东芝探索“完美能源”：以可再生能源制取绿氢，全程零碳排
“百年老店”、多元化电子电气产品制造商日本东芝集团（Toshiba）正在全力布局有“未来能源”之称的氢能，并将大规模可再生能源制取“绿氢”视为低碳能源时代的完美解决方案。
近日在上海举行的第三届中国国际进口博览会期间，东芝多位高管对澎湃新闻表示，除了已提出“氢能源 社会 ”愿景的日本本土之外，东芝非常看好氢能在中国的发展前景。
放眼全球，日本是近年来最热衷于发展氢能的国家之一。日本“氢能基本战略”提出，到2030年要确立国内可再生能源制氢技术，构建国际氢能供应链，长期目标是利用碳捕获（CCS）技术实现平价化石燃料的脱碳制氢和可再生能源制氢。对于能源自给率低的日本而言，用零碳排的可再生能源来制取清洁高效、较易储运的氢能，无疑是“后福岛时代”得以兼顾能源安全和碳中和目标的理想选择。
日本能源转型历程
“东芝早在50年前就已经开始做氢能方面的技术研发，进行相关技术储备。我们在40年前推向市场的产品，已经有氢能利用的影子。”负责氢能业务的东芝（中国）有限公司营业总监张童对澎湃新闻表示，早年东芝的制氢路线是烃类醇类重整制氢。但在零碳理念下，该公司内部近十年间全面提升氢能体系，东芝燃料电池体系全部是纯氢燃料电池。
据介绍，东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex已累计在日本国内交付100台以上。这种100kW的模块化单元可根据需求灵活组合，启动时间不到5分钟，高效将管道或气罐中的氢气转化为电能和热能。
东芝的纯氢能燃料电池系统H2Rex累计在日本交付100台以上
典型场景如东芝的新氢能综合应用中心，利用太阳能电解水制备氢气，并直接将其应用在东芝的日本府中工厂的燃料电池物流叉车上。这样，不但燃料电池物流叉车在运转时不排放二氧化碳，而且，因为使用了通过可再生能源制取的氢气作为燃料，从制氢到氢利用的全程实现了零碳排。
当突发灾难时，这套小型分布式能源亦可大显身手，作为一条生命线为300名受灾群众提供一周的电力和热水供应。
纯氢固然样样好，但目前在全球范围内仍受居高不下的成本所困。据澎湃新闻了解，上述在日本落地的东芝纯氢燃料电池系统均为有日本政府政策支持的项目。
张童表示，全球可再生能源快速发展，但风电、光伏始终存在间歇性问题。尤其在中国，风电、光伏装机的迅猛增长对电网调峰要求巨大，弃风、弃电的问题屡见不鲜。若将这部分电力转换成氢能储存起来，在需要时再调取，就是一个最理想的结合。“可再生能源与电解质制氢技术结合起来，制出来的氢完全是绿色的。”
他认为，在该领域，东芝的所长是对电力系统、电子设备、控制系统的深入了解和对氢的长期技术积累，目前正在与多家上游制氢企业探讨合作。在氢能起步阶段，东芝呼吁政府对全行业予以政策支持，鼓励更多企业参与氢能产业链的完善，并尽早明确氢使用的法律法规。在这些前提下，氢能成本才能随着规模化效应快速下降。
氢能成本的下降有赖于一个足够大且高速成长的下游市场。东芝正在推动纯氢能燃料电池系统H2Rex尽早应用于中国市场，使其成本上尽早符合中国市场潜在的需求，并联合中国合作伙伴一起开拓市场。
实际上，东芝对于“终极能源解决方案”的认识，在日本福岛核事故之后出现了彻底的转变。东芝曾是全球核能领域的重要参与者，旗下拥有 历史 战绩辉煌的美国西屋电气公司。但由于2011年福岛核事故后全球核电建设放缓、建造成本陡增、西屋电气申请破产保护等原因，东芝最终选择剥离核电资产。
今年10月，日本首相菅义伟在临时国会上发表施政演说时宣布，日本将争取在2050年实现温室气体净零排放。这标志着作为全球第三大经济体和第五大碳排放国的日本在气候议题上的立场发生巨大转变。目前，日本的温室气体排放中有至少80%来自能源领域。
“二氧化碳零排放并不是最近才有的呼声，很早以前大家就在进行与此相关的探讨。”东芝中国总代表宫崎洋一对澎湃新闻说道，福岛核事故改变了全球的碳减排思路。2011年之前，日本、欧洲都将低碳发电目标寄希望于核能，但福岛事故后由于安全标准升级、核能发电成本陡增，欧洲主要国家纷纷选择弃核。
