分布式氢能源系统的开发
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摘 要：为了在世界范围内促进可再生能源的普及和氢能的多方面利用，在构建全球氢与氨价值链的同时，分布式氢能源十分重要。本文介绍了分布式氢能源的特点和课题，还介绍了近年来日本IHI公司所做的努力，例如在福冈县北九州市响滩地区开发基于水电解的能源管理系统和氢能利用技术。
关键字：分布式氢能源系统、氢与氨价值链、分布式能源、燃料电池、水电解制氢、转换技术、CCU
减少能源使用中的温室气体（Greenhouse Gas：GHG）排放是实现可持续社会的紧迫课题，近年来，世界各国都在朝着这一目标而努力。2020年10月，日本政府宣布将于2050年实现碳中和，并于同年12月制定了《2050年碳中和绿色增长战略》（1）。其中包括能源相关产业、交通和制造相关产业、家庭和办公相关产业三个领域的共14个成长型产业，并分别制定了目标和路线图。此外，在2021年4月举行的气候变化峰会上，针对全新的温室气体减排目标，各国公布了“国家自主贡献（Nationally Determined Contribution：NDC）”，日本也宣布到2030年将把NDC从2013年的26%提高到46%。减少温室气体的措施与各国的经济政策密切相关，而且需要加速行动。
在绿色增长战略中，显示了日本国内能源结构对于实现碳中和的参考价值：电力部门的目标是可再生能源占50%-60%，氢与氨占10%；此外，在非电力部门，将通过使用氢气、甲烷化和合成燃料来实现碳中和。因此，在日本，随着可再生能源的普及扩大，回收氢（作为能量载体的氨）和二氧化碳（CO2）并将其用作资源的碳循环利用技术，以及CCU（Carbon Capture and Utilization）（2）等技术将应用于各个领域，实现整体碳中和将变得越来越重要。
为了在世界范围内促进可再生能源的普及和氢的多方面利用，在构建全球氢与氨价值链的同时，各地区的分布式氢能源十分重要。
分布式能源是相对较小且分散在各个地区的能源的总称（3）。分布式能源有多种优点：例如通过地产地消有效利用可再生能源；通过有效利用本地资源和产业发展来振兴地区；确保紧急能源供应以应对严重灾害等，因此近年来备受关注。例如，在日本相马IHI绿色能源中心（SIGC），通过分布式能源，可以平衡社区内的电力供需，并且在因大规模灾害等导致停电时，可以为附近避难所供电（4）。在海外，德国市政部门以当地政府提供能源供应等综合基础设施服务闻名于世，而日本也已经开始利用各种能源（5）。日本国内按能源分类的分布式能源引入数量如图1所示。
图1 日本国内按能源分类的分布式能源引入数量（5）
分布式能源的特点之一是通过组合各种设备以符合各个地区特有的各种能源和需求。分布式能源的构成要素示例如表1所示，列举了能源来源、需求和系统主要构成要素的示例。以地区的可再生能源为主要能源来源，同时热电联产等分布式电源以及与电力系统的互连也十分重要。供给侧必须满足地区的特定需求，除了电力之外，还需要通过其他各种服务，例如热能、燃料、原材料、可再生能源电力的供应以及业务连续性计划（Business Continuity Plan：BCP），从而为地区作出贡献。连接供给侧和需求侧的系统构成要素不仅包括发电机、各种储能装置以及转换器等硬件，还需要集成和控制这些硬件的能源管理系统（Energy Management System：EMS）等软件。因此，需要一种与火力发电站等传统集中型能源完全不同的思维方式和设计方法。
表1 分布式能源的构成要素示例
在表1所示的系统中，研究人员认为包括氢利用的分布式能源系统将成为未来的主流。分布式氢能源系统的概念图如图2所示。由于氢气可以用作燃料，因此除可直接用于燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle：FCV）等，还可通过储存成为储能手段之一，在发生紧急情况或灾难时，可以通过燃料电池发电和供电。
