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本文3646字，阅读约需9分钟 摘 要：以氢为能源核心的构想正在全球范围内推进。为什么氢是一种非常有发展前景的能源？为了实现氢能社会应该采取哪些措施呢？ 关键字：氢能、氢利用、水电解、绿氢、制氢基础技术、氢能社会、脱碳社会 目录 ●什么是氢？ ●氢的制造方法大致分为两种 ●氢在脱碳社会中被重视的理由 ●如何利用氢？ ●企业利用氢的例子 ●今后的课题 ●为实现氢能社会而采取的措施 ●结语 一般来说，氢是指由两个氢原子组合而成的氢气（氢分子、H2）。氢气是世界上最轻的气体。 氢原子是宇宙中最小的元素，也是最丰富的元素。氢在自然界中几乎不以氢气的形式存在。氢以化合物的形式存在于水(H2O)、甲烷(CH4)等中，因此要想将其用作氢气，必须从化合物中分离出来。 氢气具有比其他燃料低得多的体积能量密度。为了像其他燃料那样高效地运输和储存这种低体积能量气体，需要将氢气转化为液态氢或压缩氢。液态氢的单位重量能量密度高于汽油。
将氢气用作下一代能源的想法自1970年代以来就一直存在，当时就已经开始重视环境问题。 如上所述，氢气在自然界中并不存在。因此，必须从自然界的氢化合物中提取氢。氢的提取方法大致有两种。 一种是使化石燃料与水（水蒸气）发生反应，从而提取氢的方法。通过使煤炭或天然气与水蒸气发生反应，生成氢气和一氧化碳，从中提取出氢气。石油和天然气的主要成分是富含碳（C）和氢（H）的烃。烃通过与水（H2O）发生反应，可以分离成一氧化碳（CO）和H2（氢）。可以通过水蒸气重整或者部分氧化重整方法提取氢气；另外，也可以从炼铁过程的焦炉煤气中提取氢。 从化石燃料中提取氢的方法具有以下优点：可以在短时间内以相对较低的成本大量制造氢气，这在一定程度上归功于已经确立的技术。 但是，这种方法也存在缺点，即在所有制造过程中都会排放出碳的氧化物（nCO）。导致全球变暖的二氧化碳是水蒸气重整的副产品。 另一种方法是水电解。向水（H2O）里通电时，会发生电子的移动，变成H+和HO-。更准确地说，2H2O变成了2H2和O2。 水电解的优点是不会排放出二氧化碳等温室气体。 缺点是需要电力。如果水电解制氢中使用的电力来自化石燃料，那么虽然在制氢过程中不会产生二氧化碳，但在发电过程中会排放二氧化碳，这样就毫无意义了。通过使用太阳能发电、风力发电、水力发电等可再生能源进行电解水，能够制造氢气而不产生温室气体。 不排放二氧化碳等温室气体的氢被称为绿氢，排放二氧化碳的氢被称为灰氢，通过某种方法在制造过程中回收二氧化碳的氢被称为蓝氢。 在脱碳社会中，氢的重要性在于其在利用时不会排放温室气体。氢能重新获得关注的原因在于全球脱碳浪潮。当使用氢发电时，其反应机制与水电解相反。换句话说，氢和氧发生反应，引起电子移动，从而产生电。反应结束后，氢和氧会变成水。如果使用绿氢的话，从制造到利用的整个过程都不会产生CO2等温室气体。 除了脱碳因素外，近年来氢的其他优点也再次受到关注。 氢还有助于紧急情况下的能源供应。今后，即使在电力基础设施停止工作的情况下，例如因灾害而导致停电，通过预先储存氢，可以通过以氢为燃料的燃料电池等来提供能源。 此外，氢还有助于能源的地产地销，例如使用由当地可再生能源制造的绿氢等。当地的产业界也可以参与其中。 也可以通过燃料电池进行供热。燃料电池大约在80℃下运行。燃料电池运行过程中产生的热量不能得到利用的话会直接废弃（废热）。通过利用这些废热，有助于家庭等的供热利用。 之前，氢的利用场景还仅限于有限的领域。例如，火箭燃烧时的燃料或在极低温度（-253℃）下使用液化氢的研究所等。 但是目前，氢的应用领域已扩展至燃料电池、运输领域（燃料电池巴士、氢燃料电池汽车（FCV））等。在日本，燃料电池巴士已经在城市运行，在2021年东京奥运会上，燃料电池汽车被用来运送运动员。 据日本经济产业省分析，通过实证实验，氢有望将其应用于以下三大领域。 第一是运输的大型化。与汽油相比，液化氢的单位重量能量更高。因此，比起以短距离行驶为主的乘用车，氢更适用于进行长距离运输的大型车。氢燃料电池卡车体积大、且能够进行长距离运输，因此目前其开发竞争正在加速。据日本环境省预计，到2050年，氢燃料电池卡车的全球市场将高达1500万台（约16.96万亿元）。除了卡车，还正在开发氢在船舶和飞机等中的利用。 第二是炼铁领域。在炼铁过程中，会发生还原反应，去除铁中所含的氧气。通过还原反应，铁的强度会增加，但现有技术使用煤炭（焦炭）来去除氧气。目前正在研究氢还原炼铁技术，以使用氢还原铁。炼铁过程中的温室气体排放是全球钢铁行业所面临的主要问题，因此氢被寄予厚望。 第三是发电。在LNG(液化天然气)火电厂，以天然气为燃料带动燃气轮机发电，利用余热带动蒸汽轮机发电。计划利用氢代替天然气作为燃料。