氫氣革命,改變能源結構——氫能源的應用之路

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隨著燃料電池汽車開始上市銷售等,從2014年起日本利用氫能源的動向變得活躍起來。氫氣的使用,能夠怎樣改變能源構造呢?

氫氣應用,日趨活躍

2014年是日本氫能源應用的始動元年。當年6月,經濟產業省所屬的氫氣與燃料電池戰略協議會,提出了「氫氣與燃料電池戰略路線圖」。11月,東京都打出了要讓2020年東京奧運成為邁向氫社會重要一步的方針,並公布了具體的政策措施和預算計劃。之後,本田技研工業和豐田汽車決定把燃料電池汽車投放市場,巖谷產業和JX日礦日石能源株式會社公布了加氫站的氫氣銷售價格。氫能源邁向實用化的動向一下子變得活躍起來。

原本日本在氫燃料電池實用化方面就一直大幅領先於其他國家。2009年,東京GAS公司和松下電器公司在世界上率先把家用燃料電池推向市場,憑這一點就可見略見一斑。而到了2014年12月,豐田終於實現了量產型燃料電池汽車的市場銷售。這也是世界首創,吸引了眾多媒體的關注。

利用氫氣的意義

氫氣的利用,其意義可概括為以下五點。

首先,氫氣在使用時不會排放二氧化碳,是「生態友好型」能源資源。當然,這僅限於在使用的時候。在氫氣製作準備過程中如果使用化石燃料,會抵消氫氣的這種優勢。因此,只有在使用可再生能源來製氫的情況下,才能充分發揮氫氣的環保特性。

其次,把氫氣作為燃料電池使用時,因為是通過發生電化學反應產生電力,因此能源轉換效率非常高,能夠成為節約能源及環保的王牌。電力公司所發的電,籠統地說有大約60%是被白白浪費掉的。而燃料電池發電,可以大幅減少這種能源損耗。另外,家用和樓宇用的固定型燃料電池,由於可以同時供給熱能和電力,單憑這一點其節約能源效果也很好。

第三,燃料電池汽車和固定型燃料電池,在地震等緊急情況發生時可以作為應急能源的供給源,成為守護人們生命和生活的武器。燃料電池的普及,有助於提高防災能力。

第四,氫氣可以通過多種方法製備,不僅可以作為能源的原料,還能用作能源運輸的手段。因此,如果和其他的能源原料組合使用,可以起到彌補它們的弱點,以進一步發揮其優勢的作用。在某種意義上講,這種「能夠改變整體能源結構的潛在可能性」,才是氫氣應用的最大魅力。關於這種潛在可能性,將在本文的後半部分進行具體闡述。

第五,是對於日本的意義。我國的氫氣利用技術處於世界領先地位,如果氫氣的應用進一步發展,將有助於啟動日本經濟整體的活力和擴大就業。有關燃料電池技術的專利申請數量,按國別來看日本占世界首位,而且把第2名遠遠拋在了後面。在儲氫罐的製造方面,日本廠商很有競爭力。在氫氣運用領域,和地熱發電等領域一樣,我國企業能夠確保競爭優勢。

氫氣利用的難題——成本、居民參與、供應鏈

但是,在氫氣的利用上還存在一些問題,這也是事實。

最大的問題就是降低成本。不管是多好的能源資源,只要成本過高就不可能普及。而降低成本的捷徑,毫無疑問是技術革新,但除此之外,在以下幾個方面也需要作出努力:①把氫氣和其他成本低廉的能源資源組合使用,既能發揮氫氣的優勢,又可以提高整體性價比;②當前,可先使用相對成本較低的副生氫氣(生產過程中很多時候要使用化石燃料),完善氫氣供應的基礎設施,通過氫氣應用設備的量產化效果來降低成本,然後再增大利用由可再生能源生產的「綠色」氫氣等。

另一個問題,是構建居民參與建設氫社會的機制。為此,在保證安全性和稅收負擔等方面無疑需要有一種確切的程式來求得公眾的廣泛支持。從國際上看,氫氣應用由於適合採用分散式能源供給方式,很多情況下是可以按不同地區來分別推進的。立足於本地,推進氫氣社會建設,居民的參與是不可或缺的要素。

作為現實問題,是同時建立氫氣供應鏈的重要性。燃料電池汽車和加氫站之間的關係,很多時候被比作是「先有雞還是先有蛋」。因為兩者都相互以對方的普及為前提,因而總是觀望,導致一直難以有所進展的結果。但最近,已經有人用「鮮花和蜜蜂」來形容它們的關係了。也就是說,它們已經認識到了相互間的相生關係,正在同時發力推進燃料電池汽車和加氫站的建設。

我國雖在燃料電池的開發和應用方面走在世界的最前列,然而氫氣基礎設施建設還遠遠落後於世界。但是現在,東京都把2020年的東京奧運和帕運視為實現氫社會、構建供應鏈的絕好機會,其制定的計劃吸引了社會關注。

氫氣和其他能源的結合,來自日本的兩種方法

擴大氫氣應用的關鍵之一,是「組合使用氫氣和其他成本低廉的能源資原,這樣既能發揮氫氣的優勢,又可以提高整體的性價比」。那麼具體有些什麼方法呢?

