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)略計劃

“能源戰(zhàn)略計劃”[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，指出了加速實現(xiàn)氫能社會的以下5項措施：

a)推廣使用家用燃料電池系統(tǒng)。目標是2020年達到140萬套，2030年達到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，大力推廣建設加氫站(主要是四大都市區(qū))。

c)實現(xiàn)氫氣發(fā)電等新技術，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，還要擴大氫發(fā)電。

d)促進氫生產(chǎn)、儲存和運輸技術的發(fā)展，以穩(wěn)定氫氣供應。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)其他工藝并進行商業(yè)化。

e)制定路線圖以實現(xiàn)氫能社會，包括與生產(chǎn)、運輸、儲存和使用氫氣有關的各個關鍵環(huán)節(jié)。如使用先進技術大規(guī)模儲存和長途運輸氫氣、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”，該委員會通過與工業(yè)界、學術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”編制了氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖[2]，其中包含了實現(xiàn)氫能社會應采取的措施。

2.1 實現(xiàn)“氫能社會”的3個階段

第1階段，氫氣使用的大幅擴張。大幅擴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)全球市場的領先地位。為提高氫能認可度，東京都政府決定，2020年奧運會和殘奧會的運動員村將被建成一個“氫鎮(zhèn)”，在那里電力和熱水將通過氫能源供應。

第2階段，全面引入氫能發(fā)電/建立大規(guī)模供氫系統(tǒng)。進一步擴大對氫的需求，同時擴大氫源的范圍，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，通過改進制氫工藝建立全碳零排放的氫能供應系統(tǒng)。將氫氣制造技術與碳捕捉與儲存技術(CCS)相結(jié)合，或利用可再生能源制氫，以便在整個氫氣制造過程中實現(xiàn)零碳排放。

2.2 實現(xiàn)氫能社會的意義

路線圖是由理事會在工業(yè)界、學術界和政府部門共同參與編制的，并作為日本政府用來促進實現(xiàn)氫能社會的具體措施。實現(xiàn)氫能社會的意義如下。

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

b)政治風險低。氫氣是可以增強日本本土能源供應安全的資源，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)境負擔。在使用過程中，氫氣不會釋放出CO2。利用這一特性，將制氫技術與碳捕捉與儲存技術相結(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供應鏈中的CO2排放。然而，如果氫是由化石燃料(如煤)生產(chǎn)而沒有碳捕捉與儲存技術，則會顯著增加整體CO2排放。

d)促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展和振興區(qū)域經(jīng)濟。日本有強大的全球性家用燃料電池系統(tǒng)領域的競爭力。例如，日本是該技術領域?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，遠遠超過其他國家。此外，日本擁有豐富的風能等可再生能源，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口，然后運往火力發(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)絡進行氫氣輸送。

4 新型制氫方法

通過熱化學水分解將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣的技術是極有吸引力的。目前，日本已提出并研究了多種熱化學水分解循環(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現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。廣島大學及日本跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新促銷計劃(SIP)正專注于三步堿金屬氧化還原循環(huán)，能夠在低于500 ℃的條件下反應制氫[6]。

表1 日本正在研究的熱化學水分解循環(huán)

5 氫氣儲運方式

5.1 高壓儲氫和低溫液態(tài)儲氫

與壓縮氫氣相比，液氫具有更高的能量密度，因此被認為是氫氣大規(guī)模運輸?shù)膬?yōu)選方案。2006年，Iwatani公司開始運營日本的氫氣液化裝置“Hydro-Edge”，該裝置每小時能夠液化約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。

使用液態(tài)氫罐車或拖車每次可以運輸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存。因此，雖然壓縮儲氫一次只能運輸200～300 kg氫氣，40 MPa的壓縮氣態(tài)儲氫仍被認為是氫運輸?shù)闹匾侄巍?/p>

5.2 甲苯/甲基環(huán)己烷系統(tǒng)儲氫

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鏈概念，將甲基環(huán)己烷(MCH)作為有機氫載體(LOHC)[8]。通過氫化反應將氫固定在甲苯上，轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)己烷，并使用化學品罐車裝卸和運輸。通過對甲基環(huán)己烷進行脫氫反應產(chǎn)生氫氣，氫氣提供給現(xiàn)有的基礎設施，甲苯被回收。理論上，從甲基環(huán)己烷產(chǎn)生1 mol氫氣應該需要約60 kJ能量，這相當于氫氣能量的25%。有機氫載體是在常溫常壓下大規(guī)模存儲和長距離輸送氫氣的備選方案，與液氫航運方案相比，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運船舶。

5.3 液氨儲氫

氨是另一種可能的氫能運輸?shù)妮d體。日本跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新促銷計劃的能源載體項目于2014年啟動，特別側(cè)重于高能效的氨和有機氫化物合成技術的開發(fā)[9]。因為氨分子的裂解僅消耗約產(chǎn)生氫能量的12%，氨氣被認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的氨也會嚴重損害質(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)在住宅和移動環(huán)境的使用中可看出，日本的燃料電池技術正處于實際應用和商業(yè)化階段。通過城市燃氣提取的氫氣與大氣中的氧氣之間的化學反應產(chǎn)生電力的家用燃料電池系統(tǒng)的數(shù)量在2014年達到了10萬多個。該家用燃料電池系統(tǒng)不是純氫燃料電池系統(tǒng)，其使用城市燃氣(天然氣)運行，因這種燃氣很容易在每個燃料電池系統(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氣的熱水供應和供熱的傳統(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、學術界的共同努力下，在實現(xiàn)氫能源社會目標方面取得了重大進展，正朝著商業(yè)化應用的方向邁進。然而，在氫能源推廣應用的過程中，應重視氫氣的危險特性，避免安全事故的發(fā)生。

未來，隨著氫能技術的進步和人們對于氫能認可度的提高，氫能在日本乃至全世界能源領域的地位將得到進一步提升。