被叫做氫社會(huì)2．0的新的氫社會(huì)建設(shè)已經(jīng)開(kāi)始。現(xiàn)在除了燃料電池以外，儲(chǔ)能電池和可再生能源也起到了重要的作用。世界開(kāi)始向著不依賴(lài)化石能源，且能源利用成本很低的方向發(fā)展。
“氫社會(huì)”的概念已經(jīng)被提出有幾十年了。在這個(gè)社會(huì)里，以氫為能源的主軸（圖1）。然而，就在幾年前，這一概念有所改變，現(xiàn)在人們提及氫社會(huì)時(shí)所指的概念會(huì)有所不同。
圖1已經(jīng)看到的“蓄電池＋氫氣社會(huì)”的全貌
在二者之間有兩個(gè)主要的差異。一個(gè)是新的氫社會(huì)同時(shí)也是電池社會(huì)，儲(chǔ)能電池在城鎮(zhèn)里也同時(shí)得到普及。如下所述，這也是頭一回和鋰離子二次電池一起思考，因?yàn)閺睦硇缘慕?jīng)濟(jì)的角度上來(lái)說(shuō)是可行的。豐田汽車(chē)也設(shè)想了未來(lái)電池和燃料電池共存的場(chǎng)景（圖2）。
圖2． 豐田還致力于蓄電池和燃料電池的共存
另外一個(gè)差異是大規(guī)模制氫的方法和之前的不太一樣。之前，用高溫水蒸氣和天然氣（甲烷）重整制氫是主要的方法注1）。但這種方法生產(chǎn)出的氫并不便宜。
這是因?yàn)樘烊粴獾某杀颈凰氵M(jìn)重整的成本里了，且由于控制難度大，成本也會(huì)相應(yīng)增加。同時(shí)對(duì)化石能源的依賴(lài)也不會(huì)改變。如果說(shuō)有什么優(yōu)勢(shì)的話，就是二氧化碳的排放可以被限制在重整工廠里，同時(shí)如果二氧化碳捕捉、儲(chǔ)存技術(shù)成熟以后，可以大幅的降低二氧化碳排放注2）。
注1）例如，CH4＋2H2O→CO2＋4H2這一種反應(yīng)。
注2）另一方面，各種社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施變化是昂貴的。除了這些痛苦之外，能源采購(gòu)的成本也會(huì)增加，如果獲得的利益不明確，那么實(shí)現(xiàn)的動(dòng)機(jī)也很模糊。無(wú)論政府揮舞旗幟多久，公司仍然在只發(fā)聲不行動(dòng)的，這是不合理的。
可再生能源激增的首選
而從另一方面來(lái)說(shuō)，在新的氫能社會(huì)里，制氫的主要場(chǎng)景是由可再生能源發(fā)電來(lái)電解產(chǎn)生的 注3）。由于這種形式將能量轉(zhuǎn)換為氫氣，也被成為P2G（Power to Gas）。這種形式在之前已經(jīng)被提起過(guò)，但直到幾年前，這個(gè)概念還有點(diǎn)不切實(shí)際，略顯”科幻“。
注3）還有從澳大利亞褐煤中取出的利用價(jià)值低的氫，進(jìn)口到日本并做為補(bǔ)充供應(yīng)的假設(shè)
這是目前最有力的選項(xiàng)。在日本海外，可再生能源是成本最低的能源，電能的價(jià)格經(jīng)常是負(fù)的。在日本，2019年初大概引入了50GW的可再生能源。甚至在九州由于太陽(yáng)能發(fā)電量太多，以至于情況最終變成了對(duì)發(fā)電量輸出加以限制。
現(xiàn)在，大多數(shù)推進(jìn)氫能社會(huì)的人都認(rèn)真的說(shuō)，利用這種可再生能源的剩余能量，可以用P2G大量生產(chǎn)氫氣。 豐田前瞻技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，環(huán)境技術(shù)規(guī)劃辦公室，專(zhuān)業(yè)合伙人廣瀨雄彥先生之前是比利時(shí)氫能協(xié)會(huì)的發(fā)起人，該組織目的是為了促進(jìn)世界氫社會(huì)的建設(shè)。
他表示，”為了降低全世界的CO2排放，大多數(shù)的發(fā)電系統(tǒng)都有必要是可再生能源，但是在緩沖能量輸出波動(dòng)方面，氫是一種非常有效的方式。
