202209-綠氫可否成為世界上最可持續的能源來源

綠氫可否成為世界上最可持續的能源來源？

2022年9月15日

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能量，如物理定律所述，既不能被創造，也不能被摧毀；它只能被轉換。這使得「可再生能源」一詞有點用詞不當，也許應該重新命名為取之不盡的能源。同樣的，這需要一些背景訊息的說明。從概念上講，將取之不盡的能源不斷轉化為有用的工作，似乎是比使用不斷自我再生的能源的想法更容易實現—而且完全地可以持續。

基於所有的實際原因，可再生能源往往是取之不盡的能源之代名詞。這些包括太陽、風和海潮。由於轉換能源需要更多的能源，因此使用一種有效地取之不盡的能源是具有可持續意義的，因為轉換的工作是否效率很低並不重要。

在一個可以根據供應來控制能源消耗的世界中，將自然能源轉換為工作將是最可持續的方式。但從很久以前，人類的聰明才智成功地利用了其他形式的可耗盡能源。這造成了對能源的依賴，而這種依賴只會隨著時間的進展而增加。因此取之不盡的能源供應目前就無法滿足這種需求；但，事情正在發生變化。

取之不盡的能源所帶來的問題

來自太陽、風或海浪的能源仍然不是我們唯一能源，其中的原因很複雜。可以說是技術還不夠成熟，或者是效率太低。其他如雲量和風的不可控制性，也是原因。

而成本更是一個無法忽視的重要因素。但是，就算我們暫時忽略它，問題也不會就這樣消失。能源的基礎建設隨著需求而發展。這包括了渦輪機（無論它們如何轉動）和牆上的插座之間的每個階段。需求是這裡的相關字，因為人們期望電力能夠依需求供應，而且是且充足的。

這將焦點聚集在具有取之不盡的能源的真正問題上：將其存儲起來，直到需要為止。作為一個連續的過程，有許多方法可以將這些能源轉換為電力。然而，我們還沒有開發出儲存原始能源的有效方法，因此必須將所產生的電力用掉或儲存。

電池技術是解決這個問題的明顯方法。有很多研究致力於開發能夠提供能量密度更高、洩漏更少和運轉更快的電池。與此相關的挑戰是眾所周知的，包括了對稀土金屬的需求或有毒化學品的使用。而開採這些材料也成為一項挑戰。

2021 年，美國能源部宣布了其 Energy Earthshots™計劃，迄今為止，該計劃包括三個項目：Hydrogen Shot™（2021 年 6 月 7 日發布）、Long Duration Shot™（2021 年 7 月 14 日發布）和 Carbon Negative Shot™（2021 年 11 月 5 日發布）。

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當在燃料電池中結合時，氫氣和氧氣會產生電和水，這使得電解槽成為系統中的關鍵部分。

相反地，Carbon Negative Shot鼓勵的新概念是以低於 100 美元/淨公噸二氧化碳當量 (CO2e) 的成本，大規模降低碳捕獲和儲存的成本。。Long Duration Shot的目標是在十年內將乾淨能源存儲10多個小時（使用鋰離子電池作為基準）的成本降低 90%。這個項目直接解決了上述挑戰，即儲存取之不盡的能源所產生的未使用電力。

三個當中的第一個項目，Hydrogen Shot，專注於在十年內將產生氫氣的成本降低到每公斤1美元。目前，美國能源部 (DOE) 表示，從可再生能源生產氫氣的成本約為每公斤5美元。該計劃由能源效率和可再生能源辦公室 (EERE) 下的氫和燃料電池技術辦公室 (HFTO) 負責。涵蓋了使用所有能源產生氫氣的所有方式，包括可再生能源和核能，而只有電解。

以氣體形式，氫氣相對容易儲存和運輸。最近，產生的大部分氫氣用於工業應用，而不是用作燃料。如果氫要成為主要的能源來源，就需要增加產量。在當今的氫經濟中，氫的產生並不是特別環保，因此使用現有方法增加產量，可能會加劇溫室氣體排放問題。

將依賴轉移到儲存的氫氣來產生的電力，只會將問題轉移到氫氣的產生上。因此必須儘快掌握氫氣的產生、儲存和運輸。

除了使用燃料電池產生潔淨電力（和水）外，氫氣也可以和其他氣體相同的方式燃燒並在渦輪機中使用。氫氣也有當作內燃機 (ICE) 燃料的潛力，但這是一種使用氫氣的效率較低的方式，並且在燃燒時會產生氮氧化物。

