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【潔能講堂】台灣氫能應用與發展策略 / 萬皓鵬 副所長

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January 29, 2023
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【潔能講堂】台灣氫能應用與發展策略 / 萬皓鵬 副所長

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  1. ©ITRI. 工業技術研究院著作 3 國際趨勢 - 氫應用及製造 • 因應2050年淨零排放趨勢,IEA指出全球氫氣供應量將超過5.3億噸 / 年

    • 氫氣可為終極潔淨能源,各國視為達成淨零排放或碳中和願景重要選項 • 氫應用以工業(鋼鐵/石化等)、運輸、發電等市場為主 • 綠氫生產需要大量再生能源電力,預期在2040年後供應大幅增加 淨零排放下之氫氣來源 氫氣應用部門趨勢 資料來源: IEA, International Energy Agency (2021) 註: 管線應用,為將氫氣注入天然氣或使用氫氣專管,再使用於各種應用 Mt H2 Mt H2 ▄ 煉油 ▄ 發電 ▄ 建築供暖 ▄ 工業 ▄ 燃料氨製造 ▄ 管線應用 ▄ 運輸 ▄ 合成燃料 ▄ 化石燃料 ▄ 副產氫 ▄ 化石燃料(有CCS) ▄ 低碳電力電解
  2. ©ITRI. 工業技術研究院著作 4 各國發展目的及應用 • 截至2022年06月,全球共有31個國家及地區發布氫能戰略 • 日本、韓國以減碳與產業並重為主,其中日本採氫氨並行發展 • 歐盟、美國以減碳為首要目標,擴大產業應用為手段

    • 澳洲則著重氫氨出口 • 臺灣短中期以能源及工業低碳化應用為主 淨零碳排目標年 2050 2050 2050 2050 2060 2050 2050 發展 策略 減 碳 能源低碳化   O  O O  工業低碳化 O   新 商 機 氫氣製造產業 O (技術國外應用) O  氫氣應用產業   O O O O 運用場域 • 運輸 • 發電(備用) • 供暖/熱 • 工業原料 • 運輸 • 發電(電廠) • 運輸 • 工業原料 • 供暖/熱 • 運輸 • 發電(備用) •運輸為主 •氫氨出口 •運輸 •發電、工業 為主 日本 美國(加州) 歐盟/德國 中國大陸 澳洲 韓國 註:O 為有涉獵;為發展氫能的重點 臺灣 資料來源:BloombergNEF(2022);工研院整理(2022)
  3. ©ITRI. 工業技術研究院著作 現階段各國氫經濟重要關鍵發展情形 5 川崎重工打造之液化氫運輸船 • 日澳政府共計投入5億澳幣 (約103億新台幣)進行國際液化氫航運示範 • 2022年2月已由澳洲載回首批液化氫返日本

    • GE公司已完成485MWb複循環燃氣 機組已於2022年3月完成混氫5%示 範,下階段將進行混氫20%試驗,並 規劃於2030年實現氫氣專燒 美國Long Ridge電廠 韓華集團於工業園區建立全球最大 副產氫燃料電池發電廠(大山綠色 能源電廠)。年發電量約400 GWh,約可供應16萬戶家庭用電 。已於2020年6月商轉營運 韓國主要大型燃料電池公司 有斗山 (Doosan)、浦項能源(POSCO) 、Bloom SK fuel cell等,截至2020 年韓國國內已建置約432.6MW 日、韓、美、澳等主要國家皆已投入大型示範計畫 臺灣發展氫能的必要 資料來源:工研院氫能小組,2022 國際氫氣供應 ─ 試運行中 大型集中式發電 ─ 混燒進入商業化運轉 分散式發電 ─ 進入商業化運轉 5
  4. ©ITRI. 工業技術研究院著作 我國氫能發展現況-國內定置型燃料電池推動現況 6 • 2009~2013年推動燃料電池系統產品示範,其中以備援電力應用最具成效,並建立國內產業雛形 • 2015~陸續導入利基產品應用643 kW、定置型發電系統示範驗證172 kW