和煤炭組合使用的「二氧化碳零排放氫氣供應鏈」

把「成本高但環保特性突出」的氫氣和「廉價但環保特性差」的煤炭組合使用,可以發揮互補效果。一個具體實例,就是川崎重工業株式會社正在致力於推向商用的基於褐煤的二氧化碳零排放氫氣供應鏈項目。

其具體做法是這樣的。在澳洲維多利亞(Victoria),利用褐煤(*1)煤氣化氫氣製備裝置,在當地進行「二氧化碳收集儲存」(CCS),使用專用運輸船把氫氣從載貨基地運回日本的卸貨基地,然後以氫氣發電、氫燃料汽車等形式滿足我國國內的需求。

如果這一氫氣供應鏈得以實現,二氧化碳收集儲存的真正實施和氫氣應用的擴大,將對地球環境保護做出巨大貢獻,還能產生其他一系列效果。

對於澳洲,特別是對於和該國新南威爾斯(New South Wales)和昆士蘭(Queensland)相比高品質煤炭資源不多的維多利亞來說,通過褐煤煤氣化氫氣製備裝置產生的副產品氨和尿素,如果能夠用於振興發展當地的化學工業和化肥製造業,那麼就能解決煩惱多年的低品質褐煤有效利用問題了。

另一方面,對於日本來說,通過這種類似於「雙邊信貸抵消方式」的做法,如果讓那些參與開展二氧化碳收集儲存並在日本國內使用氫氣發電的企業,同時建立一個系統,在一定程度上允許新增設採用最新技術的煤炭火力發電廠,那麼就能夠控制發電燃料成本的進一步高漲。而發電燃料成本高漲正是日本經濟最大的威脅之一。這樣,構建基於褐煤的二氧化碳零排放的氫氣供應鏈,就成為一個具有多重意義的項目。(「所謂兩國間抵消信貸方式」,是指向外國轉移減少溫室氣體排放的低碳技術來降低溫室氣體排放,在技術轉讓國和接受國之間分配由此產生的經濟效益的一種機制。)

便於運輸和儲存的「SPERA氫氣」

氫氣,可以和石油、天然氣、風力、太陽能組合使用。千代田化工建設公司正在推進的商用「SPERA氫氣」項目,就是其中一個具體實例。

「SPERA」這個詞,在拉丁語中有「希望」的意思。該公司的計劃是,在油氣田、煤礦、大規模風力發電廠附近設置成套設備,將製備的氫氣與甲苯發生反應,生成便於運輸的甲基環己烷(MCH,在常溫常壓下為液態)。在運到日本等地之後,通過脫氫設備還原回氫氣(此時,通過脫氫設備從氫氣分離出來的甲苯,可以轉移到氫化設備以供重複利用)。

這個設想的關鍵點,是通過把氫氣轉化成甲基環己烷,實現「便於運輸的氫氣」和「便於儲存的氫氣」。千代田化工建設公司把這種「便於使用的氫氣」命名為「SPERA氫氣」。如果「SPERA氫氣」能夠普及,那麼人類有效利用氫氣的願望,將真正得以實現。

作為第一步,千代田化工建設公司計劃建設能把產油國、產氣國、產煤國生成的副生氫氣與甲苯相結合的成套設備。到時候,通過在油氣田和煤礦把氫氣轉化時產生的二氧化碳當場收集儲存(CCS),能夠大幅減少二氧化碳的排放量。另外,對油田而言,通過注入回收的二氧化碳可以提高殘留原油的石油採收率(EOR),有助於石油增產。

第二步,千代田化工建設公司的目標是,利用風力和太陽能等可再生能源發電產生的電力,對水進行電解,使用由此生成的氫氣來製造「SPERA氫氣」。風力發電和太陽能發電,幾乎是二氧化碳零排放,因而是應對地球溫室效應的關鍵手段。但由於很多時候不得不新鋪設輸電線路,導致成本高,普及速度緩慢。對此,如果能夠建立適當的機制,「SPERA氫氣」就可以代替輸電線路起到運輸能源的作用。「SPERA氫氣」能夠促進風力發電和太陽能發電的普及。

氫氣的最大魅力,在於其改變能源結構的潛力

此外,利用風力發電產生的剩餘電力進行水電解生成氫氣,然後將其混入天然氣管道作為燃氣使用。這種「電產氣(Power-to-Gas)」已在歐洲開始廣泛推進。這是通過轉化成氫氣的方法,有效利用因輸電線路不足而浪費的風力發電剩餘電力的一種嘗試。

像這樣,把氫氣和其他能源原料組合使用,能夠起到彌補其他能源資源的弱點,揚長避短以更好地發揮它們的優勢的作用。最後我想再次重複強調,這種「能夠改變能源整體結構的潛力」,才是有效利用氫氣的最大魅力。

(日文刊載於2015年3月9日)

標題圖片:豐田汽車公司的燃料電池車「MIRAI」(*2)在東京首家商用加氫站補充氫氣,攝於2014年12月18日(圖片提供:時事通信社)

(*1) ^ 褐煤,一種碳化程度不高的煤礦,呈暗褐或黑色,缺乏光澤,含較多的水分,並留有木紋。可作為燃料、活性炭或提煉汽、煤油等。亦稱為「褐炭」。

(*2) ^ MIRAI是日語「未來」的羅馬字標注。

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