氫燃料於「遠征作戰」之潛力
2023.05.03
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壹、新聞重點
2022年2月「美國海軍研究辦公室」（Office of Naval Research） 展示與「麻省理工學院林肯實驗室」（MIT Lincoln Laboratory）合作之「氫燃料戰術加油站」（hydrogen tactical refueling point, H-TaRP）試驗計畫成果，探究美軍在偏遠與環境惡劣地區進行「遠征作戰」（Expeditionary Operations）時，鋁製氫燃料可否成為其先進武器設備所需之大量燃料與能量來源。 以下分析氫燃料於遠征作戰之發展趨勢與潛力。
貳、安全意涵
一、現地製氫降低遠征作戰對柴油燃料之運輸需求與風險
「遠征作戰」是將兵力投射至海外的危機或衝突現場，並在距離主基地極遠處提供必要支援，而作戰先進武器與設備極為耗能，美軍此款「氫燃料戰術加油站」即訴求於戰場現地由鋁製出氫燃料，減少作戰關鍵時刻對柴油發電與電池充電之依賴，而且因為是運輸鋁而非柴油或易燃的氫氣，故較安全，亦能降低噪音與熱信號（heat signature）而強化隱蔽性，從而減少「遠征作戰」時後勤運補液態或氣態化石燃料而遭敵方攻擊之機會。[2] 另一方面，遠征作戰部隊可在現地加油站製氫，並直接加氫於以「燃料電池」（Fuel Cell）為動力之引擎及相關軍用設備，減少儲槽所占空間及爆炸風險。[3]
二、現地加氫縮短無人載具及戰術車輛之充電時間並增加其續航力
相較於軍用車輛用電現仍多採用充電時數長達數小時、重量較重之鉛酸電池，氫燃料電池可大幅減低設備之充電時間，適合在「遠征前進基地作戰」（Expeditionary Advanced Base Operations, EABO）與「分散式海上作戰」（Distributed Maritime Operations）模式下應用於小型無人機與無人水下載具、輕型戰術車、可攜式或穿戴式發電裝置等，亦即在作戰能量及後勤運補路線分散的型態下，提升輕型攻擊裝備之續航力與殺傷力，從而縮短部署時間。[4]
參、趨勢研判
一、純鋁之取得、氧化及運送等問題仍待克服
美軍「氫燃料戰術加油站」是在攝氏94度左右的溫度下，將鋁與重量佔整體4%之少量鎵和銦一同加熱1至2小時，再與水反應生成氫氣，其中鋁可取自回收廢鋁，如鋁箔、BB槍子彈、汽水罐或鍋碗瓢盆，而在水的部分，蒸餾水、河水、海水甚至尿液等，皆可拿來與鋁反應製出氫氣，然而現在待克服的技術問題包括：如何自各樣含有其他金屬的廢鋁產品中，選取較合適的起始材料以取出純鋁或含矽的鋁合金，尤其是當原來的廢鋁產品中含有鎂時，將阻礙鎵和銦在加熱過程中滲入鋁與之熔合的速率，而降低氫的產量；另外，鋁本身的晶粒尺寸亦需被控制，較大的鋁晶粒所產出的氫量較少，但若能縮小晶粒尺寸則可望增加氫量；再來則是如何持續確保鋁表面的清潔，防止其他氧化物生成，才能使其與水反應而產氫；最後則是如何解決將鋁迅速運輸至遠征前進基地，或是有效利用基地鄰近地區的廢鋁產品等。 [5]
二、製氫設備將朝輕量化、適合小戰術單位敏捷操作之方向發展
儘管有前述限制，氫燃料於遠征作戰情境仍有高度應用潛力，預期製氫設備將朝輕量化、適合小戰術單位操作的方向發展，而製氫反應所產出的水蒸氣經處理亦可作為基地飲用水。美軍已表示未來將把「氫燃料戰術加油站」之製程設備縮小一半，並研擬現地生產高壓氫氣；此外，現階段美國海軍陸戰隊已可由4名步兵在接受速成組裝訓練課程後，於13分鐘內將「氫燃料戰術加油站」組裝完畢，顯現其可被快速推展並可使遠征部隊之部署更為機動與敏捷[6]
[1] Scott Hochenberg, “Making Hydrogen Fuel Anywhere: ONR Tests Prototype to Power Marines in Expeditionary Environments,” Office of Naval Research, February 15, 2022, https://pse.is/4vs73q.
[2]S. Himmelstein, “Watch A Portable Device Produce Hydrogen Fuel for US Marines,” GlobalSpec, March 16, 2022, https://reurl.cc/Rvo51e.
[3]Lance Cpl. Cheyenne Harms, “II MEF Receives H-TaRP Brief and Demonstration,” Defense Visual Information Distribution Service, September 17, 2021, https://reurl.cc/OVapYg.
[4]Chase Smeeks & Anthony Pollman, “Harvest Hydrogen for Distributed Logistics,” U.S. Naval Institute, January 2023, https://reurl.cc/eXbMmL.
[5]“MIT Demonstrates Portable Hydrogen Fuel Generator for USMC,” Hydrogen Central, February 17, 2022, https://reurl.cc/ZXdNja；Walker D. Mills, Jacob Clayton & Erik R. Limpaecher, “Powering EABO,” Marine Corps Association, August 2022, https://reurl.cc/EGNmqm；Nancy w. Stauffer, “Using Aluminum and Water to Make Clean Hydrogen Fuel—When and Where It’s Needed,” MIT Energy Initiative, June 1, 2021, https://reurl.cc/Nq8n6Q.
[6]同註1。