    2009 ~ 2013 (共412 kW) 2017~ (共571 kW) 定置型發電系統示範 (Phase 2) 2015~ (共244 kW) 利基產品導入應用  2009 ~ 2013 定置型裝置量共72套 /412 kW 2015~2020 利基應用:基地台共 229 kW 2015~2018 利基應用:鐵路號誌15 kW  2017~其他定置應用場域 利基應用:如社區備援電力共 399 kW (NCC補助127kW)  2018~ 能源局(定置型發電驗證) 補助共172kW (含廠商自建94 kW) 412kW 2009 ~ 2013 2015 ~ 2020 2017 ~ 229 kW 15 kW 172 kW 399 kW 推動系統產品示範 (Phase 1)
  5. ©ITRI. 工業技術研究院著作 我國氫能發展現況-經濟部氫能推動小組發展方向 經濟部氫能推動小組 (召集人:曾政務次長) 國營會 工業局 技術處 能源局 能源局

    (秘書處) •氫能策略擬定 •氫能發電政策研擬 •氫能基盤技術 開發 •跨領域氫能技 術開發 •國內產業氫能減碳推動 •氫能產業發展 •其他產業氫氣應用 台電 中油 中鋼 •混氫燃氣發 電應用導入 •氫氣來源開發 •氫氣基礎設施 (如加氫站) •氫氣煉鋼製 程產業應用 •國營事業 減碳規劃  為推動氫能發展,落實減碳規劃,經濟部成立氫能推動小組。  推動方向: 7  以能源發電、工業製程用氫低碳化為主  國際資訊交流,並評估氫氣供應與基礎設施 智庫幕僚 工研院
  6. ©ITRI. 工業技術研究院著作 我國氫能發展現況-氫供應與基礎設施發展方向 中期 長期 短期 氫 供 應 氫

    基 礎 設 施 海外進口藍氫、綠氫 逐步擴大自產綠氫 建設基礎設施 (液氫接收站) 再生能源 電解設備 + 評估基礎設施 示範場域地點 9
  7. ©ITRI. 工業技術研究院著作 10 工研院「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」 • 本藍圖由工研院內各領域專家共同執行, 規劃流程如右圖所示 • 執行過程舉辦多場國內(包括國營企業、氣 體廠商、發電業、車輛相關等)、國外(日

    本、澳洲)氫應用技術發展訪談、交流與諮 詢,合計超過30場次 • 規劃考量及範疇說明: – 考量臺灣國情、國際發展等,本技 術藍圖規劃,將同時考量氫氣、氨 氣應用規劃 – 藍圖中各項發展及技術規劃,暫不 列入TRL較低、較不適合我國發展, 或較無大規模應用可行性等項目 國際氫應用發展趨勢 臺灣氫應用技術發展現況及缺口分析 臺灣氫應用產業技術發展藍圖 聚焦項目 KSF KPI 臺灣氫應用產業技術發展策略 PEST SWOT SO/WO/ST/WT 臺灣推動氫應用初步建議 臺灣2050氫應用整體發展願景 氫應用標準及法規      
  8. ©ITRI. 工業技術研究院著作 11 臺灣2050氫應用發展願景初步規畫 台電345 kV Transmission Line 國道1號、3號 載具用大型加氫站

    氫應用園區 南部 工業減碳園區 北部 氫氨專燒發電園區 中部 再生能源 產氫與發電園區 氫能載具 氫應用特色園區 推動氫應用 考量未來氫氣運輸、區域特色及人民 感受,規劃以臺灣西岸建立不同功能 特色的氫應用特色園區 以減碳為主要目標,相關產業發展為輔 發電低碳化:低碳/零碳排電力 工業低碳化:鋼鐵業、石化業、半導體等 運輸低碳化:氫能交通載具(以中大型為主) 2050年除北中南特色園區外,視氫氣供應、發電廠位置 等因素,亦可能有不同區域應用及加氫站設置等(如中部 、南部氫氣發電應用;再生能源產氫及藍氫等發展) 推動氫應用 • 北部:既有電廠原址(具環境及輸配電優勢),規劃 新設氫/氨專燒發電園區 • 中部:配合離岸風力發電發展,規畫綠氫生產/ 氫能儲能、發電園區,穩定電網及其他應用 • 南部:搭配既有工業(石化、鋼鐵)聚落及既有天然 氣接收站,規劃重工業減碳園區
  9. ©ITRI. 工業技術研究院著作 12 • 2050年氫氨需求總量約750萬噸,其中氫約435萬噸、氨約315萬噸 – 應用面:發電(氨約315萬噸、氫約241萬噸);工業(176萬噸);載具(18萬噸) – 供應面:自產藍綠氫約110萬噸、進口藍綠氫約325萬噸;進口藍綠氨約315萬噸 –

