氫能源社會的展望 - 徐瑞鐘 博士

氫能源社會的展望 - 徐瑞鐘 博士

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1. 氫能源社會的展望 徐瑞鐘 成功大學能源科技與策略研究中心
2. 報告內容 •氫能源社會 •燃料電池系統 •氫氣的來源 •交通運輸應用 •發電應用 •展望 2 日本晴海旗(Harumi Flag)氫能城市
3. 日本氫能源社會的願景 “2015 is the start of the hydrogen era for Japan”, Prime Minster Shinzo Abe
4. 2020東京奧運延期一年 失望的不只是運動員和運動迷 還有關心能源發展的人 因為… 4
5. 2020東京奧運選手村-氫能城市示範 5 所有的電力/熱水與交通運輸車輛都使用氫能/燃料電池
6. 6 Toyota Sora 氫能巴士概念車 2020 東京奧運啟動！ The Sora, which is an acronym for Sky, Ocean, River, Air (the earth's water cycle). The Sora's powertrain consists of two 114 kW fuel cell stacks and dual drive motors outputting 113 kW and 355 Nm of torque each (152 hp, 262 lb-ft). A relatively small nickel-metal hydride (NiMH) battery is also on board, as are a total of 10 hydrogen tanks with a total capacity of 600 liters. October 20th, 2017
7. 燃料電池轎車與加氫站
8. 8 Apple 資料中心, 10 MW SOFC 燃料電池發電系統 家用天然氣 0.7 kW PEMFC 甲醇 5kW PEMFC 250kW SOFC 100kW PEMFC 1.1MW PEMFC
9. Why Hydrogen Energy? Green Hydrogen (H2) will play an important future role in a sustainable energy system: a. For worldwide transport and storage of large scale low‐cost renewable energy. (全世界大規模低成本再生能源的運送儲存) b. To supply a green feedstock to the chemical industry. (化工產業的綠色原料來源) c. To supply a green fuel to the transportation sector. (交通運輸的綠色燃料來源) d. To balance the electricity system, seasonally and weekly, from local to national level. (從區域到全國規模的短期和季節性的電力網平衡管理) Source: Green Hydrogen Economy in the Northern Netherlands
10. 各種燃料電池的應用領域 1 W 1GW 100MW 10 MW 1 MW 100kW 10 kW 1 kW 100 W 10 W DMFC PEMFC SOFC PAFC MCFC <-------
11. 11 -燃料電池是利用氫氣為燃料的化學能發電裝置 -在質子交換膜燃料電池(PEMFC)的陽極,氫原子由觸媒分解 成質子與電子,電子經由外線路到陰極.質子則滲透過電解 質層到達陰極,與電子,氧氣一起轉換成水. 氫能與燃料電池 (氫氣) (氧氣) (水) (PEMFC) (陽極 電解質 陰極)
12. PEMFC單電池構造和電池堆
13. PEMFC燃料電池模組
14. 重組型燃料電池系統示意圖 天然氣 空氣 交流電 燃料 重組器 電力轉換 可用熱源 乾淨排氣 電池組 14
15. 空氣自陰極進入,氧氣與電子反應放出 氧離子,穿透陶瓷電解質層,與陽極的燃 料(氫氣)反應(700~900C),釋出電子並產 生水,熱與二氧化碳. 固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell)
16. LSM: Lanthanum Strontium doped Manganite (掺雜鍶的亞錳酸镧鹽) YSZ: Yttria-stablizied zirconia (氧化釔穩定的氧化鋯) SOFC陽極支撐型電池片 陽極- 主要為YSZ與nickel的合成物Ni-YSZ, 具有高導電性,高離子傳導性,與高電化學 性(reforming and shift reactions)等特性 電解質- 固態氧化物陶瓷(solid oxide ceramics),例如鈣鈦礦(perovskites),目 前以YSZ為最常用的材料,它在700C以 上有高離子傳導性而幾乎不傳導電子. 陰極- lanthanum-based(La,稀有金屬)的 鈣鈦礦,以LSM為主,適用於~1000C
17. SOFC系統的開發流程 (陶瓷粉) (單電池) (單層電池組) (電池堆) (電池模組) (電池系統) hotbox
18. 氫氣的供應來源 -石化燃料重組產氫 -水電解產氫 -再生能源產氫
