本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第6期
作者: 李海文,Nobuyuki Nishimiya
來源:Insight from Japan’s Hydrogen Strategy and Activities[J].Engineering,2021,7(6):722-725.
編者按
隨著全球氣候變化和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,新能源開發(fā)利用成為全球能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇。氫能對能源安全、工業(yè)減排和經(jīng)濟綠色增長具有深遠意義。未來30年,全球氫能產(chǎn)業(yè)將進入快速發(fā)展期,技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本將大量投入,氫能成本將大幅下降,氫能經(jīng)濟和氫能社會將成為人類社會“深度脫碳”的重要選擇。
中國工程院院刊《Engineering》2021年第6期刊發(fā)《日本氫能戰(zhàn)略及實踐的啟示》,詳細介紹了日本氫能戰(zhàn)略的發(fā)展歷程,分析了氫能在交通運輸、固定電站和其他方面應(yīng)用情況以及實踐啟示。文章指出,在今后向氫能社會轉(zhuǎn)變的過程中,需要進一步提升公眾的接受度、加強國家間合作。
氫能因其可通過可再生能源制備(可再生能源的分布比化石燃料更為均勻),并可在無溫室氣體排放的情況下轉(zhuǎn)化為電能和熱能,有望在人類的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在可再生能源得到廣泛利用,大規(guī)模儲能及運輸興起的背景下,氫能的重要性愈加明顯。
日本在先進氫能技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位,這源于其近半個世紀以來持續(xù)致力于氫能相關(guān)材料、裝置和系統(tǒng)開發(fā)所奠定的堅實基礎(chǔ)。受1973年石油危機的影響,1974年日本啟動了名為“SUNSHINE”的第一個國家氫能項目,隨后其被1993—2000年的“New SUNSHINE”項目所接替。
日本氫能協(xié)會成立于1973年,當時正值石油危機時期。作為遏制全球氣候變暖的一項舉措,日本在1993年開始了世界能源網(wǎng)絡(luò)(WE-NET)項目(圖1)。該項目提出了構(gòu)建清潔能源網(wǎng)絡(luò)的概念,即通過氫能將可再生能源與發(fā)電和交通運輸?shù)裙檬聵I(yè)聯(lián)系起來。2011年3月11日東日本大地震導(dǎo)致核電站發(fā)生泄漏事故后,日本政府在2014年的第四個基本能源計劃中著重強調(diào)了氫能的重要性。2014年12月15日,燃料電池汽車(FCV)Mirai首次實現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn),極大推動了氫能社會的進步,使得2015年成為日本的氫能元年。2017年12月,日本成為首個發(fā)布氫能基本戰(zhàn)略的國家(圖2)。該戰(zhàn)略的主要目標是實現(xiàn)氫氣與化石燃料的成本平價,大力推廣氫能應(yīng)用,打造出真正意義上的氫能社會。
圖1 WE-NET項目提出了建立清潔能源網(wǎng)絡(luò)的概念。LH2:液氫。經(jīng)New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO),?2020許可,轉(zhuǎn)載自參考文獻
圖2 日本氫能基本戰(zhàn)略的設(shè)想。CCS:碳捕集與封存;α:附加部分;LNG:液化天然氣。經(jīng)Ministry of Economy, Trade and Industry (METI),?2017許可,轉(zhuǎn)載自參考文獻
日本的氫能產(chǎn)業(yè)涵蓋了從生產(chǎn)到應(yīng)用的整條供應(yīng)鏈,如圖3所示。目前,日本國內(nèi)氫源主要來自于天然氣重整制氫和副產(chǎn)氫。碳捕集與封存(CCS)技術(shù)可以成為通過化石燃料制氫而不排放二氧化碳(CO2)的方法。利用可再生能源制氫是生產(chǎn)氫氣而不排放二氧化碳的理想方式,世界上最大的太陽能制氫設(shè)施(10 MW)于2020年3月竣工。同時, 使用液氫、甲基環(huán)己烷(MCH)和氨的國際氫供應(yīng)鏈可補充有限的國內(nèi)產(chǎn)能并降低成本。
圖3 日本氫能產(chǎn)業(yè)概述。LP gas:液化石油氣;RES:可再生能源;SOFC:固體氧化物燃料電池;MGT:微型燃氣輪機;JHyM:Japan HydrogenMobility。經(jīng)METI,?2019許可,轉(zhuǎn)載自參考文獻