    總減碳量約37百萬公噸(發電15百萬噸、工業20百萬噸、載具2百萬噸) 臺灣2050氫氨需求及供給初步評估 集中式發電 (238萬噸, 98.8%) 分散式發電 (3萬噸, 1.2%) 發電應用 241萬噸 工業應用 176萬噸 載具應用 18萬噸 100 200 發 電 工 業 工研院 2022.06 盤點規劃 載 具 300 ( 萬 噸 / 年 ) 需 求 量 發電應用 315萬噸 400 氨氣 氫氣 500 進口氫氣 (325萬噸, 75%) 自產氫氣 (110萬噸, 25%) 註1:本預估以國發會發佈2050淨零排放路徑 之氫需求為基礎進行推算 註2:自產氫氣初步評估約110萬噸,初估自 產綠氫70%、藍氫30% 。未來需視綠 電、碳捕獲封存再利用(CCUS)發展 而滾動調整 大貨車 (12.2萬噸, 66.3%) 小貨車 (1.4萬, 7.6%) 小客車 (3.3萬噸, 17.9%) 堆高機 (0.1萬噸, 0.5%) 大客車 (1.4萬噸, 7.6%) 煉鋼 (74萬噸,42%) 煉油 (48萬噸,27.3%) 碳循環 (41萬噸,23.3%) 電子業 (5萬噸,2.8%) 石化製程燃料 (8.4萬噸,4.6%)
  10. ©ITRI. 工業技術研究院著作 氫能-技術發展藍圖-發電/工業/載具應用 13 短期(2030) 中期 ( 2040 ) 長期(2050)

    混燒發電運轉示範 氫/氨專燒機組商 轉 中長途、商務載具評估與示範運行 車隊運行、國產組件導入 擴大商務與產業運輸應用 關鍵組件開發,加氫站系統整合及示範 配合應用擴大佈建 MW級分散式發電系統商轉 擴大產業應用 混燒技術評估與測試 發電應用 定置型大型發電 分散式發電 工業應用 工業製程 系統示範驗證 載具應用 交通載具 基礎設施─加氫站 工業餘氫回收純化商業運轉 氫/氨專燒機組商轉 低碳煉鐵、直接還原鐵/碳循環示範驗證 碳循環材料商業運轉 工業餘氫回收純化技術發展與示範 噴氫取代、鋼化聯產與碳循環技術發展 全氫直接還原鐵製程商業運轉 • 引進混燒技術進行機組發 電 驗 證 , 混 燒 比 例 5%~20% • 逐步擴大導入機組, 視料源供給情況,提 高混燒比例5%~50% • 燃氣機組轉型為氫專燒機組 • 燃煤機組轉型為氨專燒機組 (備用) • 汽 電 共 生 機 組 轉 型 為 天 然 氣 鍋 爐 + CCS/碳中和天然氣 • BF+COG+DRI+BOF • 減少煉油20%+藍氫導入 • 鋼化聯產甲醇/甲烷(藍氫) • BF+75% H2 +DRI+EAF • 減少煉油60%+綠氫導入 • 鋼化聯產甲醇/甲烷(綠氫) • BF+75% H2 +DRI+CCS • 減少煉油90%+綠氫導入 • 鋼化聯產甲醇/甲烷(綠氫) BF:Blast Furnace;BOF:Basic Oxygen Furnace;COG:Coke oven Gas;DRI:Direct Reduction Iron;EAF:Electric Arc Furnace;CCS:Carbon Capture Storage • 2030年客運(公車)全面電 動化 • 燃料電池商用車車隊示範 運行 • 加氫基礎設施結點佈建 • 加氫服務費用具競爭性 • 新 掛 牌 道 路 用 車 全 電 動 化 Well-to- wheel零排碳 • 高載重車輛、長途行駛車輛、高運轉 率車輛為氫能燃料電池動力
  11. ©ITRI. 工業技術研究院著作 氫能-技術發展藍圖-氫氣供應/氫能示範園區 短期(2030) 中期 ( 2040 ) 長期(2050) •

