TEPCO：可再生电力制氢项目“H2-YES”
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摘 要：2021年4月，日本首相菅义伟宣布了到2030年二氧化碳等温室气体将比2013年减少46%的减排目标，与以往的目标相比难度大幅度提高。而有望解决这一问题的手段之一就是“氢气”。日本东京电力控股公司（以下简称为“TEPCO”）也开始关注氢气，并与山梨县、东丽株式会社和株式会社东光高岳展开合作，在山梨县的米仓山启动了以制氢和氢气利用为目标的“H2-YES”项目中P2G（Power To Gas）系统的试运行。利用氢气作为能源究竟有何价值？该实证实验意义何在？
关键字：绿氢、电力制氢、氢电共存、H2-YES、大型水电解槽、可再生能源氢气、碳中和
目录
1. 在电气化率只有27%的日本，该如何减少二氧化碳的排放量？
2. 从制氢到蒸汽的包装化
3. 氢电共存的未来如何？
日本首相菅义伟在2020年10月的临时国会就职演说时宣布“2050年实现碳中和”，即到2050年将温室气体的净排放量减少到零。由于日本排放的大部分温室气体是二氧化碳（以下简称为CO2），因此该减排目标实际上是要求减少CO2的排放量。
那么，该如何减少CO2的排放量呢？首先想到的是使用煤炭和天然气的火力发电厂，但即使将燃料全部替换成非化石能源（比如太阳能发电），距离菅义伟首相所宣布的减排目标还差得很远。
TEPCO技术战略部的技术统筹管理室负责人矢田部隆志及其同事额贺佐知子、凑川聪子指出；“这可能会让人感到意外，但日本国内的电气化率（电能占最终能源消耗总量的比率）总体只有27%，剩余的73%是直接消耗化石燃料而不将其转化为电能，例如利用天然气或石油燃烧后产生的热量制造产品，或将煤炭制成的焦炭用于炼钢等。”
“也就是说，能够将CO2的排放量减少到零，取决于在电能以外的领域的碳减排。”（矢田部）
负责“H2-YES”项目管理的矢田部
当然，TEPCO也致力于利用不产生CO2的可再生能源进行发电，比如太阳能、水力和海上风电等。但是，如上所述，日本的电气化率只有27%，不在剩余的73%上想办法的话，根本无法实现“2050年碳中和”这一目标。
在73%（非电气化率）的构成中，最具代表性的是“热能”。如上所述，食品厂和化工厂生产产品时必须加热，工厂里都配备了产生热量的锅炉。
“电能直接利用是最有效率的。我们认为推进电气化是最重要的。但是，电能不适于大量产生超过100℃的高温。话虽如此，如果我们像以前那样继续燃烧煤气和石油等来产生热量的话，将无法实现CO2减排目标。”（矢田部）
为了解决这一问题，需要建立一个新的供应链。为此，TEPCO正在对制氢和氢气利用进行实证实验。
氢气作为燃料电池汽车（FCV）的燃料已经有所普及，作为不排放CO2的能源备受人们的关注，但是实际上，对氢气本身目前并没有那么大的需求，这是因为当前其用途并不广泛。关于建立氢气供应链呢，矢田部等人提出了如下假设。
“目前对氢气本身的需求可能很少，但我们认为通过将其用作锅炉燃料并产生蒸汽，可以扩大工厂对氢气的需求。”（矢田部）
据称TEPCO正在日本山梨县进行实证实验以验证这一假设。
减少工厂CO2排放量的制氢及氢气利用的模型
资料来源：TEPCO
米仓山位于日本山梨县甲府市南部的丘陵地带，远离人类聚居区。山梨县和TEPCO于2012年在这里建造了米仓山太阳能发电站，这是一座内陆型的大型太阳能发电站。在该发电站的附近，从2021年6月开始实施“H2-YES”项目，旨在通过电力制氢并减少化石燃料的利用。
正在日本山梨县米仓山的太阳能发电站进行的“H2-YES”项目
（照片：山梨县企业局）
“H2-YES”项目的实证实验包括以下流程：
(1)电力制氢。
(2)将生产的氢气装入拖车，运到附近的工厂等。
(3)通过工厂内安装的氢气锅炉产生不含CO2的蒸汽。
(4)工厂利用蒸汽的热量对产品进行清洗和加热等。
矢田部说道，“也就是说，我们正在试图把氢气作为能源，实现地产地销。”
制氢方法有许多种，该项目中所采用的是电解水制氢的方法，同时用于制氢的电力为零碳清洁电力。
“电力公司制氢，首选当然是利用电力。我想今后太阳能发电也会有所增加，此外还可利用可再生能源的剩余电力。为了有效利用剩余电力，我们决定在太阳能发电站附近（米仓山）进行实证实验。”（矢田部）
