6/5美國首次發布「國家潔淨氫能戰略與路徑圖」：旨在促進氫能生產、運輸、儲存及使用，並提出實現潔淨氫能大規模生產與使用的戰略框架

• 建檔日期：112-06-29
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摘要：
1.背景：本戰略與路徑圖係強調政府如何達成2035年零碳電力與2050淨零排放的目標。
2.依據供需情境評估美國境內潔淨氫能生產目標路徑：2030年→1,000萬公噸，2040年→2,000萬公噸，2050年→5,000萬公噸。(估計使用潔淨氫能可使美國2050年排放較2005年減少約10%)
3.三大關鍵戰略：
(1)以高價值應用為優先：確保潔淨氫能應用在難減碳部門等高價值應用，如工業部門、重型運輸及可實現零碳電力的長效儲能系統。
(2)降低潔淨氫能成本：透過氫能創新與規模化，鼓勵私部門投資並發展潔淨氫能供應鏈，目標為2026年製氫的生產成本降低至每公斤2美元，2031年降低至1美元。
(3)專注在區域供需網絡：縮短潔淨氫能生產與使用地點之距離，以擴大基礎設施投資效益，同時善用各區域獨有之優勢。

內參：
美國拜登政府首次發布「國家潔淨氫能戰略與路徑圖」，聚焦在應用、降低成本與區域網絡三大關鍵戰略。
一、美國拜登政府於2023年6月5日發布「美國國家潔淨氫能戰略與路徑圖(U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap)」，說明美國氫能生產、運輸、儲存及使用概況，並提出實現潔淨氫 能大規模生產與使用的戰略框架。
二、本戰略與路徑圖為美國能源部(DOE)與其他機構合作(如：交通部、海事局、國防部與產業界等)，強調政府應如何因應氣候危機並達成2035年零碳電力與2050淨零排放的目標。依據情境評估，2030年美國境內氫能生產將達1000萬公噸，並於2040年與2050年分別達到2000萬公噸與5000萬公噸，2022年9月發布草案後已完成徵求公眾意見，另依照2021年發布的兩黨基礎建設法案(Bipartisan Infrastructure Law)，未來每三年至少須更新一次戰略與路線圖。
三、本戰略與路徑圖界定的策略如下：
(一)潔淨氫能以高價值應用為優先：確保潔淨氫能應用在難減碳部門等高價值應用(如工業部門、重型運輸及可實現零碳電力的長效儲能系統)
1.工業部門：全球工業部門在2020年的氫氣需求為5100萬噸，占全球氫氣需求(9000萬噸)一半以上。
(1)肥料與化學品：氫氣可用以製造氨(88%用以生產肥料，12%用以生產其他化學品，例如醋酸、甲醛等)與甲醇(可用於燃料或氫能載體)，能源部將評估生產氫能載體的成本效益與生命週期排放，包含甲醇、氨以及甲基環己烷，同時能源部的前瞻能源研究計畫總署(Advanced Research Projects Agency-Energy, ARPA-E)也提供贊助予創新、具革命性的產氨嘗試。
(2)煉鋼：煉鋼分為從鐵礦煉鋼(初級鋼)或從廢鐵煉鋼(次級鋼)，由鐵礦煉鋼通常使用高爐，而由廢鐵煉鋼通常使用電弧爐，若使用潔淨氫氣作為還原劑，可降低由鐵礦煉鋼的生命週期溫室氣體排放達40至70%，在改用氫氣作為還原劑的同時，美國也將持續提升高爐的效率。由於約有25至30%鋼鐵為進口，政府將與歐盟合作將進口的鋼鐵改為潔淨能源生產的鋼鐵，而能源部也有兩個計畫試圖將氫能煉鋼量從每周1美噸 提升至日產量5,000公噸，過程中的評估作業將由能源部的前瞻製造辦公室、氫與燃料電池科技辦公室進行。
(3)燃氫鍋爐：工業製程的熱源將逐步電氣化(<300℃製程)、進行碳捕集、改用太陽熱能、核能或使用燃氫(無論是天然氣混氫或純氫，用於>300℃製程)鍋爐，由於化石燃料的低價，能源部門相對較不願意投入資源至氫能，因此能源部的HyBlend計畫(始於2020年)已開始對於供熱部門用氫的相關知識進行綜整性的研析，未來此計畫也將與各個局處及州政府合作評估燃氫設施的更換(包含更換燃氣鍋爐進料等)、法制化、基礎建設以及研發的成本效益。
