日本國(guó)立材料科學(xué)研究所(NIMS)與東京大學(xué)和廣島大學(xué)合作，對(duì)結(jié)合了太陽(yáng)能發(fā)電和蓄電池的“氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)”進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估，并發(fā)表了擁有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的“廉價(jià)氫能源”標(biāo)準(zhǔn)。
在此標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，有關(guān)氫能源的討論最終都會(huì)指向其成本較高，制造方式較難，儲(chǔ)存運(yùn)輸不易等方面。不得不說(shuō)氫能源的技術(shù)和發(fā)展受到外界不斷的質(zhì)疑并且相當(dāng)不透明。
此次評(píng)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(huì)的正式邁進(jìn)。
P2G(Power to Gas)技術(shù)
可再生能源目前存在輸出率不穩(wěn)定，開(kāi)工率較低等問(wèn)題。關(guān)于上述問(wèn)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(lái)解決。
「P2G(Power to Gas)系統(tǒng)」是一個(gè)是用可再生能源制造氫氣的系統(tǒng)，它同時(shí)滿足可以制造、儲(chǔ)存和使用氫氣。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)成了一個(gè)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(lái)調(diào)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(jì)算其經(jīng)濟(jì)效率。
通過(guò)全面考慮蓄電池和水電解裝置的容量，考慮到未來(lái)的技術(shù)改進(jìn)，廉價(jià)制氫的技術(shù)或許已經(jīng)成熟。
太陽(yáng)能制氫的技術(shù)突破
日本量子科學(xué)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)于2020年4月，與芝浦工業(yè)大學(xué)、日本原子能機(jī)構(gòu)共同發(fā)表了，能有效降低熱化學(xué)制氫過(guò)程中主要反應(yīng)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(duì)“碘”(I)和“硫”(S)的化合物進(jìn)行熱分解的過(guò)程。
目前我們可以使用太陽(yáng)能來(lái)提高水溫，以便進(jìn)行熱分解制氫。此方式的好處在于可以合理的使用太陽(yáng)能來(lái)降低對(duì)環(huán)境造成的污染，不過(guò)此方式也存在不足之處，那就是用太陽(yáng)能進(jìn)行加熱的水溫最高只能達(dá)到650℃。
650℃在“IS制氫法”發(fā)中屬于較低溫度，而倘若進(jìn)行熱分解的“水”一直處于這種較低溫度，則會(huì)間接的導(dǎo)致“IS制氫法”使用太陽(yáng)能作為熱源的效率相對(duì)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(dá)到40%。倘若追求更高的制氫效率，那我們就需要將反應(yīng)電壓叢0.65V降低至0.2V。
制氫反應(yīng)中，約有70%的反應(yīng)電壓是由“陽(yáng)離子交換”時(shí)產(chǎn)生的電阻所引起，因此降低膜的電阻是降低電壓的關(guān)鍵，降低電壓也就間接的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。
在此基礎(chǔ)上，量子科學(xué)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)并使用了名為“量子交聯(lián)”的新技術(shù)。該技術(shù)使的獨(dú)特之處在于使用了新型的低電阻“陽(yáng)離子交換膜”。
與此同時(shí)，芝浦工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了“多孔金陽(yáng)極”，以用來(lái)減少由于陽(yáng)極反應(yīng)(硫酸形成反應(yīng))時(shí)引起的過(guò)電壓。日本原子能機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此反應(yīng)的最佳作業(yè)溫度僅為50℃。
與常規(guī)測(cè)試相比，在50攝氏度的作業(yè)環(huán)境下，將開(kāi)發(fā)的“陽(yáng)離子交換膜”和“金陽(yáng)極”安裝在“膜本生反應(yīng)器中”時(shí)，膜電阻的過(guò)電壓降低了約80%，陽(yáng)極反應(yīng)的過(guò)電壓則降低了約40%。
上述條件下，我們成功地將總的反應(yīng)過(guò)電壓降低至目標(biāo)值0.2V。如果是這樣，那即使在相對(duì)較低的太陽(yáng)能溫度下，氫氣生產(chǎn)效率可以達(dá)到有史以來(lái)第一最高的40%。
將來(lái)，研究小組將整合項(xiàng)目中建立的每種基本技術(shù)，以便使該技術(shù)投入實(shí)際使用，并逐漸進(jìn)行小規(guī)模制氫試驗(yàn)。
如果能夠通過(guò)此研究，成功實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)熱驅(qū)動(dòng)IS技術(shù)，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(shuō)此研究為“氫社會(huì)”的到來(lái)邁出了歷史的一步。
日本與氫能源社會(huì)
日本政府早在2017年12月26日開(kāi)展的“第二屆可再生能源與氫能源會(huì)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(shí)現(xiàn)“世界領(lǐng)先氫能源社會(huì)”為主要目標(biāo)。分別設(shè)定2030年中期具體目標(biāo)與2050年長(zhǎng)期目標(biāo)。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(kuò)大制造」兩方面。
目前日本國(guó)內(nèi)氫能源的提供量約為每年0.02萬(wàn)噸，其價(jià)格約為100日元/Nm3.政府計(jì)劃到2030年目標(biāo)建設(shè)氫能源商業(yè)供應(yīng)鏈，產(chǎn)量擴(kuò)大至每年30萬(wàn)噸，價(jià)格降至30日元/Nm3.到2050年則是把產(chǎn)量增至1000萬(wàn)噸成本降至20日元/Nm3.
叢氫能源行業(yè)最近不斷的技術(shù)突破上我們不難發(fā)現(xiàn)，日本氫能源的發(fā)展與市場(chǎng)正在逐漸叢第一階段過(guò)渡到第二階段。其市場(chǎng)也不再是單一的氫能源，而更多的利用可再生能源與其進(jìn)行結(jié)合。
