“氢能起飞论”是真的吗?——对氢能怀疑派疑问的回答

“氢能起飞论”是真的吗?——对氢能怀疑派疑问的回答

高桥浩明

野村综合研究所 调查部 主任调查员

最近,有关氢能源的话题逐渐增多。东京奥运会和残奥会虽然由于新冠病毒的影响而延期举办,但仍计划在举办时积极利用氢能源。一方面,有观点认为东京奥运会将成为推动建设氢能社会的契机,而另一方面,氢能怀疑派仍然抱有强烈的怀疑态度。本文将围绕氢能产业环境的“现状”进行解读。

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安倍首相等出席了3月7日举行的福岛县浪江町

“福岛氢能源研究园区”的开幕式

(图片来自xtech.nikkei.com)

日本政府积极支持氢能源政策,2020年度氢能相关预算首次达到700亿日元(比去年增加16%)。已经确定将获得预算支持的项目包括对燃料电池汽车的购买补贴,加氢站的维修补贴,以及氢气供应链构筑的示范项目和研究开发等。

2019年9月,由日本举办的“氢能阁僚会议”继2018年之后继续在东京召开,来自世界35个国家、地区和机构的约600名相关人员参加了该会议,日本政府不遗余力地向世界发布会议信息。

氢能源的利用是原定于2020年夏季举办的东京奥运会和残奥会的亮点之一,在奥运会历史上首次将氢气用作圣火台的燃料。

3月7日,世界最大规模的氢能源制造工厂在福岛县浪江町开始运营,该制造工厂将利用太阳能发电,通过电解水来制造氢气,并运送到东京都内。另外,还计划在奥运村周边建设加氢站,为丰田汽车提供的燃料电池车和燃料电池公交车提供燃料。

民间推进氢能源发展的举措同样引人注目。2020年1月,本田和五十铃宣布将共同开发燃料电池卡车。除此之外,很多企业也在致力于氢供应基础设施领域的技术开发,包括用于注入高压氢的蓄压器以及高性能的水电解装置等。

放眼海外,向氢能社会的转变越发显著。在欧洲,多个欧盟成员国已于2018年批准并共同签署了“欧洲氢能倡议”,同意尽早开展有关氢气的储存、运输、原料利用等综合性措施。

在中国,中央政府和主要地方城市都为燃料电池卡车和燃料电池公交车的导入数量设定了目标。在美国,以加利福尼亚州为中心,氢能在移动交通领域得到越来越多的运用,其中燃料电池叉车的台数已经超过2万台。

鉴于以上情况,人们已经开始热议:“氢能源的普及已达到起飞阶段,以东京奥运会和残奥会为契机,真正的氢能社会即将到来。”

氢能怀疑派的论据

氢能怀疑派对于氢能源的利用仍然抱有强烈的怀疑态度。他们指出,现在对氢能源关注的热度高涨只是一时的现象,随着东京奥运会和残奥会的结束,氢能热也将逐渐淡去。

将氢能源怀疑派的论据整理后,主要概括为两个方面。一个是眼下制氢成本高,另一个是氢用途难以扩展。

日本政府的技术开发路线图显示,利用可再生能源的制氢成本在2030年将为30日元/Nm3,最终将达到20日元/Nm3,这与当前化石燃料制氢和在原材料产业的制造工程中产生的副产氢的成本相当,是实用化的目标成本。但是,目前的制造成本为80~170日元/Nm3,还很高。

日本的可再生能源发电成本高,水电解装置的设备费用昂贵等问题成为氢能源发展的瓶颈。另外,由于氢气供应基础设施不足,当需要长距离运输时,也会导致成本上升。

氢能怀疑派指出,目前制氢成本高这一问题并不能在短时间内解决,因此这也将削弱民间企业参与的积极性。

怀疑派的另一个论据是,难以想象出氢能源在家用燃料电池和燃料电池车以外的用途。

作为家用燃料电池(带发电功能的热水器)的Ene-Farm,通过量产化和技术开发成功降低了成本,2018年度末的数量已达27.6万台。另外,丰田汽车计划在2020年底发售的下一代“MIRAI”,并且计划通过量产来降低成本。尽管这款车型的价格高达700万日元以上,但当该车型投入市场后,预计在世界范围内的年销售量将达到3万台。

但是,除以上两种用途之外,很难想象出氢能源的其他用途。燃料电池叉车、燃料电池公交车、卡车等虽然已投入实际使用,但并不是面向一般消费者的产品。怀疑派坚持认为随着成本提高,相应的收益会减少,且市场规模非常有限。

