上接 如何实现光明富足的零排放社会？（一）从脱碳开始的日本活性化
如何实现光明富足的零排放社会？（二）个人能为脱碳做的贡献
如何实现光明富足的零排放社会？（三）利用生物质挑战脱碳化
如何实现光明富足的零排放社会？（四）2050年的电源构成方案
如何实现光明富足的零排放社会？（五）作为电力贮藏系统的“新型抽水蓄能发电”
谷口 升
低碳社会战略中心副主任
大友 顺一郎
东京工业大学环境与社会理工学院教授 低碳社会战略中心特任研究员
【导读】本文为《如何实习光明富足的零排放社会？》的第六回，以虚构的商社青年员工皆川丰为主人公解读低碳社会战略中心（LCS）公布的提案。上一回，皆川了解了实现2050年电源构成不可缺少的蓄电技术—抽水蓄能发电。本回皆川针对与抽水蓄能发电并列为通过可再生能源脱碳不可或缺的蓄电池和氢的技术现状以及未来前景，咨询了谷口升副主任和大友顺一郎特任研究员。
按照用途和目标分别采用不同的技术
同时降低成本并减轻环境负荷
皆川：今天特来请教二位有关蓄电池和氢的利用问题，请多关照。首先，能介绍一下蓄电池的现状吗？
谷口：按照电解液和正负极材料的不同组合，蓄电池有多种类型。 比如，笔记本电脑用的是锂离子电池(LIB)。蓄电池的开发历经铅蓄电池、镍氢(Ni-H)蓄电池和锂离子电池，根据用途的不同推进了小型化和大容量化的开发。随着现代移动设备需求的不断增加，锂电池的开发进展迅速（表1）。目前，关注点集中在更大容量、更长寿命、安全且不易燃的固态电池等旨在普及电动汽车(EV)的研究上。
表1 各种电池的性能比较
表中数据摘录自2021年6月11日举行的LCS网络研讨会“2030年—温室气体减排46%的社会形态”以及“各种电池的可供给量”
Ni-H：镍氢电池
LIB：锂离子电池
NaS：钠硫电池
RF：氧化还原液流电池
皆川：从上表来看，目前锂离子电池与其他蓄电池相比成本较高，所以导入时用户会担心电费。
谷口：这个问题的关键是按照不同用途使用最合适的电池。作为用于电动汽车和手机的移动型电源，今后锂离子电池应该还会继续进化。然而，如果用在可再生能源发电厂旁边设置的蓄电设施时，尺寸和重量就不那么重要了。在空间和承重能力有余量的地方，铅蓄电池就更加合适。由于铅蓄电池结构相对简单，原料铅的价格低廉，可以降低成本，CO2排放量也可以减少到锂离子电池的四分之一。
皆川：铅蓄电池很早就被用作汽车的电池，已经没有什么新鲜的地方了吧。
谷口：很早以前就开始使用，说明它很容易导入。制造技术成熟，生产、使用、废弃以及回收再利用的相关法律法规也都相应配套，这是铅蓄电池的一大优点。通过对铅进行回收再利用，在日本国内持续供给再生蓄电池也成为可能。所以铅蓄电池对今后建设的大规模蓄电设备应该会很有用处。
灵活利用适合长期储存的氢能
已在福岛县启动大规模实证实验
皆川：也就是说，在普及可再生能源的前提下，考虑到电池的效率和价格，最新的技术并不一定就是最好的选择，对吧。
谷口：电池一直是根据其最终用途来开发的。不同用途下最适合的电池也不同。当需要更大容量的蓄电用途时，钠硫电池(NaS)和氧化还原液流电池（RF)也很有用。单就计算结果而言，需要的容量越大，其初期成本就越低，收支也越合算，因此如果能满足大容量需求并具有安装环境的话，它们取代铅蓄电池和锂离子电池的好处就能体现出来。此外，锂离子电池的电极中不使用昂贵的钴或镍的磷酸铁锂电池也颇受关注。
皆川：如果开发不断进展的话，就越来越接近“光明富足的零排放”目标了。
