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氫燃料電池: 是所有問題的答案

| 12 分鐘
關於氫氣以及這項能源是否會在未來取代柴油引起了很多討論。 但是這項技術是如何運作的呢? 氫氣有什麼優缺點? 它如何與電動卡車相抗衡? 以下是有關氫燃料電池一些最常見問題的答案。

什麼是氫氣?為什麼產業對它感興趣?

氫是一種化學元素,是許多天然化合物 (包括水) 的一部分。 車輛使用的氫氣 (H2) 是一種無味的氣體,通常是從水或天然氣中分解出氫氣來產生。

儘管這個話題目前相當熱門,但製氫並不是什麼新技術。 事實上,太空船長期以來一直使用氫氣為主要動力。 但是,由於推動運輸產業減碳、可再生能源成本下降,以及世界各國政府為進一步開發該技術制定了更詳細的策略,我們看到了新的契機。
 

氫燃料如何生產?

蒸汽甲烷重整 (或 SMR) 是大規模工業生產氫氣的最常用方法。 在這個製程中,天然氣中的甲烷與水蒸氣反應,生成氫氣和一氧化碳。 一氧化碳進行進一步的反應,產生更多的氫氣。 氫氣也可以透過電解的過程從水中產生,這個過程中,水被電分解為氫氣和氧氣。

氫氣還有其他來源,例如生質氣化 (植物質受熱並反應產生氫氣和二氧化碳) 以及發酵,其中某種類型細菌的新陳代謝過程產生了氫氣。 氫氣也可以透過將太陽能電池浸入水中,分解其中的水來產生。
 

氫燃料如何配送?

氫燃料雖然可以透過天然氣的管道輸送,但今天作為燃料使用的大部分氫氣是在大型工廠生產,然後利用特殊的液氫拖車運輸。 氫氣也可以在加油站通過 SMR 或電解產生。 但這種方法通常效率較低且成本較高。
 

氫燃料電池是如何運作的?

燃料電池車輛的工作原理有點像內燃機,不同之處在於該系統不會燃燒從加壓罐中吸取的氫氣,而是將氫氣與氧氣融合以產生電能,為引擎提供動力。 PEM (高分子電解質膜) 燃料電池是由膜隔開的多組薄板組成,其中便會發生這個融合過程。

卡車如何使用氫氣?

氫氣可用於為類似於壓縮天然氣 (CNG) 引擎的內燃機提供燃料。 另一種解決方案是在燃料電池中使用氫氣,氫氣在燃料電池中產生電力來為車輛提供動力。 氫氣還可以作為輔助燃料電池使用,為電池供電的電動汽車延長行駛里程。
 

氫燃料有哪些優點?

使用氫氣為燃料電池供電時,唯一的副產品是水和熱,這表示沒有污染物或溫室氣體。 根據氫氣的生產方式,它可以成為柴油極為清潔的替代品。 氫氣也相當經濟實惠: 80 公斤氫氣可以提供足夠的能量,讓一輛卡車行駛 800 公里! 氫燃料汽車的加氣過程也相當快速簡便。

氫燃料電池汽車的動力來自電能。 這表示駕駛體驗類似於駕駛電動卡車;沒有引擎噪音、能快速啟動,以及可回收煞車能量。
 

氫燃料有哪些缺點?

氫氣具有很強的反應性,因此它往往會腐蝕其他材料,而且它也高度易燃。這些因素使得運輸變得困難且成本高昂。 另一個主要問題是缺乏氫氣相關基礎設施,而且建設這些設施的成本高。 時至今日,全世界只有 337 個加氫站,其中大部分在德國和日本。 儘管現下已經顯示現有的 CNG 基礎設施可用於運輸和儲存氫氣,但這對於必須使用非常清潔的氫氣來運作的燃料電池來說並不是一個好的解決方案。

由於生產規模仍然很小並且必須涉及人力作業流程,因此氫燃料電池的製造成本也很高昂。 另一個關鍵的成本組成部分是氫氣罐,它體積很大,會佔用大量空間。 最後,氫燃料的成本明顯高於柴油。
 

氫氣有多環保?