制氫沖刺已經(jīng)開(kāi)始
一些具體的努力已經(jīng)開(kāi)始。2019年1月31日起，福島縣的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 福島可再生能源中心將用100％可再生能源制造生產(chǎn)氫氣，向東京輸送無(wú)二氧化碳的氫氣，以供燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行。這也是計(jì)劃于2020年7月在福島縣南美市全面運(yùn)營(yíng)的P2G研究設(shè)施“FH2R？”的先期宣傳。
＊＊ ＊＊ FH2R（福島氫能研究領(lǐng)域）＊＊ ＝ NEDO、東芝能源系統(tǒng)、東北電力和巖谷產(chǎn)業(yè)共同促進(jìn)的一個(gè)項(xiàng)目，如項(xiàng)目下使用10MW的太陽(yáng)能光電的電力來(lái)電解水制氫。
圖3 可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的時(shí)代
在海外也有這樣的趨勢(shì)。在德國(guó)，幾個(gè)100MW規(guī)模的P2G設(shè)施項(xiàng)目將在2018年啟動(dòng)，并將于2022年左右投入運(yùn)營(yíng)。該國(guó)政府也在探討在2030年應(yīng)用2G－3GW級(jí)別的P2G。
分散型的P2G同時(shí)開(kāi)展
不僅僅在大型發(fā)電站，在終端氫氣站和小型燃料電池發(fā)電廠也可以使用可再生能源生產(chǎn)氫氣。
（a）本田的“智能氫氣站” 電力使用者在現(xiàn)場(chǎng)利用可再生能源生產(chǎn)和使用氫的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)出現(xiàn)。本田開(kāi)發(fā)了“智能氫氣站（SHS）”，基于可再生能源生產(chǎn)氫氣并供應(yīng)給汽車(chē)。
（b）東芝的氫氣生產(chǎn)和儲(chǔ)存，F(xiàn)C發(fā)電／儲(chǔ)存集成容器“H2One” 已經(jīng)在日本20各地點(diǎn)推出。東芝在東日本鐵路公司的川崎市的武藏溝口車(chē)站安裝了安裝三個(gè)H2One蓄電池，P2G ／ FC和儲(chǔ)氫一體化容器。
（c）德國(guó)（下薩克森州北部） 位于德國(guó)北部的下薩克森州從2018年秋季起開(kāi)始運(yùn)營(yíng)FC列車(chē)，估計(jì)10兆瓦的風(fēng)力發(fā)電可為15輛FC列車(chē)提供足夠的氫氣。
（d）中國(guó)·大連市 2016年，中國(guó)負(fù)責(zé)可再生能源和燃料電池國(guó)家項(xiàng)目的同濟(jì)大學(xué)在大連引進(jìn)了一個(gè)氫能站，該站用光伏和風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)氫氣。
目前在日本20個(gè)地方開(kāi)發(fā)了“智能氫氣站（SHS）”，用小型水電解裝置當(dāng)場(chǎng)制氫。東芝開(kāi)發(fā)了一種一體機(jī)，包括蓄電池、水電解設(shè)備、儲(chǔ)氫裝置、FC發(fā)電系統(tǒng)和熱水儲(chǔ)存系統(tǒng)，并開(kāi)始在站點(diǎn)內(nèi)安裝。德國(guó)計(jì)劃向燃料電池列車(chē)提供用可再生能源產(chǎn)生的氫氣。
引入500GW的可再生能源具備可能
對(duì)于可再生能源運(yùn)營(yíng)商，基于可再生能源的P2G也是順?biāo)浦邸＿@是因?yàn)樵谌毡疽氲拇蟛糠挚稍偕茉炊际沁^(guò)剩的。這種情況下，在天氣狀況良好的情況下，唯一的辦法就是不公平的低價(jià)賣(mài)出或者扔掉。如果將電力用于水電解，那么發(fā)電運(yùn)營(yíng)商和氫的使用者將成為雙贏關(guān)系，同時(shí)獲得很多益處。
