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走进世界最大的制氢工厂—— 福岛氢能源研究站!看日本如何构建氢能社会

2019-11-25 09:16  来源:界面资讯  浏览:  

福岛氢能源研究基地。拍摄:侯瑞宁

福岛县浪江町的昼与夜重新流动了起来。

11月的冬阳下,身着白色工服的施工队伍正在推土平地,运输车穿行其间。一家名为四季料理·味感佐藤的餐厅,迎来了更多客人。餐厅墙壁上挂着日本首相安培晋三“桃李自芳”的手迹,成为景观之一。

这里曾沦为“鬼城”。八年前,福岛发生9级地震和大海啸,福岛第一核电站遭到破坏发生核泄漏。距离核电站仅20公里的浪江町,损毁严重,上千人下落不明,幸存下来的居民全部搬离。

福岛因核而兴,也因核而败。因为拥有第一核、第二两大核电站,这里曾是日本电力大县。2011年“3·11”地震后,福岛两座核电站遭遇废弃,农田受到辐射污染,农副产品出口锐减九成。浪江町的山林间,至今仍堆放着数千个大型黑色塑料袋,里面装着被污染的土壤。福岛县仍有超过4万人过着避难生活,约2.3%的土地仍被划为“返乡困难区域”。

浪江町再次热闹起来是在2018年。

去年8月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)、东芝能源系统、东北电力及岩谷产业合作,开始在浪江町建设利用可再生能源制氢的氢能源系统——福岛氢能源研究基地(Fukushima Hydrogen Energy Research Field,下称FH2R),大量的施工队伍来到这里,开始一场为了“复兴”建设。

FH2R是目前世界上规模最大的可再生能源制氢工厂,占地总面积为22万平方米。其中18万平方米为太阳能发电区域,4万平方米为制氢车间,系统装置具备1万千瓦制氢能力。FH2R的氢气生产能力为2000立方米/小时,年产量900吨,可满足1万辆氢能源汽车一年的氢能所需。

福岛希翼依靠FH2R恢复其能源大县的地位。

11月12日,记者在现场看到,FH2R的制氢车间已经建设完毕,太阳能发电区域的光伏板还在安装过程中。

与日本另外两家采用油气制氢技术不同,FH2R采用的是水电解制氢技术。工厂所用电力均来自太阳能,发电量为20万千瓦/年。按照计划,该工厂将于2020年6月正式投产运营,东京奥林匹克运动会期间,为丰田氢能汽车提供动力支撑。

FH2R的建设运营采用了产业联盟的形式。作为日本政府经济产业省下面的独立行政法人机构,NEDO负责技术研究;东芝企业负责制氢设备的研制;东北电力企业负责太阳能发电与大数据管理;岩谷产业企业(iwatani)负责生产与氢能输送。

运营这座氢能工厂最大的挑战是如何保证稳定的电力供应。NEDO氢能部统括研究员大平英二称,如遇到阴天或梅雨季节,太阳能提供的电能可能会下调。如何实现制氢、储藏与电力系统供需平衡的最佳组合,是行业面临的共同课题。

尽管如此,日本政府仍对这一项目寄予厚望。“FH2R制氢工厂运营成熟后,会将多余的太阳能电力融入东北电力企业的电网。整个模式会复制到其他地区,日本将由此进入氢能社会。”大平英二说。

世界最大的制氢工厂——福岛氢能源研究站。拍摄:徐静波

福岛核事故后,可再生能源开始成为日本的主力电源。去年7月,日本政府在内阁会议上通过了新修订的《能源基本计划》提出,到2030年,太阳能、风能等可再生能源发电在总发电量中的比例提高至22%-24%。

核电则被定位为基本负荷电源,比例确定为20%-22%。“3.11”地震之前,核电曾占日本总发电量的50%以上。在可再生能源中,氢能成为日本的新宠。《能源基本计划》提出要全面实施《氢能基本战略》的相关政策措施,构建氢能制备、储存、运输和利用的全球产业链,积极推进氢燃料发电、氢燃料汽车发展,推动“氢能社会”的构建。

《氢能基本战略》是日本氢能发展的具体指南。它确立的几大目标包括:到2030年左右,实现氢能源发电商用化,以削减碳排放并提高能源自给率;2030年,将氢气价格从目前的100日币/立方米降至30日币/立方米,氢燃料电池汽车达到80万辆,氢气加注站增至900个,氢燃料电池大巴达到1200辆。

氢燃料电池车是目前氢能的主要应用方式之一

最初考虑将氢能源作为汽车动能的,是丰田汽车企业的四名技术人员。1992年,他们以兴趣小组的形式开始研究。在企业资金支撑下,兴趣小组的人数越来越多,后来演变为丰田企业的新能源研发部。

2014年,丰田企业生产出了第一代氢能源实验车;两年后,正式推出了第一代氢能源车“MIRAI”。在位于东京的丰田氢能汽车展览馆,工作人员先容称,“MIRAI”的售价是720万日币(约合46万元人民币),政府会补贴300万日币(约合20万人民币),加上税收等其他费用,个人实际承担约30万元人民币。

日本政府的目标是,2025年将氢能源汽车的售价与混合动力汽车的售价持平,即价格控制在300万日币左右。“MIRAI”氢能车上载有两个氢气罐,一次充气3分钟左右,可行驶650公里。两个氢气罐能充10.5公斤氢气,每次花费约5000日币(约合300元人民币)。

