氢气革命,改变能源结构——氢能源的应用之路

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随着燃料电池汽车开始上市销售等,从2014年起日本利用氢能源的动向变得活跃起来。氢气的使用,能够怎样改变能源构造呢?

氢气应用,日趋活跃

2014年是日本氢能源应用的始动元年。当年6月,经济产业省所属的氢气与燃料电池战略协议会,提出了“氢气与燃料电池战略路线图”。11月,东京都打出了要让2020年东京奥运会成为迈向氢社会重要一步的方针,并公布了具体的政策措施和预算计划。之后,本田技研工业和丰田汽车决定把燃料电池汽车投放市场,岩谷产业和JX日矿日石能源株式会社公布了加氢站的氢气销售价格。氢能源迈向实用化的动向一下子变得活跃起来。

原本日本在氢燃料电池实用化方面就一直大幅领先于其他国家。2009年,东京GAS公司和松下电器公司在世界上率先把家用燃料电池推向市场,凭这一点就可见略见一斑。而到了2014年12月,丰田终于实现了量产型燃料电池汽车的市场销售。这也是世界首创,吸引了众多媒体的关注。

利用氢气的意义

氢气的利用,其意义可概括为以下五点。

首先,氢气在使用时不会排放二氧化碳,是“生态友好型”能源资源。当然,这仅限于在使用的时候。在氢气制备过程中如果使用化石燃料,会抵消氢气的这种优势。因此,只有在使用可再生能源来制氢的情况下,才能充分发挥氢气的环保特性。

其次,把氢气作为燃料电池使用时,因为是通过发生电化反应产生电力,因此能源转换效率非常高,能够成为节能环保的王牌。电力公司所发的电,笼统地说有大约60%是被白白浪费掉的。而燃料电池发电,可以大幅减少这种能源损耗。另外,家用和楼宇用的固定型燃料电池,由于可以同时供给热能和电力,单凭这一点其节能效果也很好。

第三,燃料电池汽车和固定型燃料电池,在地震等紧急情况发生时可以作为应急能源的供给源,成为守护人们生命和生活的武器。燃料电池的普及,有助于提高防灾能力。

第四,氢气可以通过多种方法制备,不仅可以作为能源的原料,还能用作能源运输的手段。因此,如果和其他的能源原料组合使用,可以起到弥补它们的弱点,以进一步发挥其优势的作用。在某种意义上讲,这种“能够改变整体能源结构的潜在可能性”,才是氢气应用的最大魅力。关于这种潜在可能性,将在本文的后半部分进行具体阐述。

第五,是对于日本的意义。我国的氢气利用技术处于世界领先地位,如果氢气的应用进一步发展,将有助于激发日本经济整体的活力和扩大就业。有关燃料电池技术的专利申请数量,按国别来看日本占世界首位,而且把第二名远远抛在了后面。在储氢罐的制造方面,日本厂商很有竞争力。在氢气运用领域,和地热发电等领域一样,我国企业能够确保竞争优势。

氢气利用的难题——成本、居民参与、供应链

但是,在氢气的利用上还存在一些问题,这也是事实。

最大的问题就是降低成本。不管是多好的能源资源,只要成本过高就不可能普及。而降低成本的捷径,毫无疑问是技术革新,但除此之外,在以下几个方面也需要作出努力:①把氢气和其他成本低廉的能源资源组合使用,既能发挥氢气的优势,又可以提高整体性价比;②当前,可先使用相对成本较低的副生氢气(生产过程中很多时候要使用化石燃料),完善氢气供应的基础设施,通过氢气应用设备的量产化效果来降低成本,然后再增大利用由可再生能源生产的“绿色”氢气等。

另一个问题,是构建居民参与建设氢社会的机制。为此,在保证安全性和税收负担等方面无疑需要有一种确切的程式来求得公众的广泛支持。从国际上看,氢气应用由于适合采用分散式能源供给方式,很多情况下是可以按不同地区来分别推进的。立足于本地,推进氢气社会建设,居民的参与是不可或缺的要素。

作为现实问题,是同时建立氢气供应链的重要性。燃料电池汽车和加氢站之间的关系,很多时候被比作是“先有鸡还是先有蛋”。因为两者都相互以对方的普及为前提,因而总是观望,导致一直难以有所进展的结果。但最近,已经有人用“鲜花和蜜蜂”来形容它们的关系了。也就是说,它们已经认识到了相互间的相生关系,正在同时发力推进燃料电池汽车和加氢站的建设。

我国虽在燃料电池的开发和应用方面走在世界的最前列,然而氢气基础设施建设还远远落后于世界。但是现在,东京都把2020年的东京奥运会和残奥会视为实现氢社会、构建供应链的绝好机会,其制定的计划吸引了社会关注。

氢气和其他能源的结合,来自日本的两种方法

扩大氢气应用的关键之一,是“组合使用氢气和其他成本低廉的能源资原,这样既能发挥氢气的优势,又可以提高整体的性价比”。那么具体有些什么方法呢?

