氫能源車(一)

隨著世界走向脫碳的未來,全球對能源的需求持續上升。石化能源汽車要滿足需求,又要減少總體排放,的確有很大的挑戰。在此情況下,新能源汽車發揮了很重要的作用。其中氫氣作為汽車的燃料很有發展潜力。2022年北京冬奧會採用了超過1,000輛氫能源汽車作為冬奧會場地的交通工具,並配備30多個加氫站。至目前為止,這一次是全球最大規模燃料電池汽車的盛會。

氫能源車的操作並非直接燃燒,因為直接燃燒氫氣,危險程度高,而且續航能力比較低,所以一般氫能源車沒有內燃機(港人稱為「引擎」)。市場上,氫能源車基本工作原理是依靠氫燃料電池電堆中的氫氣與氧氣發生的化學電解反應所產生的電能,驅動傳動機器去推動汽車行走。氫燃料電池就相等於一般電車的電池。中學的化學知識告訴我們,氫氣和氧氣發生的化學反應會產生能量和水。故此,氫氣從氫燃料電池汽車裡的氫氣罐中進入燃料電池,並與氧混合;排放的唯一物質就是水(水蒸氣),對環境不會構成損害。

燃料電池汽車還有其他優點:氫能源車的核心部件是氫電池,這類電池不怕低溫,冬天不會像內燃機一般影響能耗,而且動力強,充能只需大約五分鐘,續航能力超過1,000公里。續航能力高是因為氫能的能量密度是汽油的3倍,更是鋰電池的150倍。氫氣罐的加油過程與汽油或柴油汽車差不多,只需插燃料管鎖定到汽車的燃料箱便可;加氫時間比電動汽車充電時間快幾十倍。燃料電池動力系統從氫氣中獲取能量的效率比傳統汽車從汽油或柴油中獲取能量的效率高很多,若大量使用,預期有朝一日燃料成本也會和汽油相當。

地球上並無天然存在的氫氣,現在工業上大致有兩類生產氫氣的方法。其一是蒸汽重組法,原理是採用高溫水蒸汽,分離甲烷中的碳和氫原子,製造氫氣。其二是利用電解的方法,電解水來分離水的分子H2O [2H2O +電→2H2 +O2],在電流負極棒得到高純度的氫氣,也在正極棒中得到氧氣。高溫水蒸汽和在電解過程中所需的電力,均需要能源,若生產過程中,不是用可再生能源來提供,碳排放便會很大,造成所謂的碳洩漏。水是一種充足的資源,配合利用可再生能源來電解水來製造氫氣,加上氫氣燃料電池推動汽車,是很有吸引力的綠化交通公具系統。

可是,事情並不是這樣簡單。2020年全球售出300萬輛電動車,而同年全球銷售的氫能源汽車合共約有9,000輛,相差超過300倍。2022年北京冬奧會運行的超過1,000輛氫能源汽車,也僅僅是示範試點而已。那麼,這樣好的「環保車」的發展困難在那裡呢?首先,車輛制造成本以目前來講,仍然比汽油或柴油汽車高,而且開發氫燃料技術並不便宜。氫能源汽車發展的最大難題在於高成本,它需要製氫、運氫、儲氫、加氫四個過程,全週期供應鏈每環節的成本不低。高濃度的氫氣是一種危險氣體,大量使用的話,於儲存和運輸方面的安全是一個需要關注的課題。不僅如此,製造氫過程要消耗能源;轉成氫氣後壓縮、運輸、充瓶也要消耗能源。製造複雜的燃料電池動力系統的汽車及其部件亦需能源,這些都在碳足跡計算以內。(待續)

『但人如果喝了我所賜的水,就永遠不渴。我所賜的水要在他裡面成為泉源,湧流到永生。』(約四14)

鄧允明博士
英國特許水務及環境管理學會會員(MCIWEM)
英國特許環境師(CEnv )