李海文, Nouyuki Nishimiy

a Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031, China b Nihon University, Tokyo 101-8308, Japan

氫能因其可通過可再生能源制備（可再生能源的分布比化石燃料更為均勻），并可在無溫室氣體排放的情況下轉(zhuǎn)化為電能和熱能，有望在人類的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在可再生能源得到廣泛利用，大規(guī)模儲能及運(yùn)輸興起的背景下，氫能的重要性愈加明顯。

日本在先進(jìn)氫能技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，這源于其近半個世紀(jì)以來持續(xù)致力于氫能相關(guān)材料、裝置和系統(tǒng)開發(fā)所奠定的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。受1973年石油危機(jī)的影響，1974年日本啟動了名為“SUNSHINE”的第一個國家氫能項(xiàng)目，隨后其被1993—2000年的“New SUNSHINE”項(xiàng)目所接替[1]。日本氫能協(xié)會成立于1973年，當(dāng)時正值石油危機(jī)時期。作為遏制全球氣候變暖的一項(xiàng)舉措，日本在1993年開始了世界能源網(wǎng)絡(luò)（WE-NET）項(xiàng)目 （圖1）[2]。該項(xiàng)目提出了構(gòu)建清潔能源網(wǎng)絡(luò)的概念，即通過氫能將可再生能源與發(fā)電和交通運(yùn)輸?shù)裙檬聵I(yè)聯(lián)系起來。2011年3月11日東日本大地震導(dǎo)致核電站發(fā)生泄漏事故后，日本政府在2014年的第四個基本能源計(jì)劃中著重強(qiáng)調(diào)了氫能的重要性。2014年12月15日，燃料電池汽車（FCV）Mirai首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)，極大推動了氫能社會的進(jìn)步，使得2015年成為日本的氫能元年。2017年12月，日本成為首個發(fā)布?xì)淠芑緫?zhàn)略的國家（圖2）[3]。該戰(zhàn)略的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)氫氣與化石燃料的成本平價，大力推廣氫能應(yīng)用，打造出真正意義上的氫能社會。

圖1. WE-NET項(xiàng)目提出了建立清潔能源網(wǎng)絡(luò)的概念。LH2：液氫。經(jīng)New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)，?2020許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[2]。

日本的氫能產(chǎn)業(yè)涵蓋了從生產(chǎn)到應(yīng)用的整條供應(yīng)鏈，如圖3 [4]所示。目前，日本國內(nèi)氫源主要來自于天然氣重整制氫和副產(chǎn)氫。碳捕集與封存（CCS）技術(shù)可以成為通過化石燃料制氫而不排放二氧化碳（CO2）的方法。利用可再生能源制氫是生產(chǎn)氫氣而不排放二氧化碳的理想方式，世界上最大的太陽能制氫設(shè)施（10 MW）于2020年3月竣工。同時，使用液氫、甲基環(huán)己烷（MCH）和氨的國際氫供應(yīng)鏈可補(bǔ)充有限的國內(nèi)產(chǎn)能并降低成本[5]。

氫能的應(yīng)用可分為三類：交通運(yùn)輸類、固定電站類和其他類。截至2020年9月，日本已售出包括豐田Mirai和本田Clarity車型在內(nèi)的約3700輛燃料電池汽車。迄今為止，Mirai車型在全球的銷量已突破10 000臺，新一代Mirai II于2020年12月發(fā)布，其續(xù)航里程超過800 km。豐田為加強(qiáng)其在全球燃料電池（FC）交通運(yùn)輸領(lǐng)域的地位，還與中國的汽車企業(yè)共同注冊成立了一家合資公司。目前，日本已有約20輛燃料電池巴士投入運(yùn)營，并計(jì)劃在2020年東京奧運(yùn)會期間投入100輛。截至2020年9月，日本共售出約160輛燃料電池叉車，2020年全年的銷售目標(biāo)為500輛。此外，燃料電池卡車及船舶等其他交通運(yùn)輸應(yīng)用目前正處于示范階段。日本目前投入運(yùn)營的加氫站數(shù)量約為130座（包括移動式加氫站），預(yù)計(jì)到2025年，在Japan Hydrogen Mobility (JHyM)（由私營公司、金融機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)組成的財(cái)團(tuán)）的支持下，加氫站總數(shù)將增加至320座[6,7]。降低成本是加氫站得以推廣普及的最重要因素之一，這不僅需要技術(shù)的進(jìn)步，還需要監(jiān)管的放松。

