日本氢能战略与活动的启示及其在可持续发展中的作用

工程7（2021）722意见和评论从日本的氢战略和活动中得到的启示李海文a，西宫伸之ba合肥通用机械研究所，合肥230031b日本东京101-8308日本大学全球预期氢将在人类可持续发展中发挥关键作用，因为它可以从可再生能源中生产，其分布比化石燃料更均匀，并且可以转化为电力和热量而不会排放温室气体。氢能的重要性日益明显，特别是在可再生能源广泛使用的大规模能源储存和运输的背景日本是先进氢能技术的世界领导者，其基础是近半个世纪来持续参与氢相关材料、设备和系统的开发受1973年石油危机的影响，第一个国家氢能项目SUNSHINE于1974年启动; 1993年至2000年，“新阳光”项目相继启动日本氢能系统协会成立于1973年，当时正值石油危机。作为防止全球变暖的措施，世界能源网络（WE-NET）项目（图1）[2]于1993年开始，提出了建立清洁能源网络的概念，其中氢气将可再生能源与发电和运输等公用事业氢能源的重要性是强烈的在2011年3月11日东日本大地震导致核电站安全神话破灭后，日本政府在2014年第四次能源基本计划中强调了这一点2014年12月15日，燃料电池汽车（FCV）Mirai首次商业化，极大地推动了氢能社会的进步 日本也是第一个在2017年12月发布基本氢战略的国家（图1）。2）[3]。该战略的主要目标是实现与化石燃料的氢成本平价，并广泛应用于真正实现氢社会。日本的氢能活动涵盖了从生产到应用的整个供应链，如图3所示[4]。目前，国内在该领域的主要资源是气体重整工艺和副产氢气。碳捕集与封存（CCS）技术是一种利用化石燃料制氢而不排放二氧化碳的方法。使用可再生能源是生产氢气而不排放二氧化碳的理想方式，全球与此同时，使用液化氢的国际氢供应链图1.一、W E - N E T 项目提出的建设清洁能源网络的概念。LH2：液态氢。复制自Ref。[2]经新能源和工业技术开发组织（NEDO）许可，©2020。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.12.0202095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engH.- W. Li和N. 西宫工程7（2021）722723图二、日本 基本氢战略的情景。CCS：二氧化碳捕获和储存;a：额外的东西;LNG：液化天然气。复制自Ref。[3]经经济产业省许可，©2017。氢、甲基环己烷（MCH）和氨可以补充有限的国内产能并降低成本[5]。氢能的应用可以分为三类：移动性，固定性和其他。截至2020年9月，包括丰田Mirai和本田Clarity在内的约3700辆FCV已在日本销售。Mirai迄今已在全球售出超过10，000辆，而新一代Mirai II已于2020年12月发布，其驾驶距离超过800公里。为了加强其在燃料电池（FC）移动领域的全球地位，丰田与中国汽车公司注册了一家合资公司。目前约有20辆FC巴士正在运营，计划为2020年东京奥运会提供100辆FC巴士。截至2020年9月，FC叉车已售出约160台，2020年的目标为500台。此外，FC卡车和FC船舶等其他移动应用目前正在演示中。日本约有130个加氢站（包括移动加氢站）正在运营，预计到2025年，在日本氢流动性（JHyM）（一个由私营公司、金融机构和政府机构组成的财团）的支持下，加氢站总数将增加到320个[6，7]。降低成本是氢气站广泛普及的最重要因素之一，这不仅需要技术进步，还需要放松监管Ene-Farm是一种具有700 W聚合物电解质燃料电池（PEFC）或固体氧化物燃料电池（SOFC）的住宅系统，其使用由天然气或丙烷气产生的氢气来热电联产虽然有不可避免的二氧化碳排放，总的能源效率，这是高达85%，有助于减少二氧化碳排放量的1.3吨，每年为每个单位，与传统的电力供电的家庭。研究和开发（R D）的重点是降低成本和尺寸，并延长工作寿命。