具體來(lái)說(shuō)，首先，這樣對(duì)引入的可再生能源的電力系統(tǒng)或傳輸線路的容量沒(méi)有限制（圖5）。一些大學(xué)的研究者認(rèn)為可以入日本的可再生能源將達(dá)到500GW，現(xiàn)在的10倍，基本上是日本電力系統(tǒng)最大容量的三倍。
引入氫／燃料電池的四個(gè)主要影響
我們總結(jié)了將氫／燃料電池與蓄電池結(jié)合使用的社會(huì)影響。平整不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間平整，還實(shí)現(xiàn)了空間平整。例如，有可能在海外可再生能源成本很低的地方生產(chǎn)氫氣，并將其輸入日本。除了燃料電池汽車(chē)的擴(kuò)散之外，做為工業(yè)原料的使用得到促進(jìn)，可以大大降低CO2的排放，同時(shí)可以大大降低做為燃料單獨(dú)每年花費(fèi)20萬(wàn)億日元的石油進(jìn)口成本。
還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)“時(shí)間均衡”，可再生能源的產(chǎn)量根據(jù)天氣的波動(dòng)存在很大的問(wèn)題，但在輸出波動(dòng)中，波動(dòng)周期少于一天的“高頻”部分倍鋰電池吸收，在雨水天氣超過(guò)一天的“低頻”部分，這一類(lèi)的波動(dòng)可以通過(guò)控制氫氣的產(chǎn)生來(lái)進(jìn)行吸收。這使得將可再生能源做為“基礎(chǔ)負(fù)載電源”具備可行性。
除此以外，還可以實(shí)現(xiàn)“空間均衡”。在日本九州的太陽(yáng)能發(fā)電和北海道、東北的風(fēng)力發(fā)電分布不均的問(wèn)題就可以得到有效的解決。氫氣也可以進(jìn)行運(yùn)輸。這可以將故事不僅僅局限于日本，還可以在澳大利亞、智利等地利用可再生能源制氫再進(jìn)口至日本。
“剩余”氫氣進(jìn)入汽車(chē)和化學(xué)工廠
如果可再生能源的輸出達(dá)到500GW或者更多，即使所有的能量需求都由可再生能源滿足，仍然有可能性會(huì)發(fā)生一些變化注4）。可能會(huì)出現(xiàn)由于氫氣產(chǎn)量過(guò)高以至于過(guò)剩的情況。
注4）：日本的年耗電量大約為1萬(wàn)億千瓦時(shí)（1000 TWh）。假設(shè)500G瓦是太陽(yáng)能，那么年發(fā)電量總額大概就是600TWh，設(shè)備運(yùn)行率為12％，僅為所需數(shù)量的60％左右。如果200GW是太陽(yáng)能發(fā)電，300GW是風(fēng)力發(fā)電（設(shè)備運(yùn)行率為30％），則年發(fā)電量為1028TWh，超過(guò)需求量。
NEDO的下一代電池、氫燃料電池、和氫氣組的首席研究員，大平英二先生表示，日本的電力消耗僅占總能耗的1／4。另外1／4是汽車(chē)等交通工具，而其余的一半是以工業(yè)和熱的形式消耗了。
“在馬上用電的情況下，我們可以使用鋰離子二次電池，但如果再其他應(yīng)用或者長(zhǎng)期儲(chǔ)存的情況下，我們可以把他轉(zhuǎn)換為氫氣”，NEDO的大平先生建議根據(jù)不同的目的使用不同的方式。
電池使氫更便宜
未來(lái)氫氣的生產(chǎn)成本可能急劇下降。當(dāng)下，使用可再生能源電解制氫已經(jīng)被指出“無(wú)法建立經(jīng)濟(jì)可行性”。這一判斷的基礎(chǔ)是最初的水電解運(yùn)行效率被認(rèn)為很低。特別是對(duì)于過(guò)剩的電力，可能存在5％或者更低的運(yùn)行效率。而另一方面，為了使水電解最大化，必須使裝置的規(guī)模等于輸出的波動(dòng)的峰值。“這就是為什么我們無(wú)法收回投資成本，氫氣的生產(chǎn)成本將非常高。”
