客观日本

实现低碳社会的新技术开发特集(4)

2012年03月21日 科技交流

构筑氢能源社会为目标

 1.引言

在我国,1993年开动了将国家氢技术开发项目“氢气利用国际清洁能源系统”简称WE-NET(World Energy Network)第Ⅰ期计划作为新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)的项目。这个项目利用海外尚未利用的可再生能源生产液态氢,最终目标是通过海上运输将它们作为发电、汽车燃料运往消费地加以利用。第I期计划(1993~1998)作为一个长期计划(可行)开始了。但是期间围绕能源开发的形势发生了很大变化,与此同时,包括可再生资源在内的新能源(太阳能电池、风力发电等)在整个世界(特别是以先进国家为中心的)也开始进入普及阶段,并且考虑到固体高分子燃料电池技术的急速发展等因素,在第II期(1999~2003)中,根据这些开发动向,将优先进行纯氢气高分子燃料电池、氢汽车燃料系系统、氢气服务站等短期可实现的技术开发,并对开发轨道进行了修正。也就是在1993年,我们就已推断出当时还只不过是“梦想”的氢能源在不久的将来可以成为“现实”1)。事实上此后本项目就开始向与氢气的安全利用相关的开发研究、与燃料电池相关的技术开发进行过渡了。并且,就是在最近还根据NEDO制定了“战略技术路线图”(http://www.nedo.go.jp/roadmap/),其中的氢气篇章中,介绍了截止到2020年为止氢气制造、储藏、输送、供给相关的技术开发路线图。这份路线图也反映在了2008年夏季举办的洞爷湖首脑会议时提出的清凉地球50上(清凉地球—能源革新技术计划—经济产业省)。在此,既提及了更加具体的氢气制造、储藏、供给的技术开发,同时也在谋求飞跃的低成本化。比如,以2020年为目标,使输送成本(高压输送7日元/ m3,液体输送3日元/ m3)、氢气价格达40日元/m3。与成果普及相关的课题,特别是供给基础设施建设上,“最初阶段,从化石燃料改质器一体型的定置燃料电池以及加油站上的氢气加油站的并置展开利用,配合技术·需要的发展,有望有效利用氢气加油站、使用低压管道线的本地氢气供给系统。将来,根据本地氢气供给系统和通过集装箱从大规模生产据点的输送的最佳组合,可以预想我们能够构筑起全国规模的氢气供给基础设施来。以此为基础,我们可以畅想作为能源供给产业的战略将在微网络内进行氢气供给了。

(参照http://www.enecho.meti.go.jp/policy/coolearth_energy/coolearth-gaiyou.pdf)

因此,在本稿中,我们就以构筑迫在眉睫的氢能源社会的模型为以下路线图之先行,对以此为目标的研究开发(本庄早稻田地域的G氢模型社会的构筑、环境省地球温暖化对策事业、“G氢项目”2003-2007)进行详细介绍,同时阐述本项目的成果以及相关课题。

 2.构筑G氢基础的氢能源型社会

  图1为氢社会的实证事业型概念图。但是,氢作为二次能源被期待之处为①在原料来源上具有多样性,没有资源限制,使用各种一次能源就可以制造出来②因为其燃烧后的生成物仅是水,所以比较清洁不用担心对环境产生破坏。③因为循环比较快,不会扰乱地球上的物质环境。④氢气比较容易储藏。⑤通用性高,比如可用于高效应用的燃料电池的分散发电、汽车航空飞行器的燃料、氢和金属或者合金反应后的能源变换机能的电池,等等这些特征,都在概念图中有所说明2)。在新的组合中更进一步,在最大可能上不依存于化石燃料生产的一次能源(脱化石资源),以“氢供给的多样化”为目标,将清洁的氢气能源(以下称G氢)定义如下。G氢也就是,