东日本大地震后，销售量大幅增加，至今已安装超过372，000台工业和商业FC系统主要集中于SOFC，因为它们具有比常规FC系统更高的发电效率。PEFC。2017年，Kyosera开始销售3 kW SOFC系统，其电效率为52%，总能源效率（包括电力和热量）为90%。2019年，三浦发布了4. 2 kW SOFC系统，电效率为50%，总效率为90%。于二零二零年，东京燃气及三浦开始示范一个5千瓦固体氧化物燃料电池系统，电 力 效 率 达 65% 。 此 前 ， 在 2015 年 春 季 ， 三 菱 日 立 动 力 系 统（MHPS）开始在九州大学伊藤校区展示其加压混合动力发电系统（MEGAMIE），该系统将SOFC与微型燃气轮机（MGT）与传统的发电系统相比，这套250 kW的系统实现了55%的电力效率和47%的二氧化碳排放量减少目前，一个1兆瓦级的MEGAMIE系统正在考虑之中，一个包括SOFC、燃气轮机和蒸汽轮机的综合发电系统正在考虑之中。100兆瓦级计划作为未来大型项目中火电厂的替代品。值得注意的是，基于现有的基础设施，上述住宅和工业FC系统使用这种分布式发电系统比传统的热电联产系统具有更高的能源效率和更低的CO2排放。当未来燃料改为纯氢时，这些优势将更加显著。氢燃烧是一种可用于大容量发电的方法，例如目前的热电厂，其向用户提供可靠的能量2018年1月， MHPS成功展示了一台大型700MW燃气轮机，使用由30%氢气与天然气混合组成的燃料，减少了10%的二氧化碳该系统于二零二零年三月接获美国一家发电厂的订单开发纯氢的大型涡轮机比开发使用氢混合燃料的涡轮机更具挑战性。川崎重工于2018年成功测试了100%氢燃料的1兆瓦涡轮机。此外，燃烧的演示H.- W. Li和N. 西宫工程7（2021）722724图三. 日本的氢能源活动概况。LP gas：液化石油气; RES：可再生能源; SOFC：固体氧化物燃料电池; MGT：微型燃气轮机; JHyM：日本氢流动性。复制自Ref。[4]经经济产业省许可，©2019。的氢载体进行了研究。2014年，国立产业技术综合研究所（AIST）通过在燃气轮机中燃烧含30%氨的煤油，成功地产生了21 kW的功率，2015年通过燃烧甲烷-氨混合气体以及100%氨气体，产生了41.8 kW的功率IHI Corporation的成功-在2018年充分展示了在含有20%氨的燃料混合物中氨和煤的共燃。AIST展示了一个MCH供应链，该供应链将使用可再生能源生产的氢气该系统在300kW的功率下，以60%的氢气与柴油混合，连续运行700h以上.除了能源应用外，氢还可用于创建绿色工业流程。一个典型的例子是在炼钢过程中使用氢气还原铁矿石CO2终极减排是一项名为COURSE 50（COURSE 50）的倡议，旨在开发环境协调的炼钢技术，通过抑制高炉CO2排放以及从高炉煤气中捕集、分离和回收CO2，使CO2排放量减少约30%一个名为HARUMI FLAG的氢动力城镇将首次作为2020年东京奥运会的奥运村而建设。这座城市是日本第一个拥有全面氢基础设施系统的地方：用于快速公交系统的氢气站;通过地下管道向住宅区输送燃料电池和氢气;用于公共空间和商业建筑的下一代燃料电池;以及用于所有私人住宅的Ene-Farm。与这个新的氢镇相比，创建一个符合当地资源和需求的氢社会既更具挑战性，也更具现实性。在这方面，日本环境省启动了一项通过构建区域低碳氢供应链来创建氢社会的计划（图4）[8]。在这些项目中，氢气可以通过以下方式生产：①利用风力发电厂、太阳能电池板和小型水力发电厂的能量进行水解;②畜禽粪便和废塑料;③烧碱生产过程中产生的副产品气体。氢气以各种方式输送（例如，管道、气瓶、压缩管拖车和储氢合金罐）从生产地点到最终用户（例如，叉车、加氢站、酒店、游泳池、温泉）。这些演示为创建一个当地的氢社会提供了重要的线索，低碳氢供应链。也就是说，创造一个符合当地条件的现实氢社会是非常必要的。向全新的氢动力社会的范式转变需要促进公众的接受。据报道，日本公众对氢能技术的认识显著提高，特别是在燃料电池汽车方面[1]。