和煤炭组合使用的“二氧化碳零排放氢气供应链”

把“成本高但环保特性突出”的氢气和“廉价但环保特性差”的煤炭组合使用,可以发挥优势互补的效果。一个具体实例,就是川崎重工业株式会社正在致力于推向商用的基于褐煤的二氧化碳零排放氢气供应链项目。

其具体做法是这样的。在澳大利亚维多利亚州,利用褐煤(*1)煤气化氢气制备装置,在当地进行“二氧化碳收集储存”(CCS),使用专用运输船把氢气从载货基地运回日本的卸货基地,然后以氢气发电、氢能源汽车等形式满足我国国内的需求。

如果这一氢气供应链得以实现,二氧化碳收集储存的真正实施和氢气应用的扩大,将对地球环境保护做出巨大贡献,还能产生其他一系列效果。

对于澳大利亚,特别是对于和该国新南威尔士州和昆士兰州相比高品位煤炭资源不多的维多利亚州来说,通过褐煤煤气化氢气制备装置产生的副产品氨和尿素,如果能够用于振兴发展当地的化学工业和化肥制造业,那么就能解决烦恼多年的低品位褐煤有效利用问题了。

另一方面,对于日本来说,通过这种类似于“双边信贷抵消方式”的做法,如果让那些参与开展二氧化碳收集储存并在日本国内使用氢气发电的企业,同时建立一个系统,在一定程度上允许新增设采用最新技术的煤炭火力发电厂,那么就能够控制发电燃料成本的进一步高涨。而发电燃料成本高涨正是日本经济最大的威胁之一。这样,构建基于褐煤的二氧化碳零排放的氢气供应链,就成为一个具有多重意义的项目。(“所谓两国间抵消信贷方式”,是指向外国转移减少温室气体排放的低碳技术来降低温室气体排放,在技术转让国和接受国之间分配由此产生的经济效益的一种机制。)

便于运输和储存的“SPERA氢气”

氢气,可以和石油、天然气、风力、太阳能组合使用。千代田化工建设公司正在推进的商用“SPERA氢气”项目,就是其中一个具体实例。

“SPERA”这个词,在拉丁语中有“希望”的意思。该公司的计划是,在油气田、煤矿、大规模风力发电站附近设置成套设备,将制备的氢气与甲苯发生反应,生成便于运输的甲基环己烷(MCH,在常温常压下为液态)。在运到日本等地之后,通过脱氢设备还原回氢气(此时,通过脱氢设备从氢气分离出来的甲苯,可以转移到氢化设备以供重复利用)。

这个设想的关键点,是通过把氢气转化成甲基环己烷,实现“便于运输的氢气”和“便于储存的氢气”。千代田化工建设公司把这种“便于使用的氢气”命名为“SPERA氢气”。如果“SPERA氢气”能够普及,那么人类有效利用氢气的愿望,将真正得以实现。

作为第一步,千代田化工建设公司计划建设能把产油国、产气国、产煤国生成的副生氢气与甲苯相结合的成套设备。到时候,通过在油气田和煤矿把氢气转化时产生的二氧化碳当场收集储存(CCS),能够大幅减少二氧化碳的排放量。另外,对油田而言,通过注入回收的二氧化碳可以提高残留原油的石油采收率(EOR),有助于石油增产。

第二步,千代田化工建设公司的目标是,利用风力和太阳能等可再生能源发电产生的电力,对水进行电解,使用由此生成的氢气来制造“SPERA氢气”。风力发电和太阳能发电,几乎是二氧化碳零排放,因而是应对地球温室效应的关键手段。但由于很多时候不得不新铺设输电线路,导致成本高企,普及速度缓慢。对此,如果能够建立适当的机制,“SPERA氢气”就可以代替输电线路起到运输能源的作用。“SPERA氢气”能够促进风力发电和太阳能发电的普及。

氢气的最大魅力,在于其改变能源结构的潜力

此外,利用风力发电产生的剩余电力进行水电解生成氢气,然后将其混入天然气管道作为燃气使用。这种“电产气(Power-to-Gas)”已在欧洲开始广泛推进。这是通过转化成氢气的方法,有效利用因输电线路不足而浪费的风力发电剩余电力的一种尝试。

像这样,把氢气和其他能源原料组合使用,能够起到弥补其他能源资源的弱点,扬长避短以更好地发挥它们的优势的作用。最后我想再次重复强调,这种“能够改变能源整体结构的潜力”,才是有效利用氢气的最大魅力。

(日文刊载于2015年3月9日)

标题图片:丰田汽车公司的燃料电池车“MIRAI”(*2)在东京首家商用加氢站补充氢气,摄于2014年12月18日(图片提供:时事通讯社)

(*1) ^ 褐煤,又名柴煤,是煤化程度最低的矿产煤,一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。

(*2) ^ MIRAI是日语“未来”的罗马字标注。

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