宫崎洋一称，除了重点业务氢能之外，目前东芝还有其他颇具竞争力的能源业务和碳捕捉技术，可以根据不同地区的特征进行灵活组合。具体而言，在水电领域，东芝的实际供货数量和技术实力处于全球第一梯队，已经向44个国家及地区累计供货2300多台水轮机和1800多台发电机；光伏领域，东芝的工业用光伏发电系统在日本有2700处应用，住宅用光伏发电系统在日本为10万户以上客户使用；地热领域，东芝已向全球提供累计达3.7GW的地热发电设备，以设备容量计处于全球第一。
福岛氢能研究基地（FH2R）
在日本国立的新能源产业技术综合开发机构（NEDO）牵头下，东芝与另外两家日本企业合作的福岛氢能研究基地（FH2R）已于今年2月底建成。
FH2R系统概览
该项目建有全球最大的利用可再生能源的10MW级制氢装置，正在验证清洁低成本的制氢技术。这里产生的氢气不仅用来平衡电力系统，还为固定的氢燃料电池系统、移动的氢燃料车等提供动力。
校对：刘威
燃料电池汽车和卡车仅占美国清洁能源车辆市场的很少一部分。这种情况很大程度是因为：该类车辆的销售地区本就不多，而销售地区之一加州的氢燃料站数量有限。为解决这个问题，丰田正在建造提取设施，大量生产零排放燃料。该设施是此类首个，生产的虽然是清洁燃料，使用的倒是不太干净的原料——牛粪。
丰田生产Mirai轿车，尺寸与凯美瑞相当，采用燃料电池。该公司还在洛杉矶港运行氢燃料电池卡车。周四，丰田在洛杉矶车展上表示，正在长滩港建造一座可再生氢燃料提取设施。该设施利用奶牛粪便释放的甲烷，每天可生产1.2吨燃料，形成2.35兆瓦电力。丰田表示，该设施是第一家“Tri-Gen”兆瓦级、100%可再生提取设施，将满足港口设施物流工作的所有能源需要。该港口接收日本出口至美国的丰田汽车。
氢的储量丰富，能量密度高，是一种很有吸引力的清洁燃料。但是，这种燃料的发展也面对着挑战：如何想要一方面制取氢燃料，一方面又不产生碳排放；如何利用高压将其压缩；如何将其提供给车辆使用。结果，很多汽车厂商没有将其作为近期的选项，而是选择电池作为动力来源。多年来，特斯拉汽车CEO埃隆·马斯克也对氢燃料电池进行了尖锐批评。马斯克已经成为汽车氢燃料电池的对手。
目前，加州有31个车辆用氢燃料站，其中多个得到了丰田的财务支持。同时，加州正与壳牌公司和本田合作，开设更多站点。通用汽车和本田也在燃料电池能源系统方面达成商业合作伙伴关系。未来几年内，此类系统将陆续推出。
1、蒸汽甲烷重整
蒸汽甲烷重整(SMR)是一种从主要是甲烷的天然气中生产氢气的方法。它是目前最便宜的工业氢气来源。世界上近50%的氢气是通过这种方法生产的。该过程包括在蒸汽和镍催化剂存在下将气体加热到700–1100°C之间。
产生的吸热反应分解甲烷分子并形成一氧化碳CO和氢气H2。然后一氧化碳气体可以与蒸汽一起通过氧化铁或其他氧化物并进行水煤气变换反应以获得更多量的H2.这个过程的缺点是它的副产品是CO2、CO和其他温室气体的主要大气释放。
根据原料（天然气、富气、石脑油等）的质量，生产一吨氢气还会产生9至12吨CO2，这是一种可能被捕获的温室气体。
根据原料（天然气、富气、石脑油等）的质量，生产一吨氢气还会产生9至12吨CO2，这是一种可能被捕获的温室气体。
2、甲烷热解
说明甲烷热解的输入和输出，这是一种生产氢气且无温室气体的高效一步法
甲烷的热解是从天然气中生产氢气的过程。通过流过“气泡塔”中的熔融金属催化剂，氢气分离在一个步骤中进行。这是一种“无温室气体”方法，用于测量潜在的低成本氢气生产，以衡量其扩大规模和大规模运营的能力。 该过程在更高的温度（1065°C或1950°F）下进行。
3、电解
电解包括使用电将水分解成氢气和氧气。水的电解效率为70-80%（转化损失为20-30%） ，而天然气的蒸汽重整的热效率在70-85%之间。 电解的电效率预计将在2030年之前达到82-86% ，同时随着该领域的进展继续加快，同时也保持耐用性。