    氫氨氣供應量38.73萬噸 • 國內自產灰氫34萬噸,並 搭 配 碳 捕 獲 封 存再 利 用 (CCSU)生產藍氫4萬噸 • 氫氨供應量481萬噸 • 擴大液氨進口基礎建設 • 完成氫氣接收站及儲能 整合示範,開始進口 • 氫氨供應量750萬噸 • 進口氫氨透過國際合作 確保供應穩定 • 自產藍綠氫配合綠電及 CCSU發展 • 示範型加氫站 • 評估液氫接收站/儲槽 • 評估增設液氨接收站/儲槽 • 儲氫氣瓶量產技術 • 加氫站示範擴大 • 開始液氫接收站/儲槽 • 增加液氨接收站/儲槽 • 儲氫氣瓶量產技術 • 加氫站普及 • 新增液態氫接收站/儲槽 • 增加液氨接收站/儲槽 • 儲氫氣瓶量產技術 氫氣供應 氫氣生產/氫氨進口 基礎設施─氫氣運輸 接收站 自產藍氫、氨/氫進口 自產綠氫、氫/氨大量進口 混氫輸送、純氫管線示範驗 證 建立完整氫氣輸儲體系 進口接收站建置商轉 小型接收站示範 接收站與儲槽整合示範 整合型液氫/氫氣運儲系統 儲槽焊接技術及材料開發 混氫管線評估、示範 電解/副產氫/進口技術評估與驗證 氫氣進口接收站設置評估 北部氫發電園區 南部工業減碳園區 中部綠氫生產園區 氫能園區 再生能源電解產氫量產化 再生能源整合示範、小規模商轉 評估/引進國外關鍵製程與設備 碳循環新材料產業聯盟技術示範 擴大國內工業製程轉型 發電園區示範運行 擴大示範、商業運轉 場域規劃、技術引進、氫進口評估 國內高效產氫技術研發 基礎設施─液氫/氫氣 儲存槽 14
  12. ©ITRI. 工業技術研究院著作 2050氫應用園區初步規劃-北部氫氨專燒發電園區 15 推動 作法 • 國際合作發展氫發電技術,包含氫/氨專燒發電、高效率燃料電池 • 完善氫發電場域法規及碳費配套機制,以加速技術商業化時程

    • 氫/氨專燒:北部電廠導入氫/氨專燒機組,平衡電力缺口(另中、南部電 廠導入氫專燒機組) 應用 主軸 願景: 既有電廠轉型為氫/氨專燒發電園區,氫發電占比全國發電 9-12% 國際運輸 液化氫氨接收裝載 國內(陸上)運輸 電廠發電運轉 液氫儲槽 建置 (台)氣體/化工廠等 (國際)造船與海運 等公司 (台)氣體供應商/基礎設施建置廠商等 (國際)氣體大廠/以重工業為主之大型企業 /大型燃氣商社等 (台)電力業者等 (國際)跨國能源及相關 設備機器製造業者等 (台)氣體/化工廠等 國際產業合作、穩定氫氨供應 電廠專燒/混燒發電 氫氨氣來源 (台)氣體廠等 (國際)大型化學 工業公司/大型 綜合商社等
  13. ©ITRI. 工業技術研究院著作 2050氫應用園區初步規劃-中部再生能源產氫園區 16 電解系統 加氫站 氫應用示範 (台)電解系統業者等 (台) 發電應用:電廠/燃料電池業者等

