日本氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

賈 光

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 能源戰(zhàn)略計(jì)劃

“能源戰(zhàn)略計(jì)劃”[1]由日本政府(GOJ)制定，旨在向公眾展示日本能源政策基本法案下的日本能源政策的方向，指出了加速實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的以下5項(xiàng)措施：

a)推廣使用家用燃料電池系統(tǒng)。目標(biāo)是2020年達(dá)到140萬套，2030年達(dá)到530萬套。

b)加速創(chuàng)造有利于燃料電池汽車市場的環(huán)境。通過監(jiān)管改革和支持措施，大力推廣建設(shè)加氫站(主要是四大都市區(qū))。

c)實(shí)現(xiàn)氫氣發(fā)電等新技術(shù)，全面利用氫氣。不僅要發(fā)展家用燃料電池系統(tǒng)和燃料電池，還要擴(kuò)大氫發(fā)電。

d)促進(jìn)氫生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展，以穩(wěn)定氫氣供應(yīng)。通過使用工業(yè)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物氫氣或通過重整天然氣/石腦油供應(yīng)氫氣能夠滿足現(xiàn)階段的要求，但為了全面利用氫，還需要開發(fā)其他工藝并進(jìn)行商業(yè)化。

e)制定路線圖以實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)，包括與生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用氫氣有關(guān)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如使用先進(jìn)技術(shù)大規(guī)模儲(chǔ)存和長途運(yùn)輸氫氣、燃料電池系統(tǒng)、氫能發(fā)電等。

2 氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖及意義

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2013年12月成立了“氫和燃料電池戰(zhàn)略委員會(huì)”，該委員會(huì)通過與工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的合作來研究未來氫能利用的理想方法。2014年6月23日，“氫和燃料電池戰(zhàn)略委員會(huì)”編制了氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖[2]，其中包含了實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)應(yīng)采取的措施。

2.1 實(shí)現(xiàn)“氫能社會(huì)”的3個(gè)階段

第1階段，氫氣使用的大幅擴(kuò)張。大幅擴(kuò)大家用燃料電池系統(tǒng)和燃料電池汽車的使用，占據(jù)氫和家用燃料電池系統(tǒng)全球市場的領(lǐng)先地位。為提高氫能認(rèn)可度，東京都政府決定，2020年奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)的運(yùn)動(dòng)員村將被建成一個(gè)“氫鎮(zhèn)”，在那里電力和熱水將通過氫能源供應(yīng)。

第2階段，全面引入氫能發(fā)電/建立大規(guī)模供氫系統(tǒng)。進(jìn)一步擴(kuò)大對氫的需求，同時(shí)擴(kuò)大氫源的范圍，從而建立新的二次能源結(jié)構(gòu)，使氫氣成為與電和熱(氣)并列的二次能源。

第3階段，通過改進(jìn)制氫工藝建立全碳零排放的氫能供應(yīng)系統(tǒng)。將氫氣制造技術(shù)與碳捕捉與儲(chǔ)存技術(shù)(CCS)相結(jié)合，或利用可再生能源制氫，以便在整個(gè)氫氣制造過程中實(shí)現(xiàn)零碳排放。

2.2 實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的意義

路線圖是由理事會(huì)在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府部門共同參與編制的，并作為日本政府用來促進(jìn)實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的具體措施。實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的意義如下。

a)節(jié)約能源。利用家用燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率，有助于節(jié)約能源。

b)政治風(fēng)險(xiǎn)低。氫氣是可以增強(qiáng)日本本土能源供應(yīng)安全的資源，未來利用日本的可再生能源制造氫氣也可能增加能源自給率。

c)減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。在使用過程中，氫氣不會(huì)釋放出CO2。利用這一特性，將制氫技術(shù)與碳捕捉與儲(chǔ)存技術(shù)相結(jié)合，或利用來自任何可再生能源制氫，將減少甚至消除整個(gè)供應(yīng)鏈中的CO2排放。然而，如果氫是由化石燃料(如煤)生產(chǎn)而沒有碳捕捉與儲(chǔ)存技術(shù)，則會(huì)顯著增加整體CO2排放。

d)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和振興區(qū)域經(jīng)濟(jì)。日本有強(qiáng)大的全球性家用燃料電池系統(tǒng)領(lǐng)域的競爭力。例如，日本是該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量最多的國家，其提交的專利數(shù)量是第二排名國家的5倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家。此外，日本擁有豐富的風(fēng)能等可再生能源，可用于制造氫氣。