當氫氣在燃料電池中與氧氣反應時,唯一的輸出是水。 因此,當卡車由燃料電池供電時,不會產生有害的廢氣排放。 但任何衡量氣候影響的措施還必須考慮到氫氣的生產過程需要耗用大量的能源。 今天大多數的氫氣是利用煤或天然氣生產製造出來。 但是,如果用於生產的電力來自可再生能源,則氫燃料的碳足跡可能接近中和 (這稱為「綠氫」)。 減少製氫過程碳足跡的另一種方法是使用「碳捕集與封存」(CCS),它是從 SMR 中捕集、運輸和永久封存於地下深處的 CO2 排放過程。
 

如何比較氫氣卡車與電動卡車?

任何柴油替代品要想取得成功,就必須在基礎設施的成本、範圍和可用性方面提供明顯的優勢。  以下是氫燃料電池車輛與電動車輛的比較:

成本: 氫燃料電池和鋰離子電池都比柴油貴。 然而,鋰離子電池的成本正在迅速下降。 彭博社預測最快會在 2022 年出現交叉點,也就是電動汽車變得比內燃機汽車更便宜。由於氫燃料汽車的開發和推出受到限制,因此很難衡量類似的收益。

續航里程: 氫燃料電池比電池具有更高的能量密度,因此可以為車輛提供更長的續航里程。 事實上,一個 700 巴氫氣罐的功率重量比是電池的十倍。 氫燃料電池也比電池更輕,這表示氫燃料汽車可以應付更高的載重量。

基礎設施:鋰離子電池的開發和生產製造遠遠超過氫燃料電池。 電動卡車已透過實證具有商業可行性,尤其是在城市交通中。 電動汽車的充電基礎設施更是遙遙領先。 例如,在美國,2018 年有 20,000 個充電站,而加氫站則不到 45 個。
 

氫氣卡車會取代柴油卡車或電動卡車嗎?

氫氣目前是大勢所趨。 各大汽車和卡車公司,包括 Volvo Trucks 在內,都在努力研究、致力於解決方案,以及建立合作夥伴關係以開發相關技術。 但不僅僅是汽車產業意識到氫氣的潛力。

隨著對氣候變化的日益關注以及對 COVID-19 的「綠色振興」的需求,各國政府對氫氣展現出更高的興趣 (和投資!)。 就在今年 5 月,歐盟公佈了一項 7,500 億歐元的振興計劃,為綠色交通和工業提供資金。 這項計劃以歐洲綠色政綱 (European Green Deal) 為中心,強調以氫氣作為計畫優先事項,配合氫氣的投資議程和自由跨境貿易來發展這項技術。 今年初還宣布了一個將投資者與政府、機構和工業合作夥伴聚集在一起的「歐洲清淨氫能聯盟」(European Clean Hydrogen Alliance)。

儘管這些發展都說明了氫氣在卡車運輸中有著光明的未來,但要做出有意義的氣候或經濟貢獻仍然存在許多障礙。 在重型和要求嚴苛的長途運輸中,使用氫氣來為電動傳動系統提供燃料,看來是大有可為。 這表示,與其企圖完全取代更適合配送和區域運輸的電動卡車,這兩種技術可以共同構建更永續的運輸系統。

關於氫氣是否能替代柴油引擎的問題;推動更永續的運輸方式代表著氫氣可能會取代一些柴油車輛。 特別是有明確的商業案例和競爭優勢的情況下。
 

替代燃料: 評估利弊

氫燃料電池、電動卡車、生質燃料、生質液化天然氣...柴油的各種替代品清單似乎越來越長。 運輸營運商可能難以理解和操縱替代燃料的大局。 為了協助您,我準備了一份指南,概述了每種技術的工作原理及其優點和缺點。 

Lars Mårtensson

Lars Mårtensson works as Environment and Innovation Director at Volvo Trucks.

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