安装在米仓山上的用于制氢的500kW大型水电解槽
照片：山梨县企业局
用于安全储氢的MH罐系统
照片：山梨县企业局
安装在工厂等的纯氢锅炉
照片：TEPCO
利用该地区的可再生能源产生的电力进行制氢，然后在该地区的工厂内利用氢气，这一流程的建立对该地区的能源循环具有重大意义，同时将带来一个前所未有的变化——即原本的化石燃料被电力产生的氢气所取代。这意味着可以间接地实现难以利用电力的制造工厂等领域的电气化。
矢田部继续指出：“提供氢气并非结束，通过安装一个氢气锅炉来制造蒸汽，从而并将其包装成便于用户使用的产品的话，将有望成为氢气大量用作燃料的契机。”
即使对氢气本身没有需求，也会对氢气带来的“效用”有需求，这也是一种思想的转变。此外，通过将其包装化，还会产生其他好处。
“对氢气本身的需求较少，除了是因为其用途较少以外，还因为对其安全方面感到不安。但是，这样做（包装化，译者注）的话，氢气由我们管理，氢气锅炉也由我们安装并运用，从而工厂方面无需另外聘请氢气人员。”（矢田部）
“此外，日本是一个灾害多发的国家，如果能够形成一个能源地产地销的循环的话，就不需要从海外进口燃料了。从能源安全的角度来看，我觉得这也能让人更安心。”（凑川）
参与海上风电项目的凑川。为了共同推进供应链的构建，她也加入了“H2-YES”项目
如此一来，对工厂方面来说也有利，但实证实验的实际进展如何呢？
“目前，我们还不是用太阳能发电的电能来制氢，而是正在验证是否能够用其他电能来安全地制氢。但是，我们正在确认能否利用波动的可再生能源稳定制氢。”（矢田部）
这样的实证实验预计将持续到2022年，同时，还试图实现氢气在工厂内的现场生产和利用。
“出于安全方面的担忧，我们正在进行实证实验，首先在无人居住的米仓山上制氢，然后用拖车运送到附近的工厂，但是我希望最终可以在工厂内现场制氢并利用。”（矢田部）
向工厂运送氢气的拖车
照片：山梨县企业局
氢气供应链中成本最高的部分是运输，据推算80%的成本都与运输有关。如果将电能输送到工厂并在工厂内制氢的话，则可以大大降低成本。
输送电是TEPCO的本职工作。如果现有的输电线路设备可以直接使用的话，新设备的投资也可以得到控制。由于氢气不会因放电造成能量损失，因此将其储存在安全的储罐里非常合理。
据称，氢气的现场生产和储存计划在今后约五年内实施。
“引进氢气的工厂在进行产品宣传的时候，“使用不排放CO2的电能生产”也许会成为一个卖点。”（额贺）
如果进展顺利的话，有望建立新的品牌。
从事非化石燃料领域，在“H2-YES”项目中负责宣传工作的额贺
如矢田部所说，“电能直接利用效率最高”。
当通过电解来制氢时，大约会损失30%的能量，而利用该氢气发电时，能量将进一步损失约一半。与储存过程中的能量损失相比，转换过程中的损失较大。
“利用可再生能源氢气进行火力发电”，能量损失大约是初始能量的一半
资料来源：TEPCO
此外，虽然将氢气用于工厂锅炉等以产生高温具有较高的效率，但是如果像住宅的暖气或者热水供应那样加热不到100℃的话，还是电能效率更高。
矢田部将电能和氢气之间的这种关系描述为“适才适用”——“电能效率高但不利于长期储存。相反，氢气效率较低，但可以长期大量储存。电能和氢气之间并不是对立关系。”
矢田部提出“氢电共存”
矢田部希望实现一个氢电共存，发挥彼此的优点，从而实现碳中和的社会，仅靠电能或者仅靠氢气无法实现。
当然，还有很多问题。“H2-YES”项目中拟安装的水电解装置和氢气锅炉成本仍然很高。如果今后不能大幅度减少相关设备的成本的话，就无法为社会所采用，最终沦为纸上谈兵。
虽然不知道是否真的能实现，尽管如此，矢田部表示现在必须开始行动——“说实话，新技术就像是赌博，前途莫测，无法预料。但是，即便如此，如果现在不去做的话，5年后也许就来不及了。”
如何减少CO2的排放并阻止全球变暖？不仅是日本，全世界都在绞尽脑汁寻找答案。期待“H2-YES”项目将会成为其答案之一，能为“2050年碳中和”的实现作出贡献。
翻译：王宁愿
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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