Ⅰ.通过活用可再生资源得到的氢以及活用可再生资源将铝、硅胶等作为媒介而得到的氢。

Ⅱ.有效利用第一~第三产业排出的废弃物(农林、畜产、水产、食物残渣等)得到的氢。

Ⅲ.作为副生成物被回收的氢。

Ⅳ.作为G氢社会所提到的氢(Ⅲ和Ⅳ是有效能源,基于LCA评价的探讨研究)。3)

 总之,以构筑氢能源型社会为最终目标,其中作为氢能源多样化的一环,致力于在定义G氢基础上活用的“零排放城市规划”,在“本庄早稻田地区”展开了G氢制造、输送、储藏、利用相关的主要技术开发。也就是说,在此展开的项目其基本理念就是,在本世纪以“‘脱化石资源’、‘基于资源的有效能源评价的应用’‘氢能源供给的多样化以及废弃物的减量’为目标,最终实现地球环境的可持续发展”。

(参照http://e-tech.eic.or.jp/libra/lib_6/lib6.html

接下来,将依次阐述各个课题的观点以及项目提案中的计划。

 2.1G氢的制造

 如上所述,作为二次能源的氢一般是通过可再生能源、核能、夜间剩余电力等,将水电解质或天然气、甲醇、汽油等进行质变而制造出的。因此,无论是燃料电池还是引擎都必须具备在能源变换程序中相当的高效性。由于制造·变换过程中一次能源的供给源不同,除去清洁排放这一优势,我们担心在能源转换过程中其优势会受到损害。

因此关于G氢的制造,我们从第一~第三产业中衍生的物质、能源为原料,尝试进行了以下技术开发。

(1)从废弃硅胶中制造氢气

(2)从废弃铝中制造G氢

(3)通过氢发酵菌制造G氢

关于(1)以及(2),是把半导体制造・加工排水中的高纯度切削硅・研磨屑通过氧化处理制造出高纯度氢。同样,也可以通过对铝屑、铝渣等的氧化处理制造出G氢。在此,有关将铝・硅胶作为媒介,输送可再生利用资源,将消费地区的氢以及能源进行回收的想法,以下以铝为例进行阐述。作为来自第二产业的衍生氢,钢铁产业中焦炭炉排气的改质、制碱产业中盐分解产生而来等一直成为议论的话题。但是,这些气体都要消耗石油、煤、以及电,很难定位为真正意义的G氢。

①   以铝为例

铝是把原料铝土(氧化铝:以A12O3为主要成分并含有氧化铁、氧化硅的矿石)通过水力发电等产生的电能还原后制造出来的。

②      在我国,每年进口像这样制造而成的铝矿砂约240万吨。并且,在国内的铝回收再利用 而回收的铝屑经过电能进行再生,作为铝矿砂每年可再造出约120万吨,这样国内每年合计约有360万吨的铝在流通。总之,在大量流通的铝中也会产生很难再生的铝屑,预计今后还会增加。

另一方面,让铝在碱性溶液中进行反应,

Al+3H2O→A1(OH)3+1.5H2

ΔH=-418.6kJ/mol

氢气、氢氧化铝和热能即被回收。

③   A1(OH)3通过高温进行加热反应:

2A1(OH)3 →A12O3+3H2O

ΔH=+19.0kJ/mol

再附加一些能源就成为铝的原料。

也就是,首先要把储存在铝中的水能源在铝产品完成其效用后,回收氢和热量得到氢氧化铝。对获取的氢氧化铝进行适当加热变成氧化铝后,将A1矿砂装载入进口船舱中。这样,可再生资源(水力发电等)就构筑了以A1为媒介的循环系统。此时,在发电时不使用化石燃料就非常重要,对遏制全球变暖也将做出巨大贡献。

(3)是考虑将食品残渣、排出物作为原料,将惰性氢生成细菌的使用。在此种方式上,首先通过将有机废弃物进行有氧发酵转换成有机酸,将氢气和二氧化碳进行回收。有机废弃物因为适合氢生成细菌所以可以进行高效的氢生产,这样对环境净化和能源回收都可以做出贡献。并且,生成的二氧化碳因为是碳中性所以对全球变暖没有任何好处。在这种方法的课题研究上,一致认为应当培育有效的生成细菌以及适当控制温度来使氢气生成速度得到飞跃性提升(在清洁地球50中,附言中提到甲烷发酵、氢发酵效率很好的发酵菌探索等都正处于研究阶段。)