氢能展览在提供最先进的信息，让参观者有机会看到和体验这些先进技术方面发挥着重要作用。例如，九州大学伊藤校区的氢展示厅每年接待约8000名游客，在那里，FCV的演示版和商业化FCV（Mirai和Clarity），Ene-Farms，MEGAMIE和氢气站向游客开放。国际合作是另一个重要因素。H.- W. Li和N. 西宫工程7（2021）722725见图4。在日本创建一个多样化的地方氢社会。(a)氢学会图像;（b）建立区域低碳氢供应链的项目。复制自Ref。[8]经日本政府环境省许可，©2016。图五. 福岛氢能源研究领域。经日本政府许可，转载自参考文献[9]，©2020。这是加速实现氢经济和实现2015年12月在巴黎缔约方大会（第21届缔约方大会，COP21）上通过的《巴黎协定》目标的一个方面。日本还积极促进政府和工业一级的国际活动。氢能理事会是一个由领先的能源、交通和工业公司组成的全球倡议，于2017年1月启动，旨在以统一和长远的愿景加速氢能经济的发展。2018年10月，日本召开了首次部长级会议，鼓励世界各国促进全球范围内的氢利用，进一步巩固成员国之间的和谐合作。2019年6月，日本主办的二十国集团（G20）峰会福岛一直在与核电站灾难作斗争，但它将通过可再生氢而崛起完成福岛氢能源研究领域的最新成果（图5）[9]不仅为福岛的复兴带来了鼓舞，也证明了氢可以成为可靠的能源供应、改善自然环境和可持续的丰富生活的最佳解决方案2020年被称为不断推进氢能技术研发，加强国际合作，将加速实现真正的氢能社会。引用[1] Sasaki K，Li HW，Hayashi A，Yamabe J，Ogura T，Lyth S，editors.氢能源工程：日本的观点。东京：Springer Japan; 2016。[2] 世 界 能 源 网 [ 因 特 网 ] 。 Kawasaki ： New Energy and Industrial TechnologyDevelopment Organization（NEDO）; c1998-2003 [cited 2020 Oct 20].可从以下网址获得：https://www.enaa.or.jp/WE-NET/index.html[3] 基本氢战略[互联网]。东京：经济产业省; 2017年12月26日[引自2020年10月20日]。可从以下网址获得：https://www.metigo.jp/english/press/2017/pdf/1226_003a.pdf网站。[4] 日本能源转型面临的挑战-基本氢战略[互联网]。东京：经济产业省;2019年10月[引用2020年10月20日]。可从以下网址获得：https://www.nedo.go.jp/content/100899750.pdf[5] 长岛湾日本巴黎：法国国际关系研究所; 2020年。[6] 氢能源navi [Internet].川崎：新能源和工业技术开发组织; c2020 [引用2020年10月20日]。可从以下网址获得：http://hydrogen-navi.jp/en/index.html[7] 日本H2移动性[互联网].东京：日本氢站网络联合公司; 2019年4月[引用于2020年10月20日]。可从以下网址获得：https://www.jhym.co 中文（简体）/nav-about/.[8] 创建氢社会的项目[互联网]。东京：日本政府环境省;[引自2020年10月20日]。改编自：https：//www.example.comwww.env.go.jp/seisaku/list/ondanka_saisei/lowcarbon-h2-sc/PDF/suisoshakai_pamblet_eng_1126_2.pdf。[9] 迈向氢社会的巨大飞跃[互联网]。东京：日本政府; c2020 [引用2020年10月20日]可用表格：https://www.japan.go。jp/tomodachi/2020/earlysummer2020/hydrogen.html。