能源先驅：可再生能源制氫的未來

:能源先驅：可再生能源制氫的未來

日本國立材料科學研究所（NIMS）與東京大學和廣島大學合作，對結合了太陽能發(fā)電和蓄電池的“氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)”進行了技術和經(jīng)濟評估，并發(fā)表了擁有國際競爭力的“廉價氫能源”標準。

在此標準出臺之前，有關氫能源的討論最終都會指向其成本較高，制造方式較難，儲存運輸不易等方面。不得不說氫能源的技術和發(fā)展受到外界不斷的質疑并且相當不透明。

此次評估將成為氫能源主力電源化最最重要的方針之一，這次的成就也意味著向氫能源社會的正式邁進。

P2G（Power to Gas）技術

可再生能源目前存在輸出率不穩(wěn)定，開工率較低等問題。關于上述問題的解決方式，目前能夠考慮到的就是投入并使用「P2G（Power to Gas）系統(tǒng)」來解決。

「P2G（Power to Gas）系統(tǒng)」是一個是用可再生能源制造氫氣的系統(tǒng)，它同時滿足可以制造、儲存和使用氫氣。

研究團隊設計成了一個集成模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電的發(fā)電量，來調節(jié)蓄電池的充電、放電量和水電解裝置中的氫氣產(chǎn)生量，并根據(jù)參數(shù)計算其經(jīng)濟效率。

通過全面考慮蓄電池和水電解裝置的容量，考慮到未來的技術改進，廉價制氫的技術或許已經(jīng)成熟。

太陽能制氫的技術突破

日本量子科學技術研發(fā)機構于2020年4月，與芝浦工業(yè)大學、日本原子能機構共同發(fā)表了，能有效降低熱化學制氫過程中主要反應能耗的制氫方式，并表示使用此方法制氫將比之前的制造節(jié)約70％的能量。

“IS”制氫法是有望成為下一代主力能源“氫能源”的制造方式，該方法是能夠穩(wěn)定的氫生產(chǎn)方法之一。此方法是指使用水對“碘”（I）和“硫”（S）的化合物進行熱分解的過程。

目前我們可以使用太陽能來提高水溫，以便進行熱分解制氫。此方式的好處在于可以合理的使用太陽能來降低對環(huán)境造成的污染，不過此方式也存在不足之處，那就是用太陽能進行加熱的水溫最高只能達到650℃。

650℃在“IS制氫法”發(fā)中屬于較低溫度，而倘若進行熱分解的“水”一直處于這種較低溫度，則會間接的導致“IS制氫法”使用太陽能作為熱源的效率相對低下。

在650℃的作業(yè)環(huán)境下，制氫效率最高的是“電解水制氫法”。此方法的制氫效率能達到40%。倘若追求更高的制氫效率，那我們就需要將反應電壓叢0.65V降低至0.2V。

制氫反應中，約有70％的反應電壓是由“陽離子交換”時產(chǎn)生的電阻所引起，因此降低膜的電阻是降低電壓的關鍵，降低電壓也就間接的實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

在此基礎上，量子科學技術研發(fā)機構開發(fā)并使用了名為“量子交聯(lián)”的新技術。該技術使的獨特之處在于使用了新型的低電阻“陽離子交換膜”。

與此同時，芝浦工業(yè)大學開發(fā)了“多孔金陽極”，以用來減少由于陽極反應（硫酸形成反應）時引起的過電壓。日本原子能機構通過調查發(fā)現(xiàn)，此反應的最佳作業(yè)溫度僅為50℃。

與常規(guī)測試相比，在50攝氏度的作業(yè)環(huán)境下，將開發(fā)的“陽離子交換膜”和“金陽極”安裝在“膜本生反應器中”時，膜電阻的過電壓降低了約80％，陽極反應的過電壓則降低了約40％。

上述條件下，我們成功地將總的反應過電壓降低至目標值0.2V。如果是這樣，那即使在相對較低的太陽能溫度下，氫氣生產(chǎn)效率可以達到有史以來第一最高的40％。

將來，研究小組將整合項目中建立的每種基本技術，以便使該技術投入實際使用，并逐漸進行小規(guī)模制氫試驗。

如果能夠通過此研究，成功實現(xiàn)太陽熱驅動IS技術，那么將有可能產(chǎn)生大量的氫氣并將其提供給燃料電池汽車和家用燃料電池，不得不說此研究為“氫社會”的到來邁出了歷史的一步。

日本與氫能源社會

日本政府早在2017年12月26日開展的“第二屆可再生能源與氫能源會議”上就討論，并制定了“氫能源基本戰(zhàn)略”與其發(fā)展方針。

日本決定以實現(xiàn)“世界領先氫能源社會”為主要目標。分別設定2030年中期具體目標與2050年長期目標。該愿景的終極目的是想要到2050年為止讓氫能源的成本降低至與化石能源持平（LNG）。

氫能源基本戰(zhàn)略大致可以分為「氫能源的制造・供給成本」，「氫能源的使用・擴大制造」兩方面。

目前日本國內氫能源的提供量約為每年0.02萬噸，其價格約為100日元/Nm3.政府計劃到2030年目標建設氫能源商業(yè)供應鏈，產(chǎn)量擴大至每年30萬噸，價格降至30日元/Nm3.到2050年則是把產(chǎn)量增至1000萬噸成本降至20日元/Nm3.

叢氫能源行業(yè)最近不斷的技術突破上我們不難發(fā)現(xiàn)，日本氫能源的發(fā)展與市場正在逐漸叢第一階段過渡到第二階段。其市場也不再是單一的氫能源，而更多的利用可再生能源與其進行結合。