3 站內(nèi)制氫與站外制氫

生產(chǎn)氫氣主要有兩種方法：一種是在加氫站現(xiàn)場(站內(nèi))進(jìn)行H2生產(chǎn)；另一種是中央(站外)H2生產(chǎn)，隨后分配到加氫站。目前，氫生產(chǎn)的主要技術(shù)是天然氣的蒸汽重整，蘇打電解的副產(chǎn)物，以及電解水制氫，其中電解水過程中使用的電能主要來源于可再生能源發(fā)電或傳統(tǒng)發(fā)電廠過剩的電力。除了這些來源之外，從太陽能和高溫氣體核反應(yīng)堆獲得的熱能也將發(fā)揮重要作用。

圖1 站內(nèi)制氫和站外制氫加氫站的氫氣來源

受本國自然資源稟賦限制，日本更傾向于利用國外化石燃料制氫，并通過船舶將能源運(yùn)輸回日本[3]。這樣一方面可以降低日本氫能源使用成本，另一方面可以降低日本本土的CO2排放。原因在于日本政府承諾，與2013年相比，2030年CO2減排26%，2050年CO2減排50%[4]。

如圖1所示，日本使用的所有化石燃料都是從海外進(jìn)口，然后運(yùn)往火力發(fā)電廠，它們的過剩能量可以通過水電解轉(zhuǎn)化為氫氣。另一方面，根據(jù)未來的氫需求，這些化石燃料可以在中央生產(chǎn)場所使用，直接轉(zhuǎn)化為氫氣，然后需要將氫氣輸送到氫氣加注站。同樣，水電、光伏(PV)和輕水核反應(yīng)堆的過剩電力也能轉(zhuǎn)化為供給站外制氫加氫站的氫氣。

由于電力傳輸?shù)某杀具h(yuǎn)低于氫氣直接輸送的成本，因此與站外制氫相比，站內(nèi)制氫(采用電解水的方式制氫)可以有效降低成本。在加氫站與城市連接的地方，也可以使用天然氣管道或液化石油氣輸送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氫氣輸送。

4 新型制氫方法

通過熱化學(xué)水分解將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣的技術(shù)是極有吸引力的。目前，日本已提出并研究了多種熱化學(xué)水分解循環(huán)。如表1所示，兩步“鐵氧體和二氧化鈰”循環(huán)是在1 400 ℃的條件下產(chǎn)生氫氣[5]，但是通過兩步法并不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。廣島大學(xué)及日本跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新促銷計(jì)劃(SIP)正專注于三步堿金屬氧化還原循環(huán)，能夠在低于500 ℃的條件下反應(yīng)制氫[6]。

表1 日本正在研究的熱化學(xué)水分解循環(huán)

5 氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式

5.1 高壓儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫

與壓縮氫氣相比，液氫具有更高的能量密度，因此被認(rèn)為是氫氣大規(guī)模運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選方案。2006年，Iwatani公司開始運(yùn)營日本的氫氣液化裝置“Hydro-Edge”，該裝置每小時(shí)能夠液化約200 kg氫氣。川崎重工的Harima氫氣液化工廠于2014年成立，其液化能力為5 t/d，能夠滿足1 000輛燃料電池汽車的氫能供應(yīng)。

使用液態(tài)氫罐車或拖車每次可以運(yùn)輸2～3 t液態(tài)氫，但液化氫氣消耗的能量約為氫氣能量的30%[7]。此外，由于蒸發(fā)損耗，液體氫氣并不適合長期儲(chǔ)存。因此，雖然壓縮儲(chǔ)氫一次只能運(yùn)輸200～300 kg氫氣，40 MPa的壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫仍被認(rèn)為是氫運(yùn)輸?shù)闹匾侄巍?/p>