氫能的應(yīng)用可分為三類:交通運輸類、固定電站類和其他類。截至2020年9月,日本已售出包括豐田Mirai和本田Clarity車型在內(nèi)的約3700輛燃料電池汽車。迄今為止,Mirai車型在全球的銷量已突破10 000臺,新一代Mirai II于2020年12月發(fā)布,其續(xù)航里程超過800 km。豐田為加強其在全球燃料電池(FC)交通運輸領(lǐng)域的地位,還與中國的汽車企業(yè)共同注冊成立了一家合資公司。目前,日本已有約20輛燃料電池巴士投入運營,并計劃在2020年東京奧運會期間投入100輛。截至2020年9月,日本共售出約160輛燃料電池叉車,2020年全年的銷售目標為500輛。此外,燃料電池卡車及船舶等其他交通運輸應(yīng)用目前正處于示范階段。日本目前投入運營的加氫站數(shù)量約為130座(包括移動式加氫站),預(yù)計到2025年,在Japan Hydrogen Mobility (JHyM)(由私營公司、金融機構(gòu)和政府機構(gòu)組成的財團)的支持下,加氫站總數(shù)將增加至320座。降低成本是加氫站得以推廣普及的最重要因素之一,這不僅需要技術(shù)的進步,還需要監(jiān)管的放松。
Ene-Farm是一套住宅燃料電池系統(tǒng),配備700 W固體高分子型燃料電池(PEFC)或固體氧化物燃料電池(SOFC),利用天然氣或丙烷氣制氫實現(xiàn)熱電聯(lián)供。盡管在氫氣原位制取過程中不可避免地會排放二氧化碳,但其總能效高達85%,與采用傳統(tǒng)電力的住宅相比,可實現(xiàn)每套系統(tǒng)每年減少1.3 t的二氧化碳排放。研發(fā)(R&D)的重點是降低成本和尺寸,以及延長使用壽命。在東日本大地震后,Ene-Farm銷量大幅增長,到目前為止,已安裝超過37.2萬套。工業(yè)和商用燃料電池系統(tǒng)主要集中在SOFC上,因其比PEFC的發(fā)電效率更高。2017年,京瓷(Kyosera)開始銷售3 kW的SOFC系統(tǒng),其發(fā)電效率為52%,總能效(包括電和熱)達到90%。2019年, 三浦(Miura) 發(fā)布了4.2 kW的SOFC系統(tǒng),其發(fā)電效率為50%,總能效為90%。2020年,東京燃氣公司聯(lián)合三浦開始研制5 kW SOFC系統(tǒng),其發(fā)電效率可達65%。早在2015年春,三菱日立電力系統(tǒng)(MHPS)就開始在九州大學伊都校區(qū)示范SOFC和微型燃氣輪機(MGT)集成的加壓混合發(fā)電系統(tǒng)(MEGAMIE)。與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比,這套250 kW的系統(tǒng)實現(xiàn)了55%的發(fā)電效率并減少了47%的二氧化碳排放量。目前,研究人員正在研制1 MW級的MEGAMIE系統(tǒng),并計劃在將來的大型項目中建造由SOFC、燃氣輪機和蒸汽輪機組成的100 MW級集成發(fā)電系統(tǒng)來取代火力發(fā)電廠。
值得強調(diào)的是,上述民用和工業(yè)用燃料電池系統(tǒng)基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,采用天然氣或丙烷氣作為燃料。與傳統(tǒng)電力傳輸相比,這種分布式發(fā)電系統(tǒng)具有更高的能效和更低的二氧化碳排放。當燃料在將來改用純氫時,這些優(yōu)勢將更加顯著。
氫氣燃燒是一種可用于大規(guī)模發(fā)電的方法,比如目前為用戶提供可靠電力供應(yīng)的熱電廠就是采用上述方式。2018年1月,MHPS成功論證了一臺采用30%氫氣與天然氣混合燃料的700 MW大型燃氣輪機,可使二氧化碳排放減少10%。2020年3月,該系統(tǒng)收到了美國一家發(fā)電廠的訂單。與采用氫混合燃料的汽輪機相比,開發(fā)純氫大型汽輪機更具挑戰(zhàn)性。2018年,川崎重工成功測試了一臺100%氫燃料1 MW渦輪機。此外,還對氫載體的燃燒進行了測試。2014年,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)以含30%氨的煤油為燃料,通過燃氣輪機實現(xiàn)了21 kW發(fā)電,2015年通過燃燒甲烷-氨氣混合物和100%氨氣實現(xiàn)了41.8 kW發(fā)電。2018年,IHI株式會社成功示范了氨與煤(煤與氨的混合燃料中含有20%的氨)的共燒。2020年,AIST論證了一套MCH供應(yīng)鏈,該供應(yīng)鏈利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣進行氫共燒發(fā)電。這個共燒系統(tǒng)采用60%氫氣與柴油的混合燃料,可以在300 kW功率下運行700 多個小時。