19. 氫能源鏈 產氫 儲氫 用氫 19 -重組產氫 -電解產氫 -氫氣純化 -低壓儲氫(150bar) -中壓儲氫(350bar) -高壓儲氫(700bar) -儲氫量/儲存時間 -氫氣運送/管線 -氫能源車輛 -燃料電池發電 -混入天然氣
20. 氫能源體系架構 重組產氫 電解產氫 氫氣運送 電力網 再生能源 燃料電池應用 石化燃料
21. 21 氫氣的來源 --黃得瑞教授檔案,沙崙氫能產業發展論壇,2016/12/10 (天然氣重組產氫) (煤炭氣化) (化工製程)
22. 重組純化產製氫氣 22 - Hydrogen gas can be generated from petrochemical fuel (石化 燃料)through fuel reforming processes(燃料重組) - Hydrogen gas can be further purified up to 99.99% through purification process(純化) and then feed into fuel cell stack (甲烷) (甲醇) (重組器) (純化器)
23. 23 燃料重組與燃料電池
24. 進一步去除一氧化碳，稱之為選擇性氧化 反應(Preferential Oxidation ，PROX) 去除一氧化碳的反應，稱之為水氣轉移 反應(Water Gas Shift，WGS) 天然氣燃料重組反應 重組器系統藉由觸媒反應產生氫氣並降低重組氣中的CO濃度, 各段反應如下: 在高溫下甲烷與水蒸汽進行重組反應， 產生氫及一氧化碳，稱之為水蒸汽重組 反應(Steam Reforming ，SR) 將上述1~4個反應合起來就是一個天然氣重組系統的總反應。 CH4+H2O -> CO+3H2 (1) 反應溫度: 600~750℃,CO~9% CO+H2O -> CO2+H2 (2) 反應溫度: 250~400℃,CO~0.5% CO+1/2O2 -> CO2 (3) H2+1/2O2 -> H2O (4) 反應溫度: 120~200℃,CO~10ppm 24
25. 各種燃料重組器
26. 26 水電解產氫技術
27. PEM電解產氫機
28. 電解產氫機的製造
29. MW級電解產氫工廠
30. 太陽 光電 風力 發電 產氫 /儲氫 燃料電池l 加氫站 家庭/商業 再生能源結合氫能與燃料電池系統 由於再生能源產生電力與使用時機有落差，因此利用Power to Gas(Fuel) 技術將再生能源經由電解製氫轉換為氫氣儲存，再利用燃料電池發電 或作為加氫站.
31. 德國的大型風電電解產氫/儲氫系統 31
32. 10kW PV系統 3kW小風力機 設備系統區 負載工作區 儲水桶 太陽光電/小風力發電電解產氫/儲氫燃料電池系統發電 整體系統效率約25~30% 苗栗後龍太陽光電/燃料電池電力系統 美菲德公司
33. In April 2015 Toshiba began operating their H2One product for Kawasaki City’s port area. This system combines solar PV, batteries, an electrolyser, hydrogen and water storage and a fuel cell to provide emergency autonomous power, heat and water. The fuel cell element output is a maximum 3.5 kW and is combined with a 350 kWh battery storage and 30 kW of solar PV. In normal operation the system feeds power to the local grid. 太陽光電/蓄電池/電解產氫/儲氫/儲水/燃料電池供應緊急用電/熱能與水 Toshiba多功能再生能源整合氫能與燃料電池系統
34. Renewable Hydrogen is not something of the future **
35. 交通運輸應用 -汽車/巴士 -機車 -火車 -船舶 -飛機 -加氫站 聯合再生能源,2019
36. Siemens和Ballard合作開發的氫動力火車 JR東日本開發的氫動力火車 Skai, the world’s first hydrogen-powered e-VTOL air taxi 氫動力 交通運輸 瑞典ABB將啟用世界上第一艘氫動力內河船舶
37. 燃料電池汽車構造
38. Toyota燃料電池汽車 Toyota”Mirai”未來汽車 114kW(153HP) 儲氫罐
39. 豐田的燃料電池汽車全球產量從2018年的3千輛，有望增長到明 年的3萬輛，意味著豐田在一兩年之內將氫能汽車產量提高了10 倍，並預計在2025年將產能提高至20萬輛。 2019/9
40. 40 加氫站 充電站 燃料電池車V.S.全電動車
41. 純電動車與燃料電池車的比較 41
42. 42 燃料電池車的安全性
43. 43 氫能巴士的結構
44. 44 全世界已經有很多氫能巴士 “battery electric buses are suitable for short range, fuel cell buses for longer range”
45. 45 歐洲的氫能巴士發展
46. 燃料電池車加氫站
47. 47 陳清郎 經理 台灣中油股份有限公司 2015.10.