甚至就连燃料电池车,也有很多人认为其只不过是一个小领域,未来电动车的主流还将是电动汽车。

不仅普通人持有这样的氢能怀疑论,能源业界的相关人员中也存在一定比例的支持者。此外,许多人也承认这些论据具有一定的说服力。

这次氢能热背景下的本质是环境变化

本文调查员认为,这次氢能源大热背景下的本质是环境变化。氢能怀疑派的论据仅仅是通过氢气本身来考虑氢能源的经济性,并没有全方位地掌握当前正在发生的环境变化。

围绕氢能源的环境变化的本质是加速脱碳化。自2015年通过《巴黎协定》以来,减少温室效应气体的排放被认为是刻不容缓的紧急课题,而氢能源的发展正在急速加快全球脱碳化的实现。

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在全球脱碳化的背景下,氢能源利用的可能性正在扩大

在福岛县浪江町,利用太阳光发电制造可再生能源氢

为抑制温室气体的排出,存在彻底节能和火力发电的高效率化等几种方法,当然需要将这些组合起来进行综合性搭配。其中,最大限度地导入可再生能源是其中的一个重点,氢能源将起到推动可再生能源普及的作用。

可再生能源种类很多,包括太阳能,风能,生物质能,水力和地热能等,其中,有望在一个地点获得大量电力的是大规模的太阳能发电和风力发电。

这两种电源是易受日照条件和风况等影响的变动电源。虽然通过扩大安装地区等可使其发电效果保持稳定,但是如果最大限度地引进发电设备的话,就不可避免地会产生剩余电力。

对于剩余电力的调整方法,虽然存在多种选择,但如果将氢能作为其载体(存储传输介质),则具有许多优点,如果利用剩余电力对水进行电解,并将得到的氢在超低温下液化,则可使运输和保管变得容易,即将氢气用于储存剩余电力。

以氢能源的形式进行储存,在长时间储存和长距离运输这一点上,与蓄电池等其他能源储存方法相比具有相当优势。例如,锂离子电池只适用于数小时的短期能量储存,而氢气则可以进行长达数年的长时间储存。

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(图片来自百度)

在运输方面,大量输送锂离子电池是不现实的,但是氢可以通过液化和甲苯结合等方法实现长距离的大量输送。从中东和澳洲向日本大量输送氢的示范项目也已经开始。

有观点认为,随着太阳能和风力发电的普及扩大,如果日本的发电成本能够降低到和欧美相当的水平(几日元/kWh),氢制造成本的中期目标(2030年30日元/Nm3)将有望实现。

可再生能源发电产生的氢具有多种用途。作为燃料电池的发电、氢涡轮的发电、燃料电池车等移动工具的燃料,氢在成本方面足以替代其他燃料。即使对成本要求较高,也可以考虑以低碳化为目的,代替重油和煤油,将氢用作燃烧器和锅炉的燃料。另外,氢还有望用作化学品的原料,扩大在材料方面的直接用途。

如何最大限度地利用可再生能源发电的副产氢是非常重要的,为此需要慎重考虑如何构筑社会结构和产业的生态系统。

将氢用于碳循环

在碳循环(CO2的分离回收和再利用)中,氢也是不可或缺的化学材料。在CO2的再利用中,很多反应过程都需要氢的参与。例如,在使用CO2生产甲烷(甲烷化)的过程中,需要将来自可再生能源的氢作为原料。

另外,在煤气化联合循环(IGCC)发电技术中,从分解气体中分离回收CO2后会产生大量的氢。在考虑IGCC的可行性时,氢利用技术也是一个非常重要的因素。

由中国电力和日本电源开发公司共同进行示范实验的大崎Cool Gen项目(广岛县大崎上岛町)由3个阶段构成,分别为IGCC、CO2分离回收和商业规模燃料电池,计划到2022年将依次开展这3个阶段。目前,已进行到CO2分离回收的设备运转阶段。

在这个项目中,产生的氢气被用于燃料电池和燃气轮机的发电,而且随着氢气利用范围的扩大,也会考虑其他用途。

IGCC发展的瓶颈是其发电成本高于现有的煤炭火力发电。但是,从应对全球变暖的观点出发,随着当前人们对煤炭火力发电的反对情绪高涨,提高IGCC的可行性成为电力行业的关注点。

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(图片来自雅虎)

氢能怀疑派只关注氢能的经济性,却没有看到氢能源所能承担的可再生能源的补全功能,用作碳循环材料的功能,以及IGCC的协同等多方面的作用和商机。

如果能够通过氢气的储存和运输功能大量导入可再生能源的话,就能降低剩余氢气的制造成本。在碳循环和IGCC的协同作用中,有望开拓氢气的新用途。

对日本企业来说真正的解决方案是什么?

