摘 要：东芝能源系统株式会社为减少二氧化碳（CO2）排放量，扩大来自可再生能源的氢气的利用，正在推进相关技术的研发。其中，在日本环境省的“地区合作与低碳氢技术实证项目”中，与北海道钏路市白糠町合作，对构建以小型水力发电为电源的氢气制造、储存、配送、利用的低碳氢供应链进行了实证实验。根据从2018年6月到2020年3月实证期间收集的数据进行估算，确认作为评价对象的3家用户设备共减少了约15%的CO2排放量。
关键字：氢气供应链、可再生能源制氢、基于小型水力发电的制氢系统、水电解装置、高压氢气配送系统、氢供应链管理系统
1、前言
日本环境省在“2015年度地区合作与低碳氢技术实证项目”中，采纳了东芝能源系统株式会社提出的“基于小型水力发电的可再生氢能的扩大利用和适应北海道地区特性的氢利用模式的构建实证”。为此，该公司与北海道钏路市白糠町合作，历时5年（2015 ~ 2019年），对构建从氢气制造、储存、配送到利用的供应链进行了实证研究。
由于氢气在使用阶段几乎不会排放CO2，因此被认为是应对全球变暖的重要能源，但是在氢气的制造和运输过程中，有时会排放CO2。因此，该公司采用以小型水力发电为电源的可再生能源制造氢气，并构建区域氢气供应链，进行削减CO2排放量的实证研究。本文将介绍该研究的概要和成果。
2、构建基于小型水力发电的制氢系统
该实证项目在位于北海道白糠郡白糠町的庶路水坝的左岸下游安装了小型水力发电站。该水力发电采用从庶路水坝流向庶路川的持续水流，每秒最大取水1.02 m3，额定发电功率为200kW。产生的电力通过电线输送到庶路水坝右岸上游的制氢厂，通过水电解装置制造氢气。该水电解装置每小时最多可制造约35Nm3（注1）氢气。
（注1）Nm3 是在0℃，1个大气压状态下换算后的体积。
图1. 位于庶路水坝的实证设备
设置小型水力发电站、制氢厂以及输送电线，构建以小型水力发电为电源的可再生能源制氢系统。
图1展示了设置在庶路水坝的小型水力发电站、制氢厂以及输送电线的全貌。实证期间为2018年6月至2020年3月，进行发电运行及氢气制造。
图2. 基于小型水力发电的制氢流程
利用小型水力发电的电力，通过水电解制造氢气。产出的氢气暂时储存在储氢罐中，经高压压缩后充入容器中，然后配送。
图2展示了基于小型水力发电的制氢流程。在“制造”、“储存”氢气以及装载到氢气“配送”车辆的过程中，所需的电力及发电站内用电负荷全部由小型水力发电提供，没有连接系统电力。由于完全脱离电网，为了在发生急剧负荷变动的情况下也能保持电力的供需平衡，设置了假负荷。制氢厂设置在没有自来水和通信等社会基础设施的山区，考虑到夜间工作的风险和人工费的缩减等,设想高压气体资格持有者只在白天进入厂区,设置了低压储氢罐将夜间产生的氢气暂时储存起来。
发电站的额定功率为200kW，但考虑到大雨导致水坝水位上升会超过额定功率，所以实际发电功率控制在180kW左右。平均每天发电4000 ~ 4300kWh，生产出600Nm3左右的氢气。图3表示使用高压气体实证设备时，实证期间小型水力发电量的消费明细。
图3. 实证期间小型水力发电量的消费明细
除水电解装置的调整和检修时期外，确保稳定的水力发电量和氢气产量。
图中发电量较少的月份，是因制氢厂水电解装置等的调整，以及年末年初时高压气体资格持有者及运输业者的长期休业导致水电解装置的关停，所以减少了发电量。另外，2019年5月和6月的发电量和制氢量极少，这是为了检修而将水电解装置关停了两个月。发电的消耗去向包括氢气制造、高压气体制造、假负载、辅机和周边设备以及监视控制、通信设备、照明等站内负荷。制氢消耗电力约占发电量的40%。实证期间总发电量为2,210,736kWh，氢产量为297,133Nm3。