2006/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：曹芳海*、趙令裕、周桂蘭 ▓圖片提供：工研院能環所
「歐洲出現近20年來最嚴重的乾旱」、「中國、印度豪雨不斷，將發生嚴重水災」、「油價將自明天零時起再度調漲」如此的報導不斷在電視及新聞中出現，這些看起來沒有什麼關聯的事件，未來出現的頻率將越來越高，而且與人類大量開採、利用化石燃料有關。
化石燃料（Fossil Fuels，如石油、天然氣等）隨著使用量的快速成長，目前已知的可開採蘊藏可能在半個世紀內或更早告罄，而人類100多年來大規模使用化石燃料，大量的二氧化碳進入大氣層，把地表輻射熱擋在大氣層內，造成溫室效應引發全球性氣候變遷，增加極端氣候現象發生的頻率。
國家能源使用重點發展項目
有鑑於前述事項，由於氫能具有無污染、安全度高等特點，隨著能源供需及國際政經情勢的演變，已被國際能源總署（IEA）規劃為未來主要的能源利用型態，在2050年氫能預期將占最終使用能源（Final Energy Consumption）的50％。我國基於此一國際發展趨勢，在民國87年5月召開之「全國能源會議」即做成應積極推動新能源開發與提升潔淨能源容量之結論，並隨即於88年5月納入燃料電池與氫能利用技術發展規劃，並於90年全國科學技術會議及92年行政院科技顧問會議中，確定燃料電池與氫能利用列為我國中、長期發展重點項目。
不過做為一種新的能源，氫能除了必須面對其他能源的競爭外，還必須克服一些障礙，包括：可永續發展的氫能生產技術仍不成熟、氫能產銷體系還不存在、及有效率的氫能應用技術還不成熟。譬如以氫能發電為例，商業運轉之大規模氫能發電並非在短時間可以實現，主要因氫能發電所需之基礎建設相當龐大，恐非在短時間內能達成。由台灣能源的分析可以發現，能源使用主要可以供應端（發電裝置容量）及需求端（平均用電強度）來考量：
一、供應端（裝置容量比率）：參考技術發展預估氫能發電裝置容量與電力需求裝置容量之比率，以規劃台灣未來氫能發電需求；
二、需求端（發電量與人口比率）：以估算平均每人用電量中，為減少二氧化碳排放需求改以氫能發電比率，進而推估台灣未來氫能發電之需求。
4階段期程推廣氫能
氫能發電量之需求與設置除與人口數、民生活動、產業需求息息相關外，尚與氫能基礎建設之普及度有關，其中主要包括：產氫方式與地點、運送與儲存、輸配電系統整合等，而這些條件最終也會歸結到氫能發電成本上。就台灣目前的狀況而言，相關的基礎建設尚未啟動，氫能發電以目前發電廠原址擴充或汰舊方式是較為經濟之作為，即使如此，若全面推動仍須經過4個階段，即研發準備期、示範期、推廣期、全面氫能經濟發展期：
一、研發準備期（研究氫能發電相關系統）：研究開發氫氣運輸設備及運輸體系，並分析目前台灣輸配電系統之能源效率，中後期研究則建立小型氫能發電站示範系統。
二、示範期（氫能發電站示範系統）：前期選擇固定點（如郊區鄉鎮、科學園區等需自給發電者）示範氫能小型發電系統，後期評估示範系統縣市（如台北市、台中市、高雄市），開發氫能大型發電站及必需的電力輸配網路。
三、推廣期（都市發電系統轉化氫能）：前期由政府主導大型發電站建立，延用舊有電力輸配網路，後期開發台灣新輸配網路以提高電力能源效率。
四、全面氫能經濟發展期（氫能供電系統全面建立）：持續發電效率提升與輸配電系統併聯工程之進行。
其中前面3個時期，推估每個時期可能需要10年左右，才能進入最後的全面氫能經濟發展期。
而最有效率的氫能利用技術是燃料電池（Fuel Cells），只要氫氣持續的供應，燃料電池即以電化學（Electrochemical）方式將氫化學能轉換成電能與熱，總效益超越熱力學效率的限制。目前燃料電池技術以質子交換膜燃料電池（PEMFC）應用最為廣泛，發電同時會產生熱與水，最適合同時需要電及熱水的場所（如家庭、餐廳、旅館等），可以與目前的天然氣管線基礎設施結合（降低進入障礙），也可以使用純氫，未來推廣應用機會大。最近PEMFC更開始朝微小化發展，進步神速，未來也可能成為3C電子產品的電源。現在發電的能源種類已有很多種，但交通器具使用的能源仍以石油產品為主，未來供應及價格風險很高，因此混合動力或電動車輛開始盛行，PEMFC因電功率面積密度高，因此做為車輛動力也很適合，是目前電動車輛技術發展主軸之一。
擘劃氫能利用新藍圖
未來氫能的大規模使用將徹底改變人類的能源消費模式，其變化之巨，可比擬現在的數位科技改變人類的通訊習慣一樣。讓我們試想一下，若台灣自2015年開始導入氫能燃料電池汽車，假設至2050年達到全部新增的小客車都替換成燃料電池電動車時，我們口中的「加油站」將改稱為「加氫站」，由經濟模型的推演預測，至2030年氫氣將大幅取代汽油，不但降低了對汽油的依賴程度，同時因為高效率的氫能車也節省了運輸部門的能源使用，而氫氣的生產若來自煤炭氣化加裝碳捕捉技術或再生能源（如太陽光電或風電離峰電力產氫），對二氧化碳排放減量也將有相當大的貢獻。
總之，因為化石燃料的有限性及對能源需求的不斷成長，即使沒有全球氣候變遷的威脅，也一定要開發其他的替代能源，並且要更合理有效的使用能源。自主性能源的供應將會逐步成長，當其增加並逐漸普及（即在國內可普遍看到風力、太陽能發電、生質柴油車等）之後，傳統能源體系將與自主能源體系融合，而當大型氫能廠出現之時，也將是氫能與輸配電網路完全結合之際，人類也將正式邁入新的能源世紀。（作者為工研院能環所新能源技術組組長*、副研究員）