儲能技術：氫能是淘汰化石燃料的關鍵

2022/05/08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）。

歐洲各國天然氣儲存和使用量

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。

各燃料的能源密度（體積及重量）

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。

各種不同地下儲存方法。圖片來源：Storing Hydrogen

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

位於德國Nüttermoor的地下儲氣洞穴

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。

資料來源：國家發展委員會，臺灣2050淨零排放路徑及策略

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。