Ene-Farm是一套住宅燃料電池系統(tǒng)，配備700 W固體高分子型燃料電池（PEFC）或固體氧化物燃料電池（SOFC），利用天然氣或丙烷氣制氫實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。盡管在氫氣原位制取過程中不可避免地會排放二氧化碳，但其總能效高達(dá)85%，與采用傳統(tǒng)電力的住宅相比，可實(shí)現(xiàn)每套系統(tǒng)每年減少1.3 t的二氧化碳排放。研發(fā)（R&D）的重點(diǎn)是降低成本和尺寸，以及延長使用壽命。在東日本大地震后，Ene-Farm銷量大幅增長，到目前為止，已安裝超過37.2萬套。工業(yè)和商用燃料電池系統(tǒng)主要集中在SOFC上，因其比PEFC的發(fā)電效率更高。2017年，京瓷（Kyosera）開始銷售3 kW的SOFC系統(tǒng)，其發(fā)電效率為52%，總能效（包括電和熱）達(dá)到90%。2019年，三浦（Miura）發(fā)布了4.2 kW的SOFC系統(tǒng)，其發(fā)電效率為50%，總能效為90%。2020年，東京燃?xì)夤韭?lián)合三浦開始研制5 kW SOFC系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達(dá)65%。早在2015年春，三菱日立電力系統(tǒng)（MHPS）就開始在九州大學(xué)伊都校區(qū)示范SOFC和微型燃?xì)廨啓C(jī)（MGT）集成的加壓混合發(fā)電系統(tǒng)（MEGAMIE）。與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，這套250 kW的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了55%的發(fā)電效率并減少了47%的二氧化碳排放量。目前，研究人員正在研制1 MW級的MEGAMIE系統(tǒng)，并計(jì)劃在將來的大型項(xiàng)目中建造由SOFC、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)組成的100 MW級集成發(fā)電系統(tǒng)來取代火力發(fā)電廠。值得強(qiáng)調(diào)的是，上述民用和工業(yè)用燃料電池系統(tǒng)基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，采用天然氣或丙烷氣作為燃料。與傳統(tǒng)電力傳輸相比，這種分布式發(fā)電系統(tǒng)具有更高的能效和更低的二氧化碳排放。當(dāng)燃料在將來改用純氫時，這些優(yōu)勢將更加顯著。

圖2. 日本氫能基本戰(zhàn)略的設(shè)想。CCS：碳捕集與封存；α：附加部分；LNG：液化天然氣。經(jīng)Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)，?2017許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[3]。

氫氣燃燒是一種可用于大規(guī)模發(fā)電的方法，比如目前為用戶提供可靠電力供應(yīng)的熱電廠就是采用上述方式。2018年1月，MHPS成功論證了一臺采用30%氫氣與天然氣混合燃料的700 MW大型燃?xì)廨啓C(jī)，可使二氧化碳排放減少10%。2020年3月，該系統(tǒng)收到了美國一家發(fā)電廠的訂單。與采用氫混合燃料的汽輪機(jī)相比，開發(fā)純氫大型汽輪機(jī)更具挑戰(zhàn)性。2018年，川崎重工成功測試了一臺100%氫燃料1 MW渦輪機(jī)。此外，還對氫載體的燃燒進(jìn)行了測試。2014年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）以含30%氨的煤油為燃料，通過燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了21 kW發(fā)電，2015年通過燃燒甲烷-氨氣混合物和100%氨氣實(shí)現(xiàn)了41.8 kW發(fā)電。2018年，IHI株式會社成功示范了氨與煤（煤與氨的混合燃料中含有20%的氨）的共燒。2020年，AIST論證了一套MCH供應(yīng)鏈，該供應(yīng)鏈利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣進(jìn)行氫共燒發(fā)電。這個共燒系統(tǒng)采用60%氫氣與柴油的混合燃料，可以在300 kW功率下運(yùn)行700 多個小時。

除能源領(lǐng)域的應(yīng)用外，氫還可用來打造綠色工業(yè)過程。例如，在煉鋼過程中采用氫還原鐵礦石。為開發(fā)環(huán)境友好型煉鋼技術(shù)，日本制定了一項(xiàng)名為“通過創(chuàng)新技術(shù)在煉鋼過程中減少最終二氧化碳排放”的倡議（COURSE 50），旨在通過抑制高爐的二氧化碳排放以及從高爐煤氣中捕獲、分離和回收二氧化碳，使二氧化碳排放量減少約30%。

