2014年02月26日08:34
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利用氫的舉措在全球多個國家開始出現熱潮。比如在率先展開行動的歐洲，利用可再生能源的剩余電力生成氫的做法受到關注。而美國則從保障國家安全的角度出發，為降低能源對海外的依賴，開始構筑氫基礎設施。
氫的利用與燃料電池的普及大幅相關。全球各地開始探索符合地區特性的氫利用手法（圖1）。尤其是在歐洲，氫的利用作為利用可再生能源剩余電力的有效手段受到了矚目。
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圖1：關於氫的世界動向 全球開始圍繞氫利用大展身手。 |
在歐洲，可再生能源比例正在快速提高。例如，德國計劃2030年把可再生能源在總發電量中所佔的比例提高到50％。丹麥提出了2050年之前擺脫化石燃料的目標，可再生能源的比例與德國一樣，計劃2035年之前提高到50％。
因此，在歐洲，風力發電和光伏發電等輸出變動較大的可再生能源的比例越來越高，如何利用剩余電力成為課題。比如在德國，剩余電力就無法定價出售，所以構筑採用剩余電力的新業務模式頗為重要。
於是，歐洲陸續啟動了利用剩余電力電解水生成氫，然后以多種形式利用氫的實証試驗。
本文邀請撰寫氫基礎設施調查報告《世界氫基礎設施項目總覽》的單位——日經BP清潔技術研究所，來介紹一下在氫利用方面採取了先進措施的丹麥、德國和美國的事例。
丹麥，將介紹2007年啟動實証試驗的洛蘭島氫項目案例。德國，將介紹通過用剩余電力生成的氫和CO2制造甲烷（CH4），旨在實現“零碳”社會的案例。
另外，美國從保障國家安全的角度出發，為降低對化石燃料的依賴，開始構筑氫基礎設施。本文將介紹率先致力於普及燃料電池車（FCV）的加利福尼亞州的案例。
丹麥：洛蘭島氫項目利用可再生能源生成氫
丹麥提出了2050年之前擺脫化石燃料的目標，目前，以風力發電和生物質發電為中心，該國的可再生能源在供電中所佔的比例已經達到約30％。另外，最近幾年還迅速導入了光伏發電。現在，容易受天氣影響的風力發電和光伏發電在系統電力中所佔的比例提高到了20％左右。
丹麥政府計劃確立2035年之前把風力發電等輸出變動較大的可再生能源在供電中所佔的比例提高到50％。其實，盛行風力發電的洛蘭島已經啟動了氫項目驗証實驗，利用氫作為儲藏風力發電剩余電力的介質。具體做法就是，利用風力發電和太陽能發電的剩余電力電解水制造氫，然后將氫儲藏在氫氣罐中。反之，當電力供應不足時，則利用儲藏的氫讓燃料電池發電，使用電力和廢熱。
已推進到第三階段
洛蘭島氫項目於2007年5月啟動，實驗基地位於洛蘭島最大的城市納克斯考以南5km遠的Vestenskov地區。在遠離居住區的沿海空地上，設置了水電解裝置以及壓縮該裝置生成的氫進行儲藏的氫燃料罐（圖2）。生成的氫還會導入住宅中，通過住宅內的燃料電池發電，提供電力和熱。
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圖2：通過電解水制造和儲藏氫 丹麥Vestenskov設置了水電解裝置以及壓縮電解的氫進行儲藏的儲氫罐。（攝影：日經BP清潔技術研究所） |
不過，由於還沒有利用氫的能源系統相關標准，而且居民覺得氫危險的觀念根深蒂固，因此該項目是分階段實施的，現在正向第四階段邁進。
在2007年剛剛啟動的第一階段，並沒有在住宅中設置燃料電池系統。而是先把燃料電池、用於將發電電力轉換成交流的逆變器，以及廢熱回收裝置收納在玻璃櫃中，方便市民參觀。
在從2008年開始的第二階段，在普通住宅的5戶家庭裡設置了冰箱大小的燃料電池系統實際進行使用。採用額定輸出功率為1.5kW的固體高分子型燃料電池（PEFC）。
從2011年開始的第三階段，設置燃料電池系統的住宅數量增加到了35戶，其中約一半家庭為改良型燃料電池系統。開發該燃料電池的是丹麥的風險企業IRD Fuel Cells。系統價格目前為10.9萬克朗。
IRD Fuel Cells的產品以燃料電池組為主，另外還自行制造MEA（膜電極組件）（圖3）。隔膜採用石墨，電解質膜採用碳化氫類高分子。以氫為燃料時的發電效率約為45％，把廢熱作為70℃的熱水使用時的綜合熱效率達到94％。耐久性“已實際達到2萬小時，確立了4萬小時穩定工作的眉目”（IRD Fuel Cells）。
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圖3：第三階段利用的燃料電池系統 第三階段利用的燃料電池系統是IRDFuel Cells公司生產的（a）。從MEA到燃料電池組均由該公司自主制造（b）。（攝影：日經BP清潔技術研究所） |
第三階段以前一直以與現有區域供熱系統的聯動為目標，在遠離住宅的場所設置電解水裝置。從此處利用專用管道把氫輸送到住宅中。從2013年底開始啟動的第四階段，將在約1萬戶住宅中設置內置小型水電解裝置的燃料電池系統。以無法利用區域供熱系統的住宅為目標，制氫時的廢熱也以熱水的形式儲藏在住宅內的罐中。雖然燃料電池系統的價格升高了，但無需從住宅外鋪設氫管道，施工費低。
丹麥為擺脫對化石燃料的依賴，將從2015年開始禁用供暖用煤油鍋爐。使用電解水生成的氫的燃料電池系統在利用剩余電力的同時，還有望取代煤油鍋爐。
據IRD Fuel Cells公司介紹，從電解水生成氫，到利用燃料電池發電的效率為37％。不過，通過回收這一系列過程中產生的廢熱，綜合效率可以提高到85％。另外，第三階段以前的驗証實驗使用的氫管道採用鋼制造，在保証安全性的前提下，第四階段預定使用樹脂管道。
力爭使設置價格降到6萬克朗以下
筆者拜訪了參加第三階段驗証實驗的一戶住家。這戶人家位於郊外，不在區域供熱服務的范圍內，此前一直是設置煤油鍋爐，用來供應熱水和供暖。這家住戶滿意地表示，“改用燃料電池后，排出的廢氣清潔了。嚴冬時節的暖氣會供給足量的熱水”。
在丹麥，如果住宅內沒有電力需求，隻需要熱水，燃料電池發電的電力可以出售。氫管道一直埋設到住宅地下，在住宅內從天花板連接到燃料電池系統上（圖4）。為防備萬一出現氫泄露，在鄰近天花板的牆壁上設置了換氣口，房頂背面安裝有氫傳感器。
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圖4：從天花板設置氫管道 氫管道一直埋設到住宅地下，在住宅內從天花板連接燃料電池系統。（攝影：日經BP清潔技術研究所） |
在該住宅內設置並運行燃料電池系統的，是丹麥大型電力零售商SEAS-NVE公司。如果基於燃料電池的熱電聯產實現普及，電力銷量就會減少，不過“要是家用燃料電池早晚都會普及，那我們就率先開展設備的銷售和設置業務”（該公司的項目開發負責人）。
在第三階段的驗証實驗中，設置資金由政府全額補助，包括施工費在內，每戶約花費13萬克朗。該公司認為，如果銷售和設置價格能降到6萬克朗以下，不依賴補助金也能實現普及。（作者：金子 憲治，日經技術在線！供稿）