谷口：即使能减少CO2，如果电费太高，也无法发展成为一个产业。在实现脱碳目标的同时，明确电池耐久性和制造成本等经济方面的数据，推算出2050年成本最低的电源构成的做法，正是为了提出一个对日本经济和地球环境都最佳且最合适的蓝图。具体而言，整体考虑可再生能源发电和蓄电，明确其未来方向性，正是LCS的职能之一。
皆川：光是蓄电池看起来就很好了，为什么蓝图里还包括氢能的利用呢？
大友：这个问题我来回答吧。氢的优势在于长期储存和移动性。比如把夏天通过太阳能发电制造的氢能存储起来在冬天使用，海外储氢在日本使用等用途中需要长时间的存储和移动性，即使考虑相应的成本，把可再生能源以氢能的形式存储起来的技术也是有用的。
皆川：把可再生能源以氢能的形式存储起来是怎么一回事？
大友：最理想的模式就是利用可再生能源发出的电能，用燃料电池电解水制造出氢气，需要用电时，再通过燃料电池用氢气发电，或者使用氢气涡轮机把氢气作为火力发电的燃料。
皆川：燃料电池的开发进展到了什么程度？
大友：现在正在福岛县推进用碱性电解质型燃料电池进行大规模电解的氢供给设施实证实验。下一个阶段是利用氢燃料电池汽车使用的“固体高分子型燃料电池（PEFC）”构筑出大规模水电解系统，推进以提高安全性和发电效率为目标的研发。再之后是开发使用“固体氧化物型燃料电池（SOFC）”的水蒸气电解系统（SOEC）。
皆川：PEFC和SOFC有什么区别呢？
大友：二者适宜的工作环境不同。PEFC的工作温度可低至80摄氏度左右，容易启动和停止，所以即使只是短时间运行也能发挥其效力。PEFC适合在晴天多、太阳能发电余量较多时才启动等需要灵活运用的场景。而SOFC的工作温度需要高达700摄氏度以上，短时间的运行效率差，但是在长期稳定运行的情况下，其效率要高于PEFC。无论哪种类型，对构成燃料电池系统的各个要素进行改良，不断降低成本的话，通过发电和电解的组合，灵活应用到现在的电力批发市场也不再是梦想了（图1）。
图1 技术创新与成本降低之路
数据摘自大友教授提供的《燃料电池、氢能及能源载体制造技术的技术蓝图》
皆川：也就是说要根据不同情况使用不同的燃料电池，对吧。
实现零排放之后的未来
回收CO2制成化学产品和燃料
大友：降低制氢成本的关键在于如何降低制氢所使用的电力成本，以及如何提高最为耗能的电解水制氢工序的效率。着眼于未来推进技术开发的同时，也有必要在社会中构筑把氢用作新的能源载体的基础。
无论是可再生能源发电成本还是制氢成本，普及的关键并不是突然推出前面提到的理想的使用方式，而是先扩大供应和使用的范围，建立起氢能市场。最初可以进口国外大规模可再生能源发电生产的廉价氢，在火力发电时将氢与化石燃料混合燃烧，以减少发电过程中的二氧化碳排放，还有一个方案就是将氢转换为可在常温下运输的氨运到日本，直接用作燃料。
皆川：从整个供应链来看能够做到整体盈利，这正是我们商社擅长的事情。
大友：太给力了！东京工业大学我的研究室里，正在努力培养具有广阔的视野，能够统管从材料设计到社会实际应用成本估算的研发人才。今天的主题是2050年的社会，在更远的未来，伴随着各种技术开发的进展，成本进一步降低的话，说不定还能实现回收排放出来的CO2，使之与氢反应，生产出人们日常中使用的化学产品和燃料。
谷口：日本各个地区都具有太阳能、风能和地热能等可再生能源的潜力。今后如果能在日本全国建设起符合当地特点的可再生能源发电和蓄电的配套设施，促进能源的地产地消，那么不仅是脱碳，从能源安全保障的角度来看安心的社会也将得以实现。
皆川：LCS的提案同时考虑了经济效益和对环境的影响，这让我对未来更加充满希望。谢谢谷口先生和大友先生。
——以上对话根据采访内容虚构而成。（TEXT：高桥麻美、PHOTO：石原秀树、楠圣子）
原文：JSTnews 2022年12月号
翻译：JST客观日本编辑部