此外，由于氢气是还原剂，因此可用作甲烷化（6）等CCU的原料，合成各种碳氢化合物。由此，氢的利用将大幅增加可再生能源的用户数量，还有可能增加可再生能源的附加值，满足各地区的特定需求。具体的碳循环可以通过使用催化剂使氢气（H2）与碳源（一氧化碳（CO）和CO2等）反应来合成甲烷（CH4）等碳氢化合物。转换时一定会有损失，因此不应无限制地进行，但是通过将地区特有的可再生能源转化为满足地区特定需求的各种商品和服务，可以促进分布式能源的引入，并进一步与可再生能源和氢的利用联系起来。
图2 分布式氢能源系统的概念图
分布式氢能源的课题包括整体系统及控制的优化、氢成本的降低、以及转换技术的提高等。
3.1 整体系统及控制的优化
最重要的是掌握地区特有的可再生能源来源以及需求，并据此确定最佳系统及控制方法。除了太阳能，一些地区还拥有风能、水能、地热能、生物质能等多种可再生能源。由于存在向电力系统出售可再生能源电力的可能性，因此也需要考虑与系统的互连。此外还需要考虑用电以外的需求。热能一般难以储存和运输，因此尚未得到充分利用，但其是分布式能源的重要能源媒介。此外，还存在对氢和由氢合成的燃料和原材料的需求。通过将这些需求与高附加值服务相结合，极有可能构建一个具有经济可行性的系统结构。
掌握了供给侧和需求侧后，就需要考虑将其连接的最佳系统及硬件。如表1所示，由于系统的构成要素较多，因此需要降低成本和最大限度地节能等最佳组合。此外，不仅需要优化硬件，还需要开发并优化各构成要素运用的EMS。例如，当电力需求低于供给时，需研究如何使用剩余电力来提高附加值；如果是氢气或由氢气合成的燃料等，则可以考虑优先向水电解装置供电以制造氢气等。
另外，在这样的系统中，利用氢气不是必需的。如果利用氢气不能为该地区带来最佳的分布式能源，则应考虑将其从系统的构成要素中移除。
3.2 氢成本的降低
如第3.1节所述，可通过使用水电解装置利用可再生能源发电来制造氢气。水电解装置的主要特征如表2所示。根据电解质的类型不同，水电解装置也有多种不同类型，其中具有代表性的是使用碱性溶液的碱性水电解装置和使用固体高分子膜（Polymer Electrolyte Membrane：PEM）的PEM型水电解装置。需要根据所需规格选择合适的水电解装置，如碱性水电解装置适合大型化，PEM型水电解可灵活控制输出。近年来，开发了在高温下运行的固体氧化物型水电解技术和可同时还原水（H2O）和CO2以生成CO+H2气体的共电解技术。
表2 水电解装置的主要特征
成本较高是水电解制氢的课题之一。通常情况下，水电解制氢能力约为5kWh/Nm3-H2，以电力单价为5日元（约0.3人民币）/kWh，则仅制氢成本为25日元（约1.5人民币）/Nm3-H2。此外，目前水电解装置的设备成本较高，制氢总成本远高于天然气重整等化石燃料制氢。
降低水电解制氢成本的方法包括：①更便宜的电力，②提高水电解装置的性能（提高转换效率），③降低水电解装置的设备成本，④提高设备利用率等。特别是太阳能和风能的电力输出存在波动，夜间无法产生太阳能电力。如果将水电解装置直接连接到太阳能发电和风力发电上，则水电解装置的输出会不断波动，设备利用率会降低，设备成本对制氢成本的影响增大。为了提高水电解装置的设备利用率，需要采用蓄电池等储能手段，尽可能延长水电解装置在最大负荷下的运行时间。
3.3 转换技术的提高
水电解装置也是转换技术之一，但如第2章所述，如果可以通过氢气和二氧化碳的反应合成碳氢化合物，就能提高可再生能源电力的价值，更好地满足当地需求。这种技术一般被称为CCU技术，通过回收排放的CO2与可再生能源氢气反应并还原为碳氢化合物，从而实现碳的循环利用。通过用这些氢和二氧化碳合成的燃料和原材料代替过去使用的化石燃料，可以为减少二氧化碳总量作出贡献。