2.2G氢的输送·储藏

为将G氢能源顺利引入示范地区,其所需的基础设施可以说绝大部分都和输送和储藏技术有关。作为氢气的输送·储藏手段,有液化方式、高压方式、氢包藏合金方式等。从最近的氢气站建设动向来看,国内通常的氢气输送、储藏方式仍然是以压缩方式为主。但是,从长远方向来看,其它方式也必须纳入视野中,这在国际(美国、欧洲的路线)上也是被认可的。因此,将氢气包藏合金(MH)作为核心物质,需要针对以下3个课题进行研究:

(1)HCS-MH的制造技术:通过氢化燃烧合成技术进行的活性化处理,自由氢气包藏合金制造技术

(2)拥有SG化处理技术和氢气精密制造机能的包藏装置的制作:将硅胶树脂作为粘合剂的MH加工技术的确立和具备氢气精密制造机能的包藏装置的制作

(3)利用了MH的氢气储藏・输送技术:以向地区的分散型供给为目标,谋求通过MH的氢气精制、输送以及储藏的最适化

在此对(1)和(3)进行阐述。(1)的技术是在高压氢氛围下的燃烧合成技术,根据这种方式,可以省去需要大量热能和时间的活性化处理,并且同一合金组成上氢气包藏量上的优越性得以认同。在第二次的WE-NET计划中,提出了将3wt%作为包藏量的目标值,然而其相当高的数值被认为是划时代的制造方法。这对认为是将来颇受期待、对于个别分散型的G氢能源利用来说是很有效的技术。

(3)的技术是通过(1)的高性能氢气包藏合金进行的在示范地区的氢气储藏接收·供给系统的技术开发,促进各种燃料电池的实用化和普及以及燃料电池废热发电系统的实用化,并且针对预计开发的一人乘用FC飞行器、交通管控系统等流动环境、热力泵系统的氢气供给,也变为可能的氢气输送、储藏技术。

 2.3G氢的利用技术

G氢的供给地主要是燃料电池,但是作为应用技术仅有以下示例,特别运用还在计划中。这些技术都已经结束了实验室水平的开发、研究而达到了实证阶段。(1)PEFC废热发电系统的开发(2)超轻量一人乘用汽车(汽车共享用)的开发(3)盒式燃料电池信号机系统(4)FC驱动轮椅的开发(5)MH利用的小型自动售卖机(低温度差空调、冷冻装置)(6)来自生物体的PEFC的开发。

图1  氢社会的实证事业模式(在本庄・早稻田地区的G氢社会构筑)

http://www.waseda.jp/rps/information/magazine/front/front_080527.html(参照)

 (1)和(6)是开发为了直接利用来自废弃物的G氢、来自生物体的氢气的定制型燃料电池系统,特别是经济型的系统。并且,作为废热发电系统,其排热的应用也值得期待。那么另一方面,近年来大气环境的恶化、化石燃料的枯竭等问题日益严峻,各个地方都强烈要求降低汽车尾气排放,从而低公害车的实用化呼声日益高涨。鉴于这种状况,在(2)上,以综合的低公害化、缩短充电时间为目标,以一人乘坐的电动汽车为基准,设计、生产兼备当今技术的燃料电池混合动力汽车,也就是所谓的通勤车,正常健康的人自不必说,也考虑到今后即将到来的老龄化社会、身体残疾者,将特别在大学进行相关研究。并且在2005年以后,试验车辆上也搭载了车辆信息(车辆位置、车速、燃油费等)通信装置,构建了一个将这些信息输送到中央服务器进行通信管理的通信系统。最后在2006年度制造了多台车辆,以早稻田大学本庄校园为对象,进行了上述系统的可靠性试验,通过联合在(3)上新设置的新方式信号装置和服务器信息,提出了最优的交通流操控手法。