    工業應用:鋼鐵/化工/煉油/石化業者等 載具應用:氫能載具/相關零組件業者等 (台) )氣體/化工廠等 再生能源電解產氫 發電、工業、載具應用示範 • 推動再生能源與氫應用整合技術,包含高效電解綠氫及輸儲技術 • 整合氫能整體解決方案(Total Solution),輸出國際,掌握綠能產業外銷 在地RE來源 (台)再生能源運 營業者等 綠氫園區內輸儲 (台)加氣業者/氣 體廠等 • 再生能源高占比註2:風電及太陽光電占60-70% • GW等級電解產氫廠-應用於中部發電廠、交通載具、工業區及汽電共生 高壓氫氣儲槽及輸送 註1:2050自產氫以綠氫為主,藍氫為輔。生產藍氫以成熟的天然氣重組(SMR)為主,搭配碳捕捉及封存(Carbon Capture and Storage, CCS)技術。中部濱海鹽水層是臺灣主要的CCS潛力場域,接近中部氫 能園區,可以共用基礎設施 註2:參考國發會訂定之再生能源2050發電量占比,2050再生能源裝置容量預估係依據經濟部去碳工作圈技術審議會議考量設置場域限制、轉換效率、政策誘因、應用類別等因素,訂出裝置容量範圍 註3:RE:Renewable Energy 推動 作法 應用 主軸 願景: 中部濱海區域註1設立再生能源產氫園區,提供國內自產綠氫來源
  14. ©ITRI. 工業技術研究院著作 2050氫應用園區初步規劃-南部工業減碳園區 17 • 協助排碳大戶導入氫應用技術:氫能煉鋼、COTC註1、鋼化聯產、碳循環 • 地方政府結合產業特有屬性,發展特色氫運用、提升當地減碳經濟 • 鋼鐵業低碳化:鋼鐵業高爐混氫生產低碳鋼鐵與氫直接還原鐵

    • 石化業低碳化:石化業藍綠氫生產及應用、應用捕捉的CO2 /CO生產石化 原料(如:甲醇、甲烷、醋酸等) 註1:COTC:Crude Oil to Chemicals 推動 作法 應用 主軸 工業餘氫 供應 液化氫氨接收裝載 碳循環、氫能煉鋼 (台)製造業/石化 業/重工業/電子 業等 (台)氣體/基礎 設施業者等 (台)鋼鐵/化工/煉油/石化業者等 (台)氣體/化工廠等 氫氣供應、工業餘氫分離純化 工業應用示範 進口氫 自產藍綠氫 (台)氣體業者等 工業園區內氫氣輸儲 液氫儲槽 建置 氫氣 純化 (台) 氣體或燃 料電池業者等 願景: 南部工業區設立工業減碳園區,發展特色氫運用,提升減碳競爭力
  15. ©ITRI. 工業技術研究院著作 18 • 各項應用及氫氨供應,以短期評估驗證、中期示範運轉,長期導入正式商業 應用為原則 • 近期 (2022-2030) 臺灣應考慮投入之技術發展如下:

    近期關鍵技術發展重點建議 3 1 2 氫氨應用 • 混燒氫氣與氨氣示範驗證(發電、鍋爐) • 創新氫氣低碳化製程開發(鋼鐵業、石化業等) • 氫氨分散式電力與氫氣載具系統示範應用 基礎設施與環構配套 • 氫氨輸儲基礎設施(如加氫站、接收站、管線) • 高密度儲氫瓶 • 流量計量標準、氫氨品質計量標準與檢測認驗證 • 氫氨安全與性能檢測認驗證 氫氨供應 • 高效率電解產氫技術示範驗證(如電極材料、電堆及系統) • 化石燃料搭配CCUS註1產藍氫示範驗證 • 資源回收物質分解產氫 • 國際合作確定氫氨來源無虞 註1:CCUS: 碳捕獲封存與再利用
  16. ©ITRI. 工業技術研究院著作 19 氫應用技術研發主軸項目建議 ▲國外技術引進 ▄部分技術國外合作 國內自行研發 A. 發電應用 B.