目前，已经对在天然气中部分混入氢的氢混烧发电进行了实证，并在日本取得了实际成果。 将利用可再生能源获得的绿氢再次用于发电涡轮机可能有些难以理解。但是，可再生能源在发电困难时需要调整力进行补充。目前由蓄电池、LNG等火电来进行电力的供需调整，利用氢发电作为调整力，有望实现更加环保的发电基础设施。 日本企业也开始着手构建氢能社会。 首先，在制造领域,岩谷产业在日本的市场占有率居首。该公司从1941年就开始销售氢，为日本产业的扩大做出了贡献。压缩氢和液化氢的市场占有率在日本居于首位（据2020年12月岩谷产业调查数据，约为70%）。岩谷产业是日本唯一的液化氢制造商。日本有3家液化氢制造厂。 岩谷产业还致力于构建供给网，同样地，新日本石油株式会社（ENEOS）也致力于氢供应。氢供应基地具有多种类型，包括与加油站为一体的SS综合加氢站，仅销售ENEOS氢的独立加氢站，以及用卡车供应的移动加氢站。 丰田在燃料电池车（FCV）领域领先于全球。备受关注的MIRAI已在2020年发售。MIRAI上配备有高压氢罐（约5kg），续航里程比EV长，为650km。2021年，丰田对MIRAI进行了全面改造。本田也提供了一款车型，但于2021年6月停止了生产。在海外，现代也有一款车型。 三菱重工业在发电用氢涡轮机开发方面领先一步。氢混烧涡轮机已经取得了成功，目前正在研究和开发纯氢燃气涡轮机。 今后的课题是扩大绿氢的使用。即使扩大了氢的使用，但如果在制氢过程中排放CO2的话，就毫无意义。 虽说是扩大绿氢，但是可再生能源的普及还需要一段时间。此外，考虑到氢转化过程中的损耗以及使用氢时的运输和供应等，为了制氢而专门建设可再生能源反而成本相当高。因此，使用所谓的剩余电力（可再生能源用于社会实施后剩下的部分）电解水来制造氢的方法的环境负荷最低，且利用效率高。 为此，需要日本国内的“过剩”可再生能源，但还需要一段时间才能实现。有人预测这一段时间将会是20-30年。 因此，正在研究回收制氢过程中的碳的技术——CCS（碳捕获与封存）和CCUS（碳捕获、利用与封存），回收从化石燃料中提取氢时产生的二氧化碳。 组合使用CCS/CCUS而获得的氢被称为蓝氢，但是碳捕获与封存技术在全世界范围内还处于开发阶段，还未确定何时能够商用。 成本也是其中一个课题。根据2020年6月日本经济产业省总结的数据，目前氢的供应成本为100日元（约5.65元）/Nm3（加氢站的售价），出厂时是30日元（约1.70元）/Nm3。 日本经济产业省的目标是通过扩大引进量、开发相关技术并扩大需求，使氢供应成本到2030年降低到30日元（约1.70元）/Nm3，到2050年降低到20日元（约1.13元）/Nm3。 除了制造方面的课题，还存在运输和利用方面的课题。 日本经济产业省也正在考虑进口低成本的氢，但是目前的港口设施不足以处理大量的液化氢。在使用方面，如上所述，需要氢还原铁的基础技术，但其还未成熟。FCV除了燃料电池巴士以外，在日本和海外均处于观望阶段。关于FCV的全面引进，氢供应网尚未完善。 针对以上问题，日本政府正在制作并讨论引进氢的路线图。由《氢与燃料电池战略路线图》可知，开发和确立技术的目标众多，要实现氢的全面社会利用还需要开发很多基础技术。 因此，日本政府将为每项基础技术设定阶段并提供开发支持。 例如，关于利用可再生能源的水电解，将开发一个利用福岛浪江的实证成果的模范区域。福岛浪江的实证实验是指日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“福岛氢能研究项目”。在该实证实验中，每小时可制造约1200Nm3的绿氢。就普通家庭的用电量而言，大约可以维持150户/月。 另一个独特的举措是使用由NEDO和产业界共同开发的人工光合作用的反应过程来制造氢。这使用了面积高达100m2的光催化面板，并将光能直接用于水的分解。由于无需将其转化成电，只需将水流过光催化面板即可提取氢，因此成为了一个热门话题。光催化剂的转化效率仍低于1%，但未来的发展值得期待。 在脱碳的背景下，氢能社会既是目的也是手段。氢能社会所描绘的未来非常光明，氢能必将在实现脱碳社会的过程中发挥重要作用。 但是，从不排放温室气体的制氢基础技术、可再生能源的普及状况等来看，似乎还需要一段时间。虽然从化石燃料中制造氢或从国外运输氢确实可以增加氢的引入量，但其对脱碳的贡献大大减小。 为了切实达成氢能的脱碳效果，在现阶段，重要的是确定怎样的氢利用步骤有助于脱碳社会的实现，以及能否扩大普及。 翻译：王宁愿 审校：贾陆叶 李 涵 统稿：李淑珊  ●日本主要氢能企业的最新动向（1）——氢的大量制造与大量运输 ●川崎重工：完成燃气轮机DLE燃烧器中40%氢混烧技术的开发 |
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