2.運輸部門：2019年，約有33%溫室氣體排放來自此部門，且其中過半(51%)來自輕型運具(Light-duty vehicles) ，因此長期以來產業皆把目標放在輕型運具的去碳化(主要著重於汰換為電動車)，但氫燃料電池運具具備快速充能、續航力強等優勢，因此能源部在此發現了機會。2023年一月出爐的《運輸部門去碳化藍圖》(U.S. National Blueprint for Transportation Decarbonation)則分析出氫能運具在貨運、軌道運輸以及工作用大型機具(如開礦機具)較具備成本效益，因此預期未來研究方向將朝這些領域前進。
(1)中重型運具 與替代燃料：這二類運具大約貢獻運輸部門20%的溫室氣體排放量。為了促進這類運具脫碳化，政府已透過21世紀卡車合作夥伴關係(21st Century Truck Partnership, 21CTP)與產業及國家實驗室合作，交通部(DOT)與能源部在此架構下已於2021年建立一合作辦公室，能源部也於2020年成立百萬英里燃料電池卡車集團(Million Mile Fuel Cell Truck Consortium, M2FCT)研發續航力更佳、成本更低的燃料電池。短期內，能源部將推動加氫脫硫工場的氫源脫碳化，降低現時化石燃料的生命週期排放；長期目標則是將因為煉油需求下降而多出的氫氣製成生質燃料、甲醇、乙醇等替代燃料。
(2)海運：國際海事組織(IMO)在2020年已將海運用油的含硫量限制於0.5至3.5%，在控制區內此比例將限制在0.1%以下，包含美國與歐洲的海岸。為盡速完成海運業的能源轉型，能源部已與海事局(MARAD)合作，將第一艘氫燃料遊艇投入西半球航運同時開始興建浮動式電解站產氫供應遊艇使用，並開始據此規範其安全性與發展相關法規。
(3)航空：COVID-19疫情前，航空業貢獻運輸部門11%溫室氣體排放，且航運需求並未因疫情而削減。為了減少替代燃料 的成本，政府預計在2030年將每年提供30億加侖(136.38萬公秉)替代燃料、2050年則每年提供350億加侖(1.59億公秉)替代燃料。
(4)鐵路：加州聖伯納迪諾(San Bernardino)鐵路系統將於2024年初試運轉研發中的氫能燃料電池火車。
3.能源部門
(1)備轉與基載電力：將逐步推動從燃油、燃氣機組轉用燃料電池發電作為備轉與基載電力使用，例如在汙水處理廠利用世界上首個氫熱電聯產(用高溫燃料電池同時生產電力、熱能與氫氣)提供所需電力等措施。
(2)儲能與電力生產：將從天然氣混氫燃燒逐步轉移到100%燃氫，目前美國國家實驗室已有破GW級的燃氣機組進行相關試驗；同時美國政府也將投入利用電廠、電網多餘電力電解水為氫氣進行儲能的相關基礎試驗，目前已有5個專案用以測試核電廠外接電解裝置儲氫的穩定性。在猶他州有一220 MW電解裝置正在試驗將電網中多餘電力轉為氫氣儲存，該裝置已提供425個工作機會，並為當地社群帶來利益。
(3)公部門採購：為刺激研發，公部門將採購60,000台以上，使用氫燃料電池作為動力來源的堆高機，日後也將購入氫能無人機等設施。
4.產氫排碳強度
(1)潔淨氫的定義：使用特定低碳原料(包含但不限於使用CCS的化石燃料、甲醇與乙醇、再生能源、核能)、從搖籃至大門的溫室氣體排放強度設定在2 kg CO2e / kg H2 。
(2)潔淨氫生產標準：生命週期溫室氣體排放強度初始設定為4 kgCO2e/kg H2。
(3)上游排放的限制措施：將立法規定天然氣管線的規格，刺激對於甲烷洩漏偵測相關科技的研究。
(二)降低潔淨氫能成本：2021年，能源部將目標訂為「111」，即十年內(1 decade)將每公斤氫氣的生產成本降低至1美元(包含屆時將有的碳費)以下，代表在2030年，若此目標實現時，其各項成本將如次頁圖1，而運輸與利用的成本預計應下降至次頁圖2。
圖1、以自熱重組(Autothermal Reforming)方式進行產氫為基線時，各項產氫成本應下降的幅度。
圖2、若達成目標，2030年各項輸儲或利用氫氣的成本，其中tpd代表每日噸數。