(4)中,随着老龄化社会的到来,继续推进今后需求增加的电动轮椅的的电源单位的燃料电池化和智能化,计划开发出方便残疾人、老年人使用的轮椅。如上,总体包括12个课题议案,4所大学、10个企业参与执行。整个事业的构成图如2所示,研究课题以及开发组织如图3所示。

图2中,事业评价WG,参加各自的技术研究小组收集各系统的基础信息等,在GHFS(Green Hydrogen Feasibilty Study)小组进行了环境经济性以及事业性的评价研究工作。并且,根据技术研究WG、事业评价WG的讨论,为了使这些评价恰当地反映在项目的开展上,还设立了FS委员会,进行与整个计划相关的表决。

3.开发目标

以FS委员会的评价为基础,各技术开发WG的最终目标按如下进行了设定。同时,分类评价研究开发的进展状况,考虑到实用化所需的时间以及经济性,单独制作了如图4所示的路线图。

·MGHU:低压铝(铝屑处理800kg/day),高压铝・硅胶(35MPa,纯度99.99%,氢气6,000Nm3/y)

·BGHU:从1kg的未处理垃圾中可以制造出20L的氢气,发酵残渣中的BOD160mg/L,T-N120mg/L以下

·IMHU:低成本活性化自由MH(TiFe)的制造,氢气精制纯度99.99%

·GHE-S:ULFCV 5台,COMS 3台,GHFC信号机1台,FC轮椅3台,FC叉车1台

4.事业成果

.MGHU

MetA-Green Hydrogen Utilization)系统

MGHU是针对以硅胶・铝等金属为原料的氢气制造技术以及其周边技术进行研究的工作。对废弃铝进行有效的反应需要实施预备处理。然后,在碱性溶液中进行氢化反应后,用低压或者高压回收氢气。与氢生成同时产生的氨处理技术也在研究中。作为其生成物,回收氢氧化铝或者是三水铝。如果是硅胶的话,也同样在碱性溶液中进行氢化反应。为将其衍生物制成高附加值的产品,就要以生成物硅酸钠和废铝(包括衍生铝)处理溶液中的提取物为原料,开发沸石制造技术。在废铝的G氢制造中,①由废铝进行G氢制造(低压)上,设计、制造实验验证机器,进行试运转以及实验验证,进行了对装置特性的把握。并且,②废铝进行G氢制造(高压)上,正在进行基础实验、晶析试验以及装置改造,还有高压·高纯度氢的回收试验。(参考图5~图8)

 4.2  BGHUBio-Green Hydrogen Utilization

在氢发酵菌进行的G氢制造上,实施了①厨房垃圾的先前处理研究和前处理装置的试验、评价,②厨房垃圾氢发酵的高效化,③氢气发酵残留物的排水处理。使用装置,将厨房垃圾浆体进行前处理,将其连续输送到培养槽使其进行氢发酵。

培养5天的平均氢气生成量为430ml/h,平均氢分压为23.5%,1kg厨房垃圾的平均氢生成量为7.75L。

 4.3  IMHUInnovative MetA1Hydride Utilization

氢化燃烧合成技术的活性化自由氢吸藏合金制造技术中,在高压氢条件下,我们向过程中散发出大量热能的TiFe合成法发起挑战,由此获得的合金经过稍微的前处理中就比较容易的发生了氢化。将硅胶树脂作为黏合物的MH的加工技术和氢气精炼功能的吸藏装置的制作·通过MH装置的氢气精炼、输送、储藏技术,在反复使用时,氢气吸藏合金粉状化,传热特性会降低,这个问题很是引人注目。

为了减少此现象的发生,明确了通过与硅胶(SG)的混合以及金属铜进行的电镀处理的有效性。并且,以除去G氢含有的氨等不纯物为目的,使用模拟排气实施了氢气精制实验。结果在氢气精制实验中成功地回收了4N~5N的高纯度氢气。

