儲能技術：氫能是淘汰化石燃料的關鍵
更新於 2023/09/04閱讀時間約 8 分鐘
今年（2022）二月英國的能源研究促進協會Energy Research Accelerator在倫敦舉辨了一日的大型氫儲能研討會（Hydrogen Storage in Caverns 2022）。會中除了討論各種地下儲氫技術，同時還討論了許多關相議題，例如：為什麼要用氫氣? 淨零能源系統需要多少儲氫?地下儲氫技術可行性和限制等問題。
現代能源供應無虞，建立在化石燃料的儲存
能源使用隨著時間一直改變。用電在一天內有尖峰和離峰時段，空調耗能在一年內因季節和天氣而有高有低。能源供應能夠滿足需求，除了能源供應上的彈性（如：電廠發電量隨需求改變），很重要的關鍵在化石燃料的大量儲存。
一個國家為了確保能源供應安全，一般會有安全儲存量，其量可供連續使用數週至數個月。其中石油和煤炭為液態和固態，較容易儲存，天然氣儲存則以常溫高壓（<200大氣壓）或是常壓超低溫（-160度C）。
以台灣一年使用約2400萬公秉油當量（相關於265 TWh）的天然氣來估算，儲存7天的天然氣使用量，相當於5 TWh的儲存量。然而，以台灣目前抽蓄發電裝置容量2.6 GW來估算，假設儲存量足夠供應4-8小時，相當於 10-20 GWh（=0.01-0.02 TWh）的儲存量。由此可看出兩者在儲存量上的差距。
歐洲許多國家使用天然氣作為冬天供暖的主要來源，會在冬天前儲存大量的天然氣在地下儲存設施，確保冬天有足夠的供應。從下圖來看，德國、義大利、法國、尼德蘭...等國家天然氣的儲存量約為全年使用量的1/3到1/4。
（2023/09更正）台灣在苗粟通宵有鐵砧山儲氣窖，可儲存約為40億立方公尺，其中墊底氣佔約一半（用來維持壓力，存入後不會再放出），主要用在尖離峰用氣量的調節。較長時間的儲存，還是以液態天然氣槽為主，目前儲存容量為15天，計畫在2027年增加至24天（參見台灣天然氣安全存量規範天數之研究）。
氫能：適合長時間儲能的選項
相對其它儲能技術，儲氫原料容易取得、能源密度高、穩定、大型儲存設備成本低...這些讓它適和用在長時間儲能。
淨零能源系統在不同時間尺度下，需要不同功能的儲能系統，例如：數秒內反應來穩定電網的供電品質（頻率、電壓...），一天內尖離峰調度，跨季節能源供應調度...等。
儲能技術依照原理可大至分成：機械能（抽蓄水力、重力、飛輪...）、熱能（熱水、高溫熔鹽、液態空氣）、電化學（電池）、電子（電容）、化學（氫能、化石燃料）...等。
其中化學儲能的能量密度高（同樣重量/體積下能儲存更多能量），且長時間儲存下的損失較少，適合需要長時間而大量儲存的應用。其中氫能是目前最可能用在大量儲能的技術。
氫能的重量能源密度比傳統化石燃料高，但體積密度比較低，所以要更大的空間來儲存相同的能源。然而，氫能和其它常見儲能技術相比（如：鋰電池），能量密度高很多，因此被視為最可能取代化石燃料的選項。
氫能的優點有：原料（水）容易取得對環境影響低、大量儲存設備的單位儲能成本低（電池約150-300 $/kWh、儲氫約2-10 $/kWh）。因此大多淨零能源系統的模擬結果，都是以大量氫能做為跨季節或是年度的長時間儲能技術。
然而，氫能有許多缺點，其中一個是能量損失大。從利用再生能源製氫（電解水）、傳送（管線、槽車）、儲存（加壓、液化）、到最後使用（氫鍋爐、燃料電池、氫渦輪...），約有40-70%的能量會損失掉。相比之下，直接使用電能（不儲存）的能量損失可能只有5-25%。
改用氫能的挑戰是，現有的（天然氣）設備不適用氫氣，從製造、儲存、運輸、到使用，都要有一定程度的更換。大規模的設備更換要時間和成本，所以近年部份國家在汰換天然氣設備時（如：管線和鍋爐...），開始採用可切換使用氫能的設計。
地下鹽洞可存大量氫氣 作為季節性儲能
地下鹽洞可用來儲存大能的氫能，用來增加能源調度的彈性。研究指出，歐洲的鹽層有儲存84,800 TWh氫能的潛力（註：德國2020年的總初級能源使用約為3,360 TWh）。
地下鹽洞可透過將水打入地下鹽層，再將鹽水抽出來產生鹽洞。平均一個鹽洞的直徑可達60公尺，高300公尺，可加壓至175 bar，其儲存量約 300 GWh（明潭抽蓄發電廠 儲存容量約 3-6 GWh）。美國和英國已使用地下鹽洞數十年，主要用在儲存天然氣、原油、或氫氣。