CCU技术是CO2回收技术、制氢技术、碳氢合成技术的组合。CO2回收技术包括化学吸收法和氧气燃烧法等。近年来，还开发了直接回收大气中CO2的DAC（Direct Air Capture）等技术。碳氢合成技术的核心是催化剂技术和反应器技术。正在进行用于合成甲烷和烯烃的催化剂的开发（6），但这些反应是放热反应，还需要适当控制催化剂温度的反应器技术。特别是为了应对未来的大规模生产，需要反应器的大型化以及系统的热管理等利用可再生能源电力大规模高效合成碳氢化合物的系统化技术。
IHI公司目前正在进行多个分布式氢能源系统的实证项目。
在2018年开设的“相马IHI绿色能源中心”，除了用于污水处理厂的电力外，来自大型太阳能发电厂的电力被转化为热能以干燥污水污泥，并利用水电解装置制氢（7），（8）。目前，正在进行中试规模的甲烷化试验，并完成了既定的气体成分和二氧化碳转化率等目标。
此外，在北九州市响滩地区，以建设零碳氢气的生产和供应基地为目标，IHI接受日本环境省的委托，启动了氢的“制造”、“运输”、“利用”的实证项目。水电解利用型EMS实证项目的概要（9）如图3所示。该项目与株式会社北九州电力（北九州市）、（福冈县）福冈氧气株式会社、ENEOS株式会社合作，是日本首个可同时控制太阳能、风能和废弃物发电（生物质能）等多种可再生能源的水电解利用型EMS的实证项目，旨在构建零碳氢供应链。
IHI负责EMS的开发和运营，从而便于通过水电解装置并利用上述多种可再生能源高效制氢。需要利用废弃物发电的剩余电力以及波动的太阳能和风电来高效运行水电解装置以生产氢气。此外，目标是利用剩余电力来降低氢气成本。该项目产生的氢气将以高压氢气的形式通过拖车进行运输，然后通过地区管道和加氢站，在搭载燃料电池的汽车和叉车上进行实证。今后，通过与第2章所述的甲烷化等转换技术结合利用，将不断增加的可再生能源剩余电力转换并利用以满足各地区的需求，可以为可再生能源的普及作出贡献。
图3 水电解利用型EMS实证项目的概要（9）
以上措施也将向海外扩展。IHI公司将与澳大利亚昆士兰州的一家国有电力公司CS Energy合作，探讨科根氢气实证项目的商业化，利用该公司所有的科根溪发电站附近地区的太阳能电力生产并销售氢气（10）。科根氢气实证项目规划地如图4所示。澳大利亚拥有大量太阳能等可再生能源，在地产地消的同时，有望成为以氨形式向日本等出口氢气的大型氨供应链基地。今后，随着澳大利亚项目的扩大，计划继续向其他国家发展。
图4 科根氢气实证项目规划地（10）
随着对温室气体减排的要求越来越高，除了构建氢与氨价值链和开发CCU技术外，IHI公司还在开发和实证本文所述的分布式氢能源。计划通过这些措施，为减少各领域的温室气体排放作出贡献。特别是在可再生能源的普及方面，分布式能源有助于可再生能源的地产地消、高效利用和提高抗风险能力，氢的利用将有助于其普及扩大。
此外，经济可行性也是分布式能源的重要课题之一。与传统的大规模集中发电相比，设备和运营成本预计将会增加。一般来说，如果没有提高抗风险能力等附加值和补助金等的支持，分布式能源将难以具有经济可行性。如第3.2节所述，制氢成本较高是目前亟待解决的课题。除了降低分布式能源系统和制氢的成本外，还考虑将氢气转换为满足当地需求的更高附加值产品，以提升整个系统的价值，并尽可能在没有补助金支持的情况下实现经济可行性。这是实现未来可持续社会不可或缺的举措，IHI致力于研究并构筑技术-商业模式，推动其在社会上的实际应用。
参考文献：
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翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
●三菱商事、千代田化工等：从文莱进口MCH，供给ENEOS开展氢供应链实证
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