電功率面積密度高,很適合做為車輛動力,是目前電動車輛技術發展的主軸方向。近年來 PEMFC 也朝微小型燃料電池發展,但需要克服的關鍵技術是氫氣的攜帶量是否足夠。顯然,未來氫能源能否被大眾普遍運用,氫燃料電池的開發與進步是一個重要的關鍵。

未來挑戰

利用氫能源取代化石燃料是一個可行的方案,但需要時間建立以氫氣為主要能源的技術平台與基礎架構。氫經濟社會的基礎可由再生資源,如生質原料,做為氫氣生產的主要來源,而不需再依賴高污染的化石燃料。但重點是再生資源必須能產生足夠的氫氣,並有效降低生產成本至每公斤 2 美元以下,才具備經濟效益。

此外,還有兩個關鍵問題必須克服。第一,必須能建立高密度、低重量的儲氫設備,以及能安全運輸的氫氣配送網絡架構,且氫氣汽車的儲氫量須能夠行駛 300 英里(約 483 公里)以上。第二、必須開發效率高且價格合理的氫氣燃料電池,它的電廠造價要低於每仟瓦 30 美元。

雖然目前氫氣能源的成本尚屬偏高,也未建立成熟的氫能平台技術與基礎建設,但由於氫氣是最乾淨與理想的能源載體,因此仍是各界看好的未來能源主流。上述的技術瓶頸若能克服,則建構一個無碳的氫經濟社會是可以預期的。
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