東京大學(xué)國(guó)際高等研究所的古山先生和可持續(xù)性科學(xué)國(guó)際合作研究所的副教授菊池康紀(jì)在2018年12月宣布他們已經(jīng)找到了推翻這一理論的條件（圖6）。關(guān)鍵是連接到電力系統(tǒng)的固定式儲(chǔ)能電池。如果儲(chǔ)能電池相對(duì)便宜，則可以以低成本平衡一天的波動(dòng)。然后水電解裝置的體積可以相應(yīng)降低，同時(shí)運(yùn)行效率也可以得到提升。氫氣的生產(chǎn)成本得到顯著下降。
6）蓄電池的氫氣生產(chǎn)成本更低
（a）通過(guò)蓄電池的輸出均衡來(lái)降低設(shè)備成本并提高運(yùn)行率 物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)和東京大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明了將P2G／FC與蓄電池結(jié)合使用的必要性。如果沒(méi)有LIB等蓄電池進(jìn)行平整，水電解系統(tǒng)需要引入與可再生能源發(fā)電峰值相匹配的規(guī)模的設(shè)備。然而，在這種系統(tǒng)下，由于水電解系統(tǒng)的容量利用率低，所以投資回報(bào)期大幅延長(zhǎng)，制氫的成本仍然很高。另一方面，通過(guò)用蓄電池減小輸出波動(dòng)后使用水電解裝置，可以以高運(yùn)行率使用小規(guī)模的設(shè)備，并且可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)投資。最終實(shí)現(xiàn)氫的生產(chǎn)成本下降。
（b）具體的試算舉例 通過(guò)這樣的組合，預(yù)計(jì)2030年左右的氫氣將在30日元左右，而且與汽油相比具備成本競(jìng)爭(zhēng)力。
具體而言，2030年，日本預(yù)計(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電成本為7日元／kWh，蓄電池的系統(tǒng)成本為2萬(wàn)日元／kWh，水電解系統(tǒng)的功率成本為5萬(wàn)日元／kW，假設(shè)使用壽命為10年，則氫氣的生產(chǎn)成本估計(jì)為約30日元／Nm3。這相當(dāng)于目前汽油成本的三分之一左右，NIMS的古山表示“未來(lái)會(huì)更加便宜”。
便利店和酒店利用燃料電池發(fā)電
為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)新型的氫社會(huì)，已經(jīng)有一些在城市間的便利店和酒店里安裝燃料電池發(fā)電裝置的舉動(dòng)。到目前為止，松下和東芝能源系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了“Enepharm”裝置，該裝置通過(guò)重整城市的燃?xì)獠⑼ㄟ^(guò)燃料電池來(lái)進(jìn)行發(fā)電注5），但也開(kāi)發(fā)基于純氫發(fā)電的燃料電池裝置。
這兩者都使用固體高分子型燃料電池（PEFC）類(lèi)型，但不適用能量進(jìn)行重整，松下設(shè)備的發(fā)電效率為57％，東芝能源系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)電效率為50％或更高，兩者都是傳統(tǒng)的PEFC類(lèi)型，但效率要高于“Enepharm”。
注5）東芝已經(jīng)于2017年7月結(jié)束了Enefarm的銷(xiāo)售。
圖7 松下和東芝參與純氫燃料電池發(fā)電機(jī)
松下（a）和東芝（b）純氫燃料電池發(fā)電機(jī)及其應(yīng)用擴(kuò)展工作如圖所示。 松下采用城市天燃?xì)庵卣茪涔┙o其家用燃料電池系統(tǒng)“ENE－FARM”，將發(fā)電規(guī)模增加到5千瓦，并將其出售給便利店和公寓的公共區(qū)域。
東芝開(kāi)發(fā)了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)“H2Rex”，除發(fā)電外還可供熱（熱水），并于2018年5月將其引入神奈川縣川崎市的一家酒店。