5.2 甲苯/甲基環(huán)己烷系統(tǒng)儲(chǔ)氫

作為液化或壓縮氣態(tài)氫的替代品，Chiyoda提出的一種新型的氫供應(yīng)鏈概念，將甲基環(huán)己烷(MCH)作為有機(jī)氫載體(LOHC)[8]。通過氫化反應(yīng)將氫固定在甲苯上，轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)己烷，并使用化學(xué)品罐車裝卸和運(yùn)輸。通過對甲基環(huán)己烷進(jìn)行脫氫反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣提供給現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，甲苯被回收。理論上，從甲基環(huán)己烷產(chǎn)生1 mol氫氣應(yīng)該需要約60 kJ能量，這相當(dāng)于氫氣能量的25%。有機(jī)氫載體是在常溫常壓下大規(guī)模存儲(chǔ)和長距離輸送氫氣的備選方案，與液氫航運(yùn)方案相比，不但降低了能量損耗，而且不需要投入大量資金建造氫氣液化裝置和液氫專用儲(chǔ)運(yùn)船舶。

5.3 液氨儲(chǔ)氫

氨是另一種可能的氫能運(yùn)輸?shù)妮d體。日本跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新促銷計(jì)劃的能源載體項(xiàng)目于2014年啟動(dòng)，特別側(cè)重于高能效的氨和有機(jī)氫化物合成技術(shù)的開發(fā)[9]。因?yàn)榘狈肿拥牧呀鈨H消耗約產(chǎn)生氫能量的12%，氨氣被認(rèn)為是有希望的氫載體。但殘留氨的去除將是非常重要的問題，因即使1×10-6的氨也會(huì)嚴(yán)重?fù)p害質(zhì)子交換膜燃料電池。

6 家用燃料電池系統(tǒng)

從家用燃料電池系統(tǒng)(Ene-Farm)在住宅和移動(dòng)環(huán)境的使用中可看出，日本的燃料電池技術(shù)正處于實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化階段。通過城市燃?xì)馓崛〉臍錃馀c大氣中的氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的家用燃料電池系統(tǒng)的數(shù)量在2014年達(dá)到了10萬多個(gè)。該家用燃料電池系統(tǒng)不是純氫燃料電池系統(tǒng)，其使用城市燃?xì)?天然氣)運(yùn)行，因這種燃?xì)夂苋菀自诿總€(gè)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)重整為氫氣。

典型的家用燃料電池系統(tǒng)的成本約為150萬日元，發(fā)電量為0.7 kW，效率超過80%，遠(yuǎn)高于電能和熱能的效率(均為40%)。與使用來自火力發(fā)電廠的電力以及使用城市燃?xì)獾臒崴?yīng)和供熱的傳統(tǒng)方法相比，燃料電池系統(tǒng)將一次能源消耗降低約35%，二氧化碳排放減少約48%。家用燃料電池系統(tǒng)用戶每年可以節(jié)約水電費(fèi)5～6萬日元，減少約1.5 t的二氧化碳排放。

光伏發(fā)電和家用燃料電池系統(tǒng)的組合稱為“Double Generation”。在該系統(tǒng)中，白天使用光伏發(fā)電，夜間使用來自家用燃料電池系統(tǒng)的電力[10]。

7 結(jié)語

在日本政府的支持下，工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的共同努力下，在實(shí)現(xiàn)氫能源社會(huì)目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展，正朝著商業(yè)化應(yīng)用的方向邁進(jìn)。然而，在氫能源推廣應(yīng)用的過程中，應(yīng)重視氫氣的危險(xiǎn)特性，避免安全事故的發(fā)生。

未來，隨著氫能技術(shù)的進(jìn)步和人們對于氫能認(rèn)可度的提高，氫能在日本乃至全世界能源領(lǐng)域的地位將得到進(jìn)一步提升。