雖然地下鹽洞的儲存壓力比一般高壓儲氫容器（350-700 bar）還低，但是其儲能容量成本只有2-10 USD/kWh，比高壓容器（15-50 USD/kWh）低的多。然而，此技術的主要限制在需要滿足特定地質條件，不是所有地區都適用（台灣似乎沒有適合的地質）。另外，地下鹽洞只能在一定的壓力範圍下操作，造成有1/3的氣體會無法取出使用。
大型地下儲氫系統的發展
今年的地下儲氫研討會Hydrogen Storage in Caverns 2022邀請了不同領域的相關企業及研究單位來演講，內容包含：能源系統分析模擬、地下工程設計、地質探勘及模擬...等。下面大概介紹各演講主題：
- 蘇格蘭能源公司SSE Thermal和挪威能源公司Equinor合作，在英格蘭北部Aldbrough建造全球最大的地下鹽洞氫儲系統，儲存容量可達320 GWh，預計2028年完工。
- 德國的地下工程公司DEEP.KBB，討論將現有的地下天然氣儲存洞穴改成儲氫，會遇到那些技術上的問題，這可減少未來天然氣轉用氫氣的成本。
- 英國的工程建築公司Arup，介紹地下岩石洞儲氫技術，以及在瑞典北部的呂勒奧（Luleå）的計畫。這是瑞典零碳製鋼計畫BYBRIT的其中一部份。
- 伯明翰大學和倫敦大學學院UCL的學者，利用能源系統資料分析和能源系統模擬，來分析儲氫在能源系統中的角色，並利用全歐洲的能源系統模型來模擬計算，未來英國儲氫的需求量可超過100 TWh。
- 英國的工程建築公司Atkins介紹了離岸地下儲氫計畫（英國外海有四個相關計畫），以及技術上和選址下有那些重要參數。
- Teesside University的學者研究地下鹽水層儲氫系統，利用模擬和計算來研究其系統的可能設計和運作。
- 英國地質調查局British Geological Survey分析地下儲氫的地理可性性和限制。
從這次研討會內容可看出，目前大型地下儲氫技術還在商業化的前期，未來會有更多的示範計畫來學習經驗。
註：當天活動影片和投影片可到官方網站下載
氫能在台灣的角色
在地再生能源不足大量生產綠氫，氫能主要來自進口
從今年（2022）3月底國家發展委員會發布的臺灣2050淨零排放路徑及策略，到2050年約有60-70%電力來自再生能源，9-12%的電力來自氫能。在自產能源比例還不足八成的情況下，這些氫能很可能是來自國外的進口（參見今年二月日本完成全球首次液氫海上運輸，從澳洲進口液態氫氣），只有部份會是利用多餘的再生能源製造的。然而，到時國際上有多少低碳液氫可進出口，還有很多變數。
另外，台灣不像緯度高的國家，在冬天前要儲存大量燃料來因應供暖的需求，因此氫能儲存的需求不會太大。大部份的天然氣將會是由電氣化來取代，除了工業製程和交通載具之外，住家的瓦斯爐主要會被電爐取代。
註：需要的儲氫容量可透過模擬計算來預估，然而目前筆者還未看到台灣有相關的研究。
結語
在淨零能源系統中，氫能將取帶傳統化石燃料，扮演確保能源供應（國家能源安全儲存）的角色。然而台灣氫能的來源，主要還是在進口。要有更多在地的再生能源，才能生產更多的綠氫，進一步減少進口氫能的依賴。
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核電廠是使用核分裂產生能量，即是透過將重核（如鈾、鈽等）的原子核分裂成兩個較輕的核，在過程中同時釋放大量能量來達到發電的目的。
核融合就正好相反，它會將輕元素（通常是氫同位素）的原子核合併成更重的核，藉此釋放出巨大的能量來發電
政策｜大方向
地熱因為不受天候影響，可以二十四小時穩定發電，不需燃料且占地面積小，是2050年淨零碳排策略中，要大力推動的前瞻能源。
政府原先預計2025年地熱發電要達到200MW， 2022年為止只達到5MW，能源局計畫將目標下修到20MW。
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太陽能電池的原料是硅（矽）。硅是一種相對便宜且取之於土壤中的沙子和岩石等原材料，因此相當豐富。然而，太陽能電池需要高純度的硅，這就需要龐大的電力和設備完善的工廠，因此成本相對較高且不可估量。因此，一些不使用硅的化合物太陽能電池和有機太陽能電池等技術正在不斷發展。雖然這些新技術的原料成本較高，轉換效率
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這個容量取決於太陽能發電系統的設備和結構，為了理解它，需要了解一些重要的基本概念。但是跟水壓、水流不同的是，電壓、電流是抽象的形容且我們的
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