松下目前正在川崎市的氫氣站安裝1號(hào)機(jī)組，并在其展示廳內(nèi)使用該制氫裝置生產(chǎn)的氫氣。在未來(lái)該公司計(jì)劃向氫氣站周邊的便利店、公寓等新建一條氫氣管道，并且利用燃料電池發(fā)電機(jī)發(fā)電。
然而，在2018年1月，東芝能源系統(tǒng)在7－11本社的店鋪內(nèi)引入了一個(gè)純氫氣燃料電池發(fā)電機(jī)H2Rex。在同年5月，H2Rex被引入羽田機(jī)場(chǎng)附近的一家酒店，還能提供將發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量作熱水的功能。
據(jù)說(shuō)可以供應(yīng)該酒店30％的能源需求。氫氣通過(guò)氫氣管道由昭和電工的廢塑料工廠供應(yīng)，該工廠距離約5公里。
燃?xì)廨啓C(jī)也可使用氫氣
PEFC型的氫燃料電池發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率為57％，固體氧化物燃料電池發(fā)電效率使65％，基于PEFC和SOFC的“良好技術(shù)”的質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷燃料電池（PCFC）預(yù)計(jì)將高達(dá)75％。效率超過(guò)火力發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)的65％。那么，是否有可能增加燃料電池發(fā)電機(jī)來(lái)取代火力發(fā)電廠呢？
NEDO的大平先生表示，”在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)過(guò)這種想法，但燃?xì)廨啓C(jī)可以從規(guī)模中受益，對(duì)燃料電池發(fā)電則是不可想象的，因?yàn)楣β屎统杀臼浅烧壤摹！蹦壳埃谌細(xì)廨啓C(jī)中使用氫氣的演示實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中（圖8）。
（a）神戶港島氫氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)
氫的使用不僅僅限于使用FC的發(fā)電的探索已經(jīng)開(kāi)始，在神戶港島，正在進(jìn)行使用氫氣輪機(jī)的示范試驗(yàn)。
（b）英格蘭中部進(jìn)行的大規(guī)模制氫和管道規(guī)劃
圖8 努力實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模分布的進(jìn)展
在英國(guó)，2014年至2016年，在該國(guó)中部的利茲市進(jìn)行了一次“H21利茲城門(mén)”示范實(shí)驗(yàn)，將供應(yīng)給家庭和建筑的天燃?xì)廪D(zhuǎn)換為氫氣。目前，正在進(jìn)行的”英格蘭北部H21（NOE）項(xiàng)目“比其大10倍，正在進(jìn)行中，還規(guī)劃了非常大的8TWh的儲(chǔ)氫容量。
據(jù)大平表示，氫燃料電池和氫燃?xì)廨啓C(jī)的功率分歧點(diǎn)在1MW。燃料電池發(fā)電裝置更適合家庭到中型建筑，對(duì)于大型建筑和社區(qū)才是氫燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的場(chǎng)景。
例如，在英國(guó)中部地區(qū)，包括6個(gè)城市，將天然氣轉(zhuǎn)換為氫氣的項(xiàng)目正在大規(guī)模進(jìn)行注6）。從現(xiàn)在開(kāi)始，將有可能聽(tīng)到全世界氫社會(huì)建設(shè)的聲音。
注6） 該項(xiàng)目的主要?dú)錃鈦?lái)源于天然氣的重整。H21 NoE還考慮引入1．5GW的水電解槽，但令人失望的是成本過(guò)高。
（來(lái)源：OFweek氫能網(wǎng)）