氫氣的顏色

今天大多數氫是從甲烷中提取的，甲烷也會釋放碳。這被稱為灰氫，但如果碳被捕捉和儲存，則被稱為藍氫。而在此過程中使用化石燃料的氫氣通常被稱為黑氫或棕氫。

如果使用的主要能源是基於核能的，氫通常是而明顯是可以稱為粉紅氫、紫氫或紅氫。一種相對較新的綠松石氫是使用甲烷熱解製成的，它會產生氫和固體碳。如果所需熱能來自可再生資源，這有可能成為一個低排放的過程；還可以更經濟地捕捉和儲存固體碳。

天然形成的氫有時被稱為金氫或白氫，但據信它不會大量存在或不容易找到和開採。剩下的氫是通過電解產生的，使用取之不盡的能源作為主要能源。這包括僅使用太陽能，稱為黃氫，或使用在此過程中不產生溫室氣體的可再生能源的任何組合，這就是我們現在所說的綠氫。

顏色	製造過程
白色	天然形成的氫(稀少)。
黃色	用於電解槽的電力僅來自太陽能。
綠色	用於電解槽的電力來自任何可再生能源，製造過程中不會產生碳。
粉紅色/紫色/紅色	電解槽所用的電力來自核能。
綠松石	製造過程基於甲烷熱解。這使用高溫而不是高壓。能源來源可以是但不限於可再生能源。
灰色	這個製造過程稱為蒸汽甲烷重整，是最廣泛使用的製造氫氣的方法。這會產生未被捕捉的溫室氣體。
藍色	類似於灰氫，但產生的碳被捕捉和儲存。
棕色/黑色	這種方法使用氣化從化石燃料中提取氫氣，這涉及在不點燃源材料的情況下提高來源材料的溫度。

儘管看不到，但氫有多種顏色。

綠氫漸成潮流

現在有許多公司開發技術來產生或使用氫作為潔淨能源的案例。透過綠氫，使用可再生能源為電解過程提供動力是有潛力的。然後可以將氫氣儲存起來並與氧氣結合，在需要時依需求發電。

從概念上來說，這可以形成一個利用自然資源發電來自給自足的系統。電解槽將是系統中的許多關鍵部件之一，具有多種形式，包括聚合物電解質膜 (PEM)、鹼性和固體氧化物電解槽。

若有豐富的水源，利用潮汐能從海水中來產生氫氣是相當合理的。潮汐制氫儲存及排放項目 (THyPSO)就是這樣運作的。Tocardo和HydroWing兩家公司合作來證明此一概念。平台存儲其使用雙向潮汐渦輪機所產生的氫氣。平台上最多可以儲存兩週的氫氣，直到通過加壓軟管將其轉移到排放運輸船中。

THyPSo 是在封閉系統中使用潮汐能和海水產生綠氫的概念驗證。氫氣儲存在平台上，然後由運輸船帶走。（來源：HydroWing）

電解槽技術

許多創新者正在研究新型的氫氣電解槽，但過程中通常會需要高壓直流電流。

如果使用電網為電解槽供電，則需要將其交流耦合併整流為直流。當中有很多選擇，但英飛凌推薦最簡單的一種，即晶閘管。與使用IGBT模組相比，晶閘管解決方案成本更低、複雜性更低，而且還提供高功率密度。作為線路換向裝置，相同的解決方案可以在任何線路頻率下運行，但會包含諧波。

另一種解決方案是將二極管整流器耦合到用於DC/DC轉換的 IGBT電路。這種方法將減少用於為電解槽供電的直流電中的諧波。同時還將提供更靈活的驅動器，以適應不同的操作模式或條件。但是，對於20MW或以上的高電流整流器，仍建議使用晶閘管。

安富利擁有英飛凌全系列的電源管理解決方案，涵蓋低功率和高功率。包括英飛凌採用PQFN封裝的OptiMOS™ 源極底置功率 MOSFET。這是翻轉封裝內的矽，因此源極通過導熱墊而不是漏極連接到PCB。其他低功耗解決方案包括StrongIRFET™ 和OptiMOS 5和 CoolMOS™ 功率MOSFET，以及CoolGaN™氮化鎵功率MOSFET。

高功率裝置包括英飛凌的IGBT EconoDUAL™、EasyPIM™ 和 EasyPACK™模組，由 EiceDRIVER™ 系列柵極驅動器 IC提供支援。這些模組受益於英飛凌的PressFIT™ 裝配技術，提供可靠的免焊功率模組安裝。