    工業應用 C. 載具應用 A1. 氫混燒/ 專燒燃氣發電 A1-1.運轉及維護技術 ▲ B1. 高爐混氫 還原鐵 B1-1 爐氣回收純化技術• B1-2 高爐氣體注入技術• B1-3 能源整合技術• C1. 氫能商用車平台 C1-1. 車用混成電力控制系統• A2. 氨混燒 燃煤發電 A2-1.運轉及維護技術▲ B2. 碳循環技術 B2-1 碳捕捉純化技術• B2-2 甲醇轉化觸媒技術• B2-3 甲烷轉化觸媒技術• B2-4 高效率分離技術• B2-5 煉化一體技術▲ C2. 氫能商用車 關鍵組件 C2-1.車用大功率動力燃料電池系統• C2-2.車載氫氣供應系統▄ A3.氨混燒/ 專燒工業鍋爐 A3-1. 氨混燒/專燒鍋爐 • A3-2. 氫混燒/專燒鍋爐 • A4. 燃料電池 模組技術 A4-1.高功率PEMFC註1電池模組• A4-2.可逆式SOFC註2電池模組• B3 豎爐 氫還原技術 B3-1. 豎爐氫直接還原▲ D. 綠氫生產 E. 基礎設施 D1. AEM註3膜電解技術 D2. SOEC註4產氫技術 E1. 氫氨基礎設施設置、計量,及安全 監控技術 E2. 加氫站技術 E3. 儲氫氣瓶 D1-1. 高效率膜電極組設計技術 • D1-2. 關鍵材料及系統試量產製 程能量• D2-1. SOEC系統整合• D2-2. SOEC電堆技術▲ E1-1. 氫氨儲槽及槽車設置技術 ▄ E1-2. 氫氨計量技術• E1-3. 氫氨洩漏偵測技術• E2-1. 營運安全技術▄ E2-2. 能源管理技術▄ E2-3. 加壓模組技術▄ E3-1. 高強度碳纖維 • E3-2. 自動化氣瓶製造技術• E3-3. 大容積氣瓶(加氫站/長管拖 車)製造技術• 註1:PEMFC: 質子交換膜燃料電池;註2:SOFC: 固態氧化物燃料電池;註3:AEM: 鹼性電解膜;註4:SOEC: 固體氧化物電解電池
  17. ©ITRI. 工業技術研究院著作 技 術 簡 介 應 用 情 境

    產 業 效 益 作為交通載具或是輕量型氫能發電使用。 工研院研發之高功率金屬雙極板電池組能作 為交通載具或是輕量型氫能發電使用,可隨 時啟停的特性搭配工研院獨有的金屬雙極板 流場結構設計、多層導電碳薄膜與電池模組 化等專利技術,能有效提升電池功率密度與 壽命,進而達到減碳效益。 目前與捷克UJV、CAS以及台灣6家廠商等成立跨國金屬板電堆研發聯盟,共同開發電池、掌握 關鍵自主技術,提升產業技術量能。此技術可應用於定置型發電與備援電力市場,並有助於實 現節能減碳效益 工研院研發成果與產業合作機會 – 金屬板燃料電池 20
  18. ©ITRI. 工業技術研究院著作 技術特點: 於沙崙科學城D區建立完整氫生產、儲能、 發電應用之氫能技術示範驗證平台 MW級再生能源場域搭配百kW級電解產氫 系統,開發長時間氫能儲能系統 (500度電, 儲存壓力350bar) ,以及50kW氫能分散式

    發電系統 工廠製程導入綠氫減碳 企業綠電儲能與發電應用 產業效益: 國內產業技術練兵基地,積極連結產業共 同投入氫能關鍵組件、系統發展,及驗證 工研院研發成果與產業合作機會 – 沙崙氫能示範驗證平台 21 技 術 簡 介 應 用 情 境 產 業 效 益
  19. ©ITRI. 工業技術研究院著作 22 結論與建議 • 使用生命週期近零排放氫應用為世界趨勢,為我國達到2050淨零排放必須選項 • 高效率氫產業且技術自主之電力、工業,與載具應用,為我國在全球氫經濟競爭下勝出要件; 鼓勵企業將淨零排放作為事業營運目標,有助於臺灣加速相關產業發展 •

    臺灣氫能發展建議: • 短中期(~2030): • 以灰氫進行環構(軟硬體)評估與規劃、系統應用與驗證 • 以利基應用場域,進行氫能技術示範、累計應用實證,如:工業餘氫再利用(半導體業、塑膠業 、造紙業、石化煉製業等)、特定場域應用(沙崙綠能科技示範場域、環境敏感區域等) • 中長期(~2050) • 特定情境下綠氫生產與應用,如:再生能源與電網調節(風力、太陽能)、企業減碳需求、運輸 載具應用等 • 藍氫生產與應用,結合CCS,發展零/低碳原料 • 銜接國際氫(氨)供應鏈,發電、工業、載具大規模應用