水电解可以在50–80°C之间运行，而蒸汽甲烷重整需要700–1100°C之间的温度。 两种方法的区别在于使用的一次能源；电力（用于电解）或天然气（用于蒸汽甲烷重整）。
环境影响
截至2020年，大部分氢气由化石燃料生产，导致二氧化碳排放。当排放物释放到大气中时，这通常被称为灰氢，当通过碳捕获和储存(CCS)捕获排放物时，这通常被称为蓝氢。
假设美国上游和中游的甲烷泄漏率和生产通过蒸汽甲烷重整器(SMR)改装了二氧化碳捕获装置。使用具有二氧化碳捕获功能的自热重整器(ATR)可以在令人满意的能源效率下实现更高的捕获率，并且生命周期评估表明，与具有二氧化碳捕获功能的SMR相比，此类工厂的温室气体排放量更低。
经评估，在欧洲应用ATR技术与二氧化碳的综合捕获相比，其温室气体排放量低于燃烧天然气，例如，H21项目报告称，由于二氧化碳强度降低了68%，因此温室气体排放量减少了68%。天然气与更适合捕获二氧化碳的反应器类型相结合。
使用较新的无污染技术甲烷热解生产的氢气通常被称为绿松石氢气。高质量的氢气直接由天然气生产，相关的无污染固体碳不会释放到大气中，然后可以出售用于工业用途或储存在垃圾填埋场。
由可再生能源生产的氢气通常被称为绿色氢气。有两种从可再生能源生产氢气的实用方法。一种是电制气，其中电力用于电解水制氢，另一种是利用垃圾填埋气在蒸汽重整器中制氢。当由风能或太阳能等可再生能源生产时，氢燃料是一种可再生燃料。
通过电解由核能产生的氢有时被视为绿色氢的一个子集，但也可以称为粉红色氢。奥斯卡港核电站于2022年1月达成协议，以每天公斤的数量级供应商业粉红色氢气。
因为直接用可再生能源发电导致电网的调峰压力非常大，巨大。弃风弃光弃水问题很严重。储能是提高电网调节能力的最佳手段之一。目前应用最多的是抽水蓄能，其次也有储热、电化学电池、压缩空气的各种技术路线。
本质上电制氢也是储能的一种。在电网下调峰能力不足的时候（即出现弃电的时候），将弃电部分用来制氢，或者在夜间负荷低的时候，用低价电制氢，在需要的时候，不管是发电还是直接燃烧，取用储存的能量。
用氢作为能源发电，两步过程中能量难免会有损失，但是其实仔细琢磨一下，还是可行的，主要是得采用廉价易得的电能来电解之制氢，像大规模的太阳能、风能都是很好的清洁能源。
提高电解制氢的效率后，能量从太阳能转移到氢能源里。由于氢气能量密度大，移动性好，不受天气影响，所以用氢气作为汽车的驱动能源还是很不错的选择，清洁环保。这其中最主要的还是得提高制氢的效率和氢转化为电和动力的效率。
可再生能源制氢的用处
可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。
目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。
我国可再生能源制氢将会在2030年实现平价，相信大家对于氢能还没有一个具体的了解。随着我国的发展和经济实力的不断提高，科学技术也是变得越来越高级，对于很多资源也是实现了可以再生，因为现在很多资源在使用的过程中会对我们的环境产生破坏，比如煤炭。所以说我们也是在不断的开发出新的洁净能源。氢能就是这些能源当中的一种，在未来，它具有非常好的发展前景，所以在未来的生活当中，氢能可能会作为我们最主要的使用能源出现。
首先我们要对氢能源有一定的了解，氢能源就是可再生的二次能源，它能够通过一些可再生的方式从其他反应那里制出来氢能源，这也是它之所以是清洁能源的主要原因，因为我们知道，很多能源是不可再生的，就比如说煤炭，如果说我们对于煤炭过度开采的话，那么肯定会出现匮乏的现象，因为煤炭作为自然资源，它是长期储藏在地下的并且不会再生。如果我们对它过度使用的话，肯定有一天会出现灭绝的现象，氢能并不会，它属于可再生能源，我们使用完以后可以从其他的反应当中来制取这样就能够达到一个循环的作用，也是出于这个角度亲能才会被作为是清洁能源被开发。