48. 全世界氫能汽車和加氫站數量現況
49. 49 全世界加氫站建置分佈
50. Hydrogen Fueling Station Explodes, Toyota & Hyundai Halt Fuel Cell Car Sales 50 加氫站的安全問題 2019.6.10 2019-07-06 挪威加氫站爆炸事故的調查結果，氫氣洩漏主要是因為高壓儲存裝置 的氫氣罐中某個特定插頭的裝配錯誤導致。
51. 發電應用 -大型發電廠(>1MW) -小型發電系統(10~100kW) -家用發電系統(1-5kW) 51 蘋果電腦總部(Solar PV, Fuel cell)
52. 52 Apple‘s Headquarter is running on renewable energy and going "Net Zero". They are putting 8 megawatts of solar panels on the roof of the building and the parking garages, and are installing 4 MW(SOFC) fuel cells, powered by "directed biogas. These will be supplemented by grid purchased renewable energy if needed during periods of peak demand." Directed biogas refers to biogas that is collected from a landfill, wastewater treatment plant, or ...
53. MW級SOFC燃料電池發電系統 Delmarva Power 30MW 發電廠(power plant) Apple 10 MW 資料中心(data center) Macy’s 600 kW 購物中心(shopping mall) Nokia 500 kW 辦公大樓(office) 大阪府中央卸売 市場 1.2 MW(market) Johnson & Johnson 500 kW 科學園區(science park) -全世界唯一成功商業化的大型SOFC系統(美國Bloom Energy公司) -台灣為主要製造供應基地(~70%組件) 53
54. 250kW Bloom Box Each Energy Server produces 200 to 300 kilowatts of power in a footprint roughly equivalent to that of half a standard 30-foot shipping container. Bloom Energy 250kW 系統
55. 日本氫能/太陽能社區概念
56. 天然氣燃料電池系統 -石化燃料(例如天然氣)要先經由重組反應器(reformer)轉換成氫 氣,就能供應給燃料電池組(stack)使用來發電,同時經由熱交換器 回收熱能來產製熱水,是熱電共生(combined heat and power, CHP) 的系統,能源利用效率高. 天然氣 甲醇,柴油 氫氣 電力 熱水 熱回收 重組器 電池組 水 空氣 空氣 56 熱交換器 熱回收
57. 家庭用燃料電池發電系統 57 -由管線供應天然氣給家庭燃料電池發電系統(700W),提供家庭或 小型商 業場所的電力與熱水需求. -日本推動的700W Ene-farm系統,2018年已達25萬台,目標2020年 140萬台,2030年530萬台.達成率落後目標很多,現在補助已經停止.
58. 太陽光電與燃料電池整合住宅能源系統
59. 無人飛機(UAV) • Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) 59 成功大學航太系賴維祥教授資料
60. 展望 • 日本,韓國,荷蘭等國家將氫能源社會列為國家重要發展方向 • 應用氫能源的發電與交通運輸將扮演重要腳色 • 我國有不錯的相關基礎,需要政策引導並制定發展策略 • 高雄具有發展成為氫能城市的潛力
61. TOYOTA在富士山下打造「超未來城市」！ 發電廠就是氫燃料電池 2020-01-12 TOYOTA預計在日本富士山下打造一座以氫燃料電池驅動的城市，占地 175英畝並命名為Woven City（編織的城市），預計將於明年初動工。首 批入住的居民將會是TOYOTA的員工及其眷屬、科學家以及退休人士等， 估計一開始就會有2000位民眾入住。Woven City的建築物將交由丹麥建 築師Bjarke Ingels Group的團隊打造，以氫燃料電池作為運作主要能源， 同時更大力推動TOYOTA研發的人工 智慧技術以及零排放移動交通工具， 例如TOYOTA Micro Palette小型物流 機器人、e-Palette接駁交通工具等。