一座名為HARUMI FLAG的氫能小鎮(zhèn)將首次在2020年東京奧運(yùn)會奧運(yùn)村落成。該小鎮(zhèn)是日本首座擁有完整氫基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的地方，包括：一座用于公交系統(tǒng)的快速加氫站；向居民區(qū)和燃料電池汽車輸送燃料和氫的地下管道；供公用空間和商業(yè)建筑使用的下一代燃料電池；以及用于所有私人住宅的Ene-Farm。

圖3. 日本氫能產(chǎn)業(yè)概述。LP gas：液化石油氣；RES：可再生能源；SOFC：固體氧化物燃料電池；MGT：微型燃?xì)廨啓C(jī)；JHyM：Japan Hydrogen Mobility。經(jīng)METI，?2019許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[4]。

相比于新型氫能小鎮(zhèn)，打造符合當(dāng)?shù)刭Y源及需求的氫能社會具有更大的挑戰(zhàn)性，但同時也更具有現(xiàn)實(shí)意義。為此，日本環(huán)境省推出了一個通過構(gòu)建區(qū)域低碳?xì)錃夤?yīng)鏈來創(chuàng)建氫能社會的項(xiàng)目（圖4）[8]。在這些項(xiàng)目中，氫氣可通過以下方式制?。孩倮蔑L(fēng)電、太陽能和小型水電的電能水解制氫；②利用牲畜糞便和廢塑料制氫； ③利用燒堿生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)氣制氫。氫氣以各種方式（如管道、氣瓶、高壓長管拖車以及合金儲氫罐等）從生產(chǎn)地輸送到終端用戶（如叉車、加氫站、酒店、游泳池、溫泉等）。這些示范為建立一個具有低碳?xì)涔?yīng)鏈的地區(qū)性氫能社會提供了重要啟示。換言之，創(chuàng)建一個符合當(dāng)?shù)貤l件且現(xiàn)實(shí)可行的氫能社會是極為必要的。

向全新氫能社會的轉(zhuǎn)變要求提升公眾對此的接受程度。根據(jù)調(diào)查報告的結(jié)果，日本公眾對氫能技術(shù)的認(rèn)識有了顯著提升，特別是在燃料電池汽車方面[1]。氫能展覽在這一過程中將發(fā)揮重要的作用，借此可提供最新的相關(guān)信息，使參觀者有機(jī)會看到并體驗(yàn)這些先進(jìn)技術(shù)所發(fā)揮的重要作用。例如，九州大學(xué)伊都校區(qū)的氫能展廳每年會接待約8000名參觀者，在那里，示范版和商業(yè)版的燃料電池汽車（Mirai和Clarity）、Ene-Farms、MEGAMIE以及加氫站均向參觀者開放。國際合作是加速實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)并達(dá)成2015年12月在巴黎舉行的聯(lián)合國氣候變化大會（第21屆締約方會議，COP21）上通過的《巴黎協(xié)定》目標(biāo)的另一重要方面。日本還積極推進(jìn)政府和產(chǎn)業(yè)層面的國際活動。氫能委員會（Hydrogen Council）成立于2017年1月，是由領(lǐng)先的能源、運(yùn)輸和工業(yè)企業(yè)發(fā)起的全球性倡議，旨在以團(tuán)結(jié)和長遠(yuǎn)的眼光加速氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。2018年10月，日本舉辦了首次部長級會議，鼓勵世界各國推動全球范圍內(nèi)的氫能利用，并進(jìn)一步鞏固成員國之間的和諧合作。2019年6月，日本主辦的二十國集團(tuán)（G20）峰會的公報和行動計(jì)劃中首次提到了氫能的重要性。

圖4. 在日本創(chuàng)建多樣化的氫能社會。（a）氫能社會的樣貌；（b）建設(shè)區(qū)域性低碳?xì)淠芄?yīng)鏈的項(xiàng)目。經(jīng)Ministry of the Environment, Government of Japan, ?2016許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[8]。

圖5. 福島氫能研究基地。經(jīng)Government of Japan，?2020許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)[9]。

福島一直在與核電站災(zāi)難作斗爭，但它將通過可再生能源制氫重新崛起。福島氫能研究基地的建設(shè)（圖5）[9]，不僅會促進(jìn)福島的復(fù)興，同時也證明氫氣可以成為一種最優(yōu)的解決方案，其可以確?？煽康哪茉垂?yīng)，改善自然環(huán)境，以及創(chuàng)造出可持續(xù)、豐富多彩的美好生活。2020年被稱為“國際氫能社會元年”，它將被單獨(dú)定義和具體設(shè)計(jì)。不斷推進(jìn)氫能技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)國際合作，必將加速實(shí)現(xiàn)真正的氫能社會。