除能源領(lǐng)域的應(yīng)用外,氫還可用來打造綠色工業(yè)過程。例如,在煉鋼過程中采用氫還原鐵礦石。為開發(fā)環(huán)境友好型煉鋼技術(shù),日本制定了一項名為“通過創(chuàng)新技術(shù)在煉鋼過程中減少最終二氧化碳排放”的倡議(COURSE 50),旨在通過抑制高爐的二氧化碳排放以及從高爐煤氣中捕獲、分離和回收二氧化碳,使二氧化碳排放量減少約30%。
一座名為HARUMI FLAG的氫能小鎮(zhèn)將首次在2020年東京奧運會奧運村落成。該小鎮(zhèn)是日本首座擁有完整氫基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的地方,包括:一座用于公交系統(tǒng)的快速加氫站;向居民區(qū)和燃料電池汽車輸送燃料和氫的地下管道;供公用空間和商業(yè)建筑使用的下一代燃料電池;以及用于所有私人住宅的Ene-Farm。
相比于新型氫能小鎮(zhèn),打造符合當?shù)刭Y源及需求的氫能社會具有更大的挑戰(zhàn)性,但同時也更具有現(xiàn)實意義。為此,日本環(huán)境省推出了一個通過構(gòu)建區(qū)域低碳氫氣供應(yīng)鏈來創(chuàng)建氫能社會的項目(圖4)。在這些項目中,氫氣可通過以下方式制?。孩倮蔑L電、太陽能和小型水電的電能水解制氫;②利用牲畜糞便和廢塑料制氫;③利用燒堿生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)氣制氫。氫氣以各種方式(如管道、氣瓶、高壓長管拖車以及合金儲氫罐等)從生產(chǎn)地輸送到終端用戶(如叉車、加氫站、酒店、游泳池、溫泉等)。這些示范為建立一個具有低碳氫供應(yīng)鏈的地區(qū)性氫能社會提供了重要啟示。換言之,創(chuàng)建一個符合當?shù)貤l件且現(xiàn)實可行的氫能社會是極為必要的。
圖4 在日本創(chuàng)建多樣化的氫能社會。(a)氫能社會的樣貌;(b)建設(shè)區(qū)域性低碳氫能供應(yīng)鏈的項目。經(jīng)Ministry of the Environment, Governmentof Japan, ?2016許可,轉(zhuǎn)載自參考文獻
向全新氫能社會的轉(zhuǎn)變要求提升公眾對此的接受程度。根據(jù)調(diào)查報告的結(jié)果,日本公眾對氫能技術(shù)的認識有了顯著提升,特別是在燃料電池汽車方面。氫能展覽在這一過程中將發(fā)揮重要的作用,借此可提供最新的相關(guān)信息,使參觀者有機會看到并體驗這些先進技術(shù)所發(fā)揮的重要作用。例如,九州大學伊都校區(qū)的氫能展廳每年會接待約8000名參觀者,在那里,示范版和商業(yè)版的燃料電池汽車(Mirai和Clarity)、Ene-Farms、MEGAMIE以及加氫站均向參觀者開放。
國際合作是加速實現(xiàn)氫經(jīng)濟并達成2015年12月在巴黎舉行的聯(lián)合國氣候變化大會(第21屆締約方會議,COP21)上通過的《巴黎協(xié)定》目標的另一重要方面。日本還積極推進政府和產(chǎn)業(yè)層面的國際活動。氫能委員會(Hydrogen Council)成立于2017年1月,是由領(lǐng)先的能源、運輸和工業(yè)企業(yè)發(fā)起的全球性倡議,旨在以團結(jié)和長遠的眼光加速氫經(jīng)濟的發(fā)展。2018年10月,日本舉辦了首次部長級會議,鼓勵世界各國推動全球范圍內(nèi)的氫能利用,并進一步鞏固成員國之間的和諧合作。2019年6月,日本主辦的二十國集團(G20)峰會的公報和行動計劃中首次提到了氫能的重要性。
福島一直在與核電站災(zāi)難作斗爭,但它將通過可再生能源制氫重新崛起。福島氫能研究基地的建設(shè)(圖5),不僅會促進福島的復(fù)興,同時也證明氫氣可以成為一種最優(yōu)的解決方案,其可以確??煽康哪茉垂?yīng),改善自然環(huán)境,以及創(chuàng)造出可持續(xù)、豐富多彩的美好生活。2020年被稱為“國際氫能社會元年”,它將被單獨定義和具體設(shè)計。不斷推進氫能技術(shù)研發(fā),加強國際合作,必將加速實現(xiàn)真正的氫能社會。
圖5 福島氫能研究基地。經(jīng)Government of Japan,?2020許可,轉(zhuǎn)載自參考文獻
注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可查看原文。
改編原文:
Hai-Wen Li, Nobuyuki Nishimiya.Insight from Japan’s Hydrogen Strategy and Activities[J].Engineering,2021,7(6):722-725.
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