在全球脱碳运动的背景下,氢能源利用的可能性正不断扩大。但是,事实上,实现制氢成本的降低和氢气供应基础设施的维修等也需要花费一定的时间。因此有必要脚踏实地采取长期综合性的措施来发展氢能源。

这一点对于民间企业来说尤为困难。如果没有眼前的收益机会,且无法预见将来的事业潜力的话,企业就不会投入人才和资金进行研发和设备投资。

那么,日本企业应该如何应对氢能源发展呢?目前,不仅仅是超大型企业会从长远考虑致力于地球环境商业开发,从二线大型企业到中坚企业、乃至于风险企业都进行着各种各样的尝试,愿意钻研氢相关技术的企业,不管企业规模如何,都应该着眼于未来,承担一部分风险。

首先,需建立这样一个前提,即氢能源不仅仅是一种商业行为,其还能与可再生能源和碳循环进行融合,因此其具有作为一项事业的潜力。在此基础上,以2030年为目标制定以10年为一期的措施方针。

企业应通过向基础研究投入资金,并协助参加大型企业主导的示范项目等积累相关知识。此外,还应通过企业联盟与事业合作伙伴建立关系。

如果存在某个领域能够在短期内,通过与抵消制氢高成本的其他效用相结合,为顾客带来利益的话,也有可能开创出一种新的商业模式。具体来说,包括利用氢能源的紧急情况处理,以及资源循环利用和氢能源的组合等。

在紧急情况处理方面,东芝开展的项目很容易理解。东芝将太阳能发电、制氢以及燃料电池构成的“独立型氢能源供给系统”投入商品化。

该独立型氢能源供给系统在正常运行时,可通过电力、氢气和温水的最佳优化利用实现低碳化,同时在发生灾难时,可作为独立型紧急电源使用(BCP(业务连续性计划))的这一优点,对顾客极具吸引力。此外,东芝还列举出许多导入实例,主要面向对紧急情况应对有高需求的自治体政府大楼、港口设施、铁路车站以及酒店等公共建筑物。

在与资源循环利用的融合领域,有一个引人注目的初创企业,那就是从事废铝循环利用的Alhytec公司(富山县高冈市),其以大型运输公司——托纳美物流的新事业部门为起点,于2013年由包括日本北陆地区的上市公司在内的8家企业共同成立。

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(图片来自雅虎)

Alhytec公司正在研发一种氢发生装置,该装置能够利用铝零部件工厂等地产生的、由于混入异物且因是粉尘状而不能循环利用的废铝。

由于制氢成本高,所以仅仅利用氢气无法收回氢发生装置的投资成本。但是,由于该氢发生装置具有削减铝废弃物的处理费用,以及在氢化过程中产生的有用副产品(氢氧化铝)可以进行出售等正面效果,因此可以抵消制氢的高成本。

当然,用户也可以享受利用未利用资源带来的低碳化的好处。Alhytec公司已经完成基础研究,将继续面向产业用途的实用化进行研发。

氢能源是二次能源的潜力股

2019年底在西班牙马德里召开的“COP25”(《联合国气候变化框架公约》第25次缔约方大会)上,人们再次认识到了全球脱碳化的重要性。对化石燃料利用的反对呼声日益高涨,因此最大限度地导入可再生能源成为当务之急。

去年,台风15号、台风19号等大型强台风相继登陆日本,给各地带来巨大损失的同时,远程输电网的维护管理问题也再次被放大。在世界范围内,由气候变动引起的大规模自然灾害时有发生,人们日益关心紧急情况时的能源确保。

在这样的趋势下,氢能源有望成为可再生能源存在的发电量变动、地域差异、剩余电力的产生、输电网的限制等课题的有效解决办法。作为适合大量运输和长期储存的二次能源,氢能源中蕴藏着极大的可能性。

对氢能源的期望和现实之间的差距仍然很大,正如怀疑派所宣称的那样,当下商业模式的建立需要花费一定时间。但是,从长远考虑,氢事业的潜力非常高。期待氢能源为日本的新产业培养和创新振兴做出巨大贡献。


参考日本报道原文:https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/03946/

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