当氢能实现平价以后将会有非同凡响的意义，首先对于我们国家来说就会实现一更高级的能源使用形式。因为氢能是可再生的清洁能源。所以说在未来将会让我们的科学研究变得更加高效，且清洁将不会再对我们的生活环境产生破坏。在近几年因为过于注重国家的发展，而忽略了能源对于环境的破坏，导致我们现在的生态环境已经发生了质的改变，温室效应的影响也是越来越严重。所以氢能能的出现将会在很大程度上改变这样的局面，并且也会被其他国家所效仿，这就是氢能最大的用处。
其次就是在它实现平价之后，将会有更多的人能够使用的起亲能，在之前我们仅有煤炭的时候，很多人就因为经济实力的原因，没有使用煤炭的经济条件。再到现在大家都普遍使用天然气，也仍然有一些贫困地区依然无法享受到这一待遇。那么在未来，如果说氢能能够实现平价的话，我国的大部分居民都会有生活条件来使用如此清洁的可再生能源，这将会对大家的生活和各方面带来很多的便利，并且还会节省大家的金钱，对于提高我们国家的居民水平有很大的帮助。
《方案》要求，到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件。新型储能技术创新能力显著提高，核心技术装备自主可控水平大幅提升，标准体系基本完善，产业体系日趋完备，市场环境和商业模式基本成熟。其中，电化学储能技术性能进一步提升，系统成本降低30%以上；火电与核电机组抽汽蓄能等依托常规电源的新型储能技术、百兆瓦级压缩空气储能技术实现工程化应用；兆瓦级飞轮储能等机械储能技术逐步成熟；氢储能、热（冷）储能等长时间尺度储能技术取得突破。到2030年，新型储能全面市场化发展。新型储能核心技术装备自主可控，技术创新和产业水平稳居全球前列，市场机制、商业模式、标准体系成熟健全，与电力系统各环节深度融合发展，基本满足构建新型电力系统需求，全面支撑能源领域碳达峰目标如期实现。
《方案》提出，加大力度发展电源侧新型储能。推动系统友好型新能源电站建设。在新能源资源富集地区，如内蒙古、新疆、甘肃、青海等，以及其他新能源高渗透率地区，重点布局一批配置合理新型储能的系统友好型新能源电站，推动高精度长时间尺度功率预测、智能调度控制等创新技术应用，保障新能源高效消纳利用，提升新能源并网友好性和容量支撑能力。支撑高比例可再生能源基地外送。依托存量和“十四五”新增跨省跨区输电通道，在东北、华北、西北、西南等地区充分发挥大规模新型储能作用，通过“风光水火储一体化”多能互补模式，促进大规模新能源跨省区外送消纳，提升通道利用率和可再生能源电量占比。促进沙漠戈壁荒漠大型风电光伏基地开发消纳。配合沙漠、戈壁、荒漠等地区大型风电光伏基地开发，研究新型储能的配置技术、合理规模和运行方式，探索利用可再生能源制氢，支撑大规模新能源外送。促进大规模海上风电开发消纳。结合广东、福建、江苏、浙江、山东等地区大规模海上风电基地开发，开展海上风电配置新型储能研究，降低海上风电汇集输电通道的容量需求，提升海上风电消纳利用水平和容量支撑能力。提升常规电源调节能力。推动煤电合理配置新型储能，开展抽汽蓄能示范，提升运行特性和整体效益。探索开展新型储能配合核电调峰调频及多场景应用。探索利用退役火电机组既有厂址和输变电设施建设新型储能或风光储设施。
《方案》还提出，探索推广共享储能模式。鼓励新能源电站以自建、租用或购买等形式配置储能，发挥储能“一站多用”的共享作用。积极支持各类主体开展共享储能、云储能等创新商业模式的应用示范，试点建设共享储能交易平台和运营监控系统。
《方案》明确，开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢（氨）储能、热（冷）储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。拓展氢（氨）储能、热（冷）储能等应用领域，开展依托可再生能源制氢（氨）的氢（氨）储能、利用废弃矿坑储能等试点示范。针对新能源消纳和系统调峰问题，推动大容量、中长时间尺度储能技术示范。重点试点示范压缩空气、液流电池、高效储热等日到周、周到季时间尺度储能技术，以及可再生能源制氢、制氨等更长周期储能技术，满足多时间尺度应用需求。