丰田第一代氢能汽车内部构造。 拍摄:侯瑞宁

“MIRAI”氢能车自2014年12月上市,截至今年9月底,在日本、美国和欧洲的累积销量为9810台。丰田氢能汽车展览馆工作人员称,这一销售数字尚未达到预期,“主要受制于加氢站的数量太少”。目前,日本有100个加氢站,东京仅有14个加氢站。

“加氢站少,和汽车企业有关系,要使氢能车和加氢站同步发展,需要一个过程。”丰田企业公关部和技术组技师负责人中井久志表示,丰田第一代氢能源汽车生产能力为3000辆/年,二代将于明年年底推向市场,届时总生产量达到3万辆/年。

中井久志称,研发氢能技术资金投入很大,经济账并不划算,目前700万日币的定价保持不亏损,但尚未盈利。丰田企业正在实行车辆电动化战略。到2030年,电动化车产量将达到550万辆以上。其中,混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)450万辆以上;电动车(EV)和氢能汽车(FCEV)达到100万辆以上。

与中国不同,日本在发展纯电动车方面兴趣寥寥。日本国土面积小,人口密度较大,大街上行驶的汽车大都小巧便捷。日本认为,纯电动车要负荷重量较大的电池组,体型较大且研发成本高,因此纯电动车并未得到大力发展。

除生产氢能源轿车外,丰田也在生产氢能源公交车、氢能源运输车。目前,带着“H2”标志的数十辆氢能源公交车已在东京街头运行。氢能源汽车研发的关键零部件是FC电池堆和高压储氢罐。日本在这两个领域处于世界领先。

中井久志先容,“MIRAI”氢能车的FC电池堆功率密度为3.1kw/L,重量仅为56千克。与2008年版的燃料电池堆相比,电池堆功率密度提高了2.2倍,重量减少了近50%。丰田企业在4月表示,将向中国商用车厂商提供FC组件。其与北汽福田汽车股份有限企业、北京亿华通科技股份有限企业达成了合作意向,将在福田生产及销售的FC大巴上,搭载采用丰田FC电堆等零部件的亿华通FC系统。

2000年,丰田开始高压储氢罐的研发,通过碳纤维强化塑料层的创新结构,实现了轻量化,质量储氢密度达到世界领先的5.7wt%。这个重量百分数意味着数值越高,所含氢气就越多。氢能被称为“21世纪的终极能源”。近年来,包括中国、美国、欧盟等其他国家和地区都在大力推出氢能发展计划。截至2018年底,全球加氢站共有369座,日本、德国和美国位居前三,中国以23座的数量排名第四。

中国对氢能也寄予厚望。今年3月,中国首次将“推动加氢等设施建设”写入《政府工作报告》,“氢能热”再次升温,民企、国企各路资本加速入场。

2019年6月,中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》显示,到2050年,氢能在中国能源体系中的占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值超过10万亿元。但中国的氢能及氢燃料电池产业基础设施薄弱,有待集中突破,氢能储运及加氢基础设施成为“卡脖子”环节。亚洲通讯社社长徐静波认为,从日本氢能产业发展经验看,氢能源的研发与使用,不只是技术与生产的问题,更重要的是形成了全社会的产业链。

为了打造这一产业链,日本花了五年时间,完整构建整条产业链。目前,日本国际商社负责液化气进口、岩谷产业等企业负责氢气制造加工储存、丰田等企业负责氢能源汽车的制造。高压气罐的研发制造,则由三菱重工等企业负责、汽车与气罐新材料由东丽企业等负责研发生产。

此外,氢气运输车运输船的研发制造、高压氢气的安全运输、加氢站的建设与普及、氢能源汽车的销售与售后服务等,都由专门的企业或机构负责。日本政府还在推动船舶、铁路领域的氢能化,并开始研发氢能源的有人月球探测车。除在交通领域推动氢能化,也将氢能系统推广到了住宅区。2020年,日本将建成世界上第一个氢能源社区,全部使用氢能供电。该社区位于东京晴海码头附近的奥运选手村,目前正在建设中。

建设中的东京奥运选手村,将成为世界上第一个氢能社区。拍摄:侯瑞宁

据徐静波先容,该社区每一套房子均采用家用氢能源燃料电池作为家庭的基本电源。社区内建有大型加氢站和氢气管线管控中心,通过管线直接将氢气输入各户家庭的燃料电池中。社区内的所有商业设施、路灯、巡回巴士也将采用氢能源。奥林匹克运动会结束后,这些房子将出售给东京市民。

如何保证充足的氢能,是日本构建氢能社会的关键。按照《氢能基本战略》规划,2030年,日本氢能供应量为30万吨;到2050年,在氢能价格降至每立方米20日币(合人民币1.25元),供应量提升至1000万吨。

除自建制氢工厂外,日本还计划在澳大利亚和本国之间建立一条氢能供应链(HESC),将在维多利亚拉特罗布山谷将褐煤制成液化氢,然后出口到日本。该试点项目由日本政府和由川崎重工牵头的行业企业联合会共同出资,将耗资4.96亿澳元(约合23.66亿元人民币)。

“目前,大家还在试验从下水道废气、动物粪便中提取氢气。”中井久志表示,氢能源是取之不尽且令人安心的能源。无论是浪江町的大平英二,还是中井久志,都在期待着2020年的东京奥林匹克运动会。在他们看来,那不仅是一场体育盛典,且将成为日本向世界展示氢能源汽车技术的良机。

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