(三)專注在區域供需網絡：使大規模潔淨氫能生產與終端使用地點盡可能接近，讓基礎設施投資效益最大化，並推動規模化促進市場發展，同時善用區域機會，以實現公平、包容及環境正義。
1.整合區域生產資源：將以區域為單位配對其最容易取得的資源或進料，以期最大限度降低產氫成本，預計於下一期修正的路徑圖中納入阿拉斯加、夏威夷的資訊，配對結果如圖3，顏色越深代表氫能產量越大(單位為kg/km2/yr)。
圖3、區域產氫量分布圖，黃點代表核電廠位置。
2.儲氫場域分布：目前以四大類場所作為可能的儲氫場域，在全美的分布如下圖4所示，紅色代表廢油氣田，黃色代表硬質岩層，綠色代表沉積岩盆地，紫色代表廢鹽礦。
圖4、可能儲氫場域分布
3.減碳需求場域分布：如下圖5，彩色點(無論形狀)為產業別，大小代表目前的年排碳量，灰階代表目前碳匯需求，大小越大、灰階顏色越深代表其能源轉型需求越迫切。
圖5、減碳需求產業場域分布。
 
四、關鍵計畫目標(該表為Table 1: Key Program Targets 2022-2036)如下表1所示，分為短程(2022至2023年)、中程(2024至2028年)與長程(2029至2036年)目標。
表1、本路徑圖短中長程目標。
短程
(2022至2023年) 中程
(2024至2028年) 長程
(2029至2036)
生產  3種以上不同方法評估溫室氣體排放與完成政策可能性
 10,000小時高溫電解槽測試
 1.25 MW核電廠外接電解槽測試
 通過2個以上融資計畫  10個以上產氫示範計畫(包含再生能源、核電、搭配CCS的化石燃料)
 2026年為止，潔淨氫價格降至$2/kg。
 低溫電解槽效率達51 kWh/kg、壽命達80,000小時、用電成本達$250/kW。
 高溫電解槽效率達44 kWh/kg、壽命達60,000小時、用電成本達$300/kW。
 從核反應爐提取20 MW熱能用於電解。  年產1,000萬公噸氫氣。
 潔淨氫價格降至$1/kg
 低溫電解槽效率達46 kWh/kg、壽命達80,000小時、用電成本達$100/kW。
 高溫電解槽壽命達80,000小時、用電成本達$200/kW。
輸儲、基建  重型運具加氫速度達到10 kg/min。
 減少加氫站的碳足跡達40%(以2016為基期)
 提升基建50%氫氣封存與抗氫脆強度(以2018為基期)
 壓縮機與低溫幫浦效率達400 kg/hr。
 氫氣流量為20 kg/min時，誤差小於5%  液化效率達7 kWh/kg
 碳纖維作為儲氫載體的成本下降50%。
 廢燃料電池膜電極回收率達50%，其中的鉑族金屬回收率達95%
 建置3 GW以上容量電解槽。  包含輸儲的氫氣成本(自生產至終端使用之前)降至$4/kg
 廢燃料電池膜電極回收率達70%，其中的鉑族金屬回收率達99%
 3個以上的減碳方式在環境正義為優先的前提下獲得確效。
終端使用  重型卡車用氫燃料電池成本達$170/kW。
 氫能公車燃料電池壽命達18,000小時。
 資料中心氫燃料電池建置量達1.5 MW
 海運所需電解槽達1MW
 在建設落後社群提供15輛氫燃料電池卡車，創造需求與工作機會。
 至少1個綠氨生產示範計畫。  重型卡車用氫燃料電池成本達$140/kW。
 燃料電池膜電極成本下降50%(以2020年為基準)
 每周一美噸直接還原鐵，並逐步擴增為每日5000公噸。
 100%燃氫機組的氧化氮排放量下降至9 ppm，加裝選擇性觸媒後下降至2 ppm。
 完成3個氫能卡車計畫。
 與原住民部落合作啟動2個以上先導計畫。
 4個社區效益協議樣板
 4個以上使用不同資源並用於戰略用途的區域潔淨氫能中心  重型卡車用氫燃料電池成本達$80/kW。
 彈性進料燃料電池成本$900/kW，壽命達40,000小時。
 4個以上終端使用的示範案場
 每年氫能終端使用量達1,000萬公噸

資料來源：https://tinyurl.com/54enjd2c、https://tinyurl.com/yc3eetv6、https://tinyurl.com/ycy4kt4z