4.4  GHE-SGreen Hydrogen Equipment-System

在盒式GHFC信号机的制造和系统开发上,为了将来把清洁氢气作为燃料使用以及开发火灾发生时可以长时间的供给稳定电源的盒式GHFC信号机和系统,在本庄地区的室外进行了可靠性试验并获得认可。在试验验证之际,开发了35MPa的大型容器,获取了容器认证。GHE-S的制造和系统的开发,由以下2个课题构成,即:

开发小型FCV(COMS)

将FC、高压氢气容器等部件搭载到车辆的同时构筑控制系统,制造出可进行行车试验的车辆。通过导入三值控制系统控制行车所需要的平均消耗电力,特别是在平均消耗电力较高的本庄模式中,提高燃料电池的效率,降低电池的充电损失,使得燃料费的大幅降低成为可能。

②ULFCV(Ultra light-weight Fuel Cell Vehicle)的开发

设计量产型ULFCV,并实际制造了1台。在降低环境负荷上效果明显的ULFCV作为共享汽车进行运用,这将有利于构建氢气社会,成为地区象征。这些车辆积极参加各种展会特别是氢气EXPO等活动,在周边各国的新闻、网页上被报道、介绍,并深受好评。(参照图9)

搭载燃料电池的车椅开发上,在车椅搭载机器中燃料电池成为最优先考虑课题,并改良了混合动力系统的控制装置。2006年开发的能源组件搭载到轻型化车体上进行了行车试验。

5.关于G氢节

 集本项目之大成,在2007年11月3日至18日,以公开研讨以及燃料电池车的汽车共享实证试验为中心,举办了G氢节。此活动有本庄市地区居民、儿童等参加,成功地向人们展示了将来的氢气社会。其他的活动还有FC车辆的展览(本庄节 在城中秋季)、参观氢气制造精制计划、科学实验活动、各种公开表演,参加人数超过了190人,概要以及共享汽车造型如图及照片所示。

概要

时间:2007年11月3日~18日

实施内容

  • 展览(本庄节・本城秋之花节)
  • 公开研讨
  • G氢气制造计划参观会
  • 试驾会
  • 公开展示・展览
  • 科学实验活动(以小中学生为对象)
  • 通过燃料电池车进行的汽车共享
    实证试验
  • FC轮椅实证试验

总参加人数:189人

6.写在最后的-计划后时代-

此G氢项目虽然在2008年3月就结束了,但是其后各自都转移到新的研究开发项目中并一直进行各种活动。比如,在氢气吸藏合金上,【食品产业中减少CO2产生的废热、太阳能利用而进行的氢气冷水机相关的技术开发(简称草莓工程)】(环境省全球变暖对策)再次与大学和企业、县进行合作,继续推进氢气吸藏合金的新型制造方法、冷水机的开发等。并且,在受NEDO委托进行的研究【固体高分子型燃料电池内的热能、物质传送现象】中,以燃料电池膜的更高效化为目标继续进行相关研究。此外,在地区合作的活动中一直活跃着FC车的身影。

《双重对应国际(战略)环境读本》虽然不是研究开发,但也在人才培养上自2009年4月在硕士、博士两课程中开始采用。其中,正在计划让学生也参加到给予本项目协助的企业实习与地区合作中。

图10 2007年11月G氢节的概要

图11 FC汽车共享的本庄实证试验

那么,在此向您说明,本文原稿是在2006年2月举行的第21届环境工学联合讲演会中胜田正文的论文《在本庄早稻田地区构筑G氢社会模式》,本文是在参考原稿后进行再编辑而成的。

 

胜田正文

早稻田大学教授

1950年3月出生

1982年获早稻田大学工学博士称号

1977-1982年东京电机大学工学部助理

1982-1984早稻田大学专任讲师

1984-1989早稻田大学副教授

1989年起任早稻田大学教授

现为日本机械学会会员、评论员、企划理事。日本冷冻空气调节学会参赞、监事。日本传热学会原副会长。 

 

 

 

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