62. 62 液態氫運送船 液態氫運送船-日本轉型氫能源社會的先導研發 川崎重工業12月11日在神戶市舉行了世界首艘液態氫運輸船「Suiso Frontier」(註：Suiso 是日文「水 素」的羅馬拼音)的下水儀式並計畫在2020年秋季完工。該船的液態氫載運量約為 1250 立方公尺， 在尺寸上屬於小型運輸船。未來的開發重點則是著眼在載運量達 16 萬立方公尺的大型商用液態氫載 運輪。川崎重工業從 2019 年開始，就在大型的液態氫載運輪進行實際驗證方面的檢討作業，並以 2030 年為目標，希望屆時大型載運輪能邁入實用階段。日本正在推進利用在澳大利亞開採的低價煤 炭製造氫氣然後以液態氫向日本出口的計劃。 2019 12 12
63. 韓國變身氫能社會,誓言作世界第一 • 韓國政府設定到 2040 年在國內生產 620 萬輛燃料電池車 (FCV) 的目標，還將在 公共交通系統中引入 FCV，並為基礎設施發展提供補貼。 • 現代汽車首款 FCV 車型在 2018 年累計銷量達到 1,000 輛，希望在 2020 年售出 10,000 輛第二款 FCV 車型 Nexo。 • 政府計劃到 2040 年將加氫站數量從目前的 15 個增加到 1,200 個 • 政府計劃在 2022 年前建設氫能試點城市，到 2030 年將全國 10% 的城市、縣和 城鎮轉變為氫動力城市，2040 年比例達到 30% • 政府計劃承擔基礎設施開發成本的 50%， 主要房地產開發商和其他公司將負責建築。 63 科技新報 作者 黃 嬿 | 發布日期 2019 年 11 月 05 日 NEXO
64. 能源轉型 荷蘭5年力拚「氫」經濟 64 經濟日報 2019/10/15 Hydrogen used to refuel the buses is green hydrogen. It is produced from by-product from the chlorine production plant of Nouryon in Delfzijl coming from a wind farm. Hydrogen is distributed by pipeline (thus lowering the costs) to the hydrogen refuelling station. The buses are then refuelled. Source: Green Hydrogen Economy in the Northern Netherlands
65. 我國氫能與燃料電池發展目標 65
66. 66 國內的經驗和資源 產氫:PEM電解產氫,甲醇重組產氫,天然氣重組產氫, 氫氣純化 儲氫:廠商有相關經驗 運送氫:廠商有相關經驗 加氫站:廠商有小型系統相關經驗 用氫: 發電:1-30kW燃料電池發電系統(PEMFC) 交通運輸:氫能機車,氫能小型車輛
67. 產氫/儲氫/加氫 元寧移動式加氫站 光騰PEM電解產氫機 工研院六甲院區重組產氫加氫站 漢氫固態儲氫器 -既有基礎下開發商業應用產品 -PEM燃料電池經驗開發PEM電解產氫機 碧氫甲醇產氫機
68. 燃料電池發電系統 • 純氫系統/甲醇重組系統/天然氣重組系統 • 1-5kW家用系統:已有技術能力 • 10-100kW小型商用系統:現有基礎下開發 • >1,000kW發電廠系統: 可以和國外公司合作建置發電廠 鼎佳燃料電池堆 錫力科技50瓩級燃料電池發電站系統(2019年8月) 高力5kW甲醇燃料電池系統
69. 高雄氫能應用示範區 • 高雄市周邊石化/鋼鐵產業聚落有 大量氫氣 --大社/仁武/小港/前鎮/林園/左營.. --中油/中石化/台塑/中鋼/燁聯… --800,000仟立方米氫氣/年/廠(例) • 石化業者有氫氣經驗(風險降低) • 大量副產物氫氣經純化後即能做各種 氫能產品應用(液態氫..) • MW級氫能發電系統 • 氫能巴士 /輕軌車輛 • 至少10年的計畫
70. 氫能源社會的展望 理想 夢想 幻想
71. If You Can Dream It, You Can Make It! (夢想成真) Thank you for your attention 71
72. 各種發電的CO2排放 --黃得瑞教授檔案,沙崙氫能產業發展論壇,2016/12/10 72
73. 氫能與燃料電池 (Fuel Sources) (Applications) 73
74. 太陽光電/電解產氫/儲氫/發電系統組成 太陽光電系統 電解水產氫系統 氫氣壓縮機  高壓儲氫桶 燃料電池發電系統電力/水 5~6kWh/Nm3 H2 1.2~1.38kWh/Nm3 H2 電力轉換效率 20~27% 蓄電池 電力