在本届东京奥运会中,日本奥组委向奥运村提供福岛食品引发了各参赛国的巨大争议。从日本的视角出发,提供福岛食品是因为日本赋予了此次奥运会“地区振兴”的意义。“地区振兴”简单来说就是日本政府关注受灾地居民的生产生活,帮助他们恢复生产,发展经济的举措。
本着“地区振兴”口号,此次奥运会使用的氢燃料也来自福岛灾区。这些氢燃料除了供奥运会使用,还为东京都内的新能源公共交通工具和生产地当地的生产生活提供了燃料。
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太阳能化为氢气点亮奥运圣火
本次奥运会主火炬的寓意是“太阳带给人们的活力与能量”,并使用氢气作为主火炬的燃料。这在奥运会上还是首例。正如主火炬所寓意的那样,生产火炬氢燃料的能源就源自太阳能。
氢燃料的生产设施在福岛县浪江町的“福岛氢能源研究场(FH2R)”。因为核事故,浪江町目前仍为被限制居住的地区之一。2016年,福岛县制定了《福岛新能源社会计划》,推动氢能实现广泛应用。随后,浪江町建设了太阳能发电设施,以转型为可再生能源发电枢纽,让这片目前不宜居住的土地重新被利用了起来。
FH2R于2020年建成并投入使用。该设施通过附设的大型太阳能电站,利用太阳能电力碱性电解水生产氢气,这是目前世界上最大的光伏制氢装置。
由于光伏制氢过程中,太阳能电站的输出功率会发生变化,在这种情况下如何稳定的生产氢气是一个需要解决重要课题。为解决这一课题,FH2R进行了大量实验,实验过程中制造的氢气供给了FH2R周边地区的为氢燃料电池车(FCV)提供燃料的氢气站和氢燃料电池的热电联产系统。
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FH2R的氢气生产能力
FH2R占地18万平方米,主要由一座有6万8千块太阳能电池板的20MW大型太阳能电站、一座电力消费最大达10MW级的制氢装置,及氢气的贮藏和供给设施组成。
FH2R鸟瞰
电站采用“全量自家消费(即所有生产的电量均供自己使用)”模式。但根据氢气需求情况,在氢气满储量时,电站会减少发电量,并通过受变电改造工程将剩余电力输送给电网。
FH2R的核心氢气生产装置,输入电力最大功率为10MW,额定功率6MW。该装置的最大产量约为每小时2000Nm3(Nm3:指在0℃1个大气压环境下1 m3的气体量),以额定功率运转时每小时有1200Nm3的制造能力,这个产量相当于装填满560台FCV的氢气产量。
FH2R的氢气生产装置
虽然氢气生产装置的最大输入功率是10MW,但是包括外围装置,FH2R的最大需求功率约为20MW。FH2R太阳能电站的规模是根据电站在晴天满功率运转的情况下,该设施所能消耗的最大电力来制定的。FH2R太阳能电站未配有储能电池,在太阳能电站生产的电力不足以支撑氢气生产时,FH2R会向东北电网的商用系统购买电力以维持运转。
也就是说,FH2R是通过消费自产太阳能电力和系统电力相结合的方式来生产氢气的。运用这一系统特性,东北电网会根据FH2R的需求电量进行需求响应,从而让受电量发生变动。东北电网也藉此探究了通过电力系统的调整能力来提供输电服务的可能性。
生产出的氢气被储存在12台压力为19.6Mpa的拖车气罐和15个可搬运储气瓶箱中。拖车气罐由一系列的管状容器组成,一罐储量为2642 Nm3;储气箱为液化储气罐的集合体,一箱储量为265.8 Nm3。此外还有8个固定式的氢气储罐,储量共计5400 Nm3。拖车气罐和储气箱中的氢气会通过搬运车辆运送至各个氢气加油站的填充设备、道路和车站等的燃料电池系统。
运输氢气的拖车气罐
FH2R的储气箱
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奥运和东京对氢燃料的利用
东京奥运会期间,除了奥运圣火台的燃料,大会中使用的FCV、氢燃料电池巴士,以及奥运村的氢燃料电池系统也由FH2R生产的氢气提供。此次东京奥运会对新能源交通工具的使用量是奥运会史上最多的一次。
奥运会期间,FH2R为东京江东区的ENEOS氢气加油站提供了氢燃料。丰田为本次奥运会提供了500台FCV,这些FCV中的一部分的氢气就是由这座加油站提供的。
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氢燃料汽车"未来"在填充氢燃料
FCV的氢气的充填服务由专业操作员进行。这些操作员通过相关考试和教育训练,依法取得了相关资格。但未来FCV填充氢燃料会逐渐变为像汽车加油一样的自助服务。
水素加油站会将氢气在运输时的压力使用压缩机降压为0.6Mpa,再加压至82Mpa储存在加油站。FCV则利用车辆储气罐和加油站储气设备的压力差完成氢气的填充。氢气在压缩后会放热膨胀,需要使用冷却器降温至-40℃填充。
除了奥运会,FH2R还在为东京的5台氢燃料电池巴士提供了氢燃料。东京于2019年提出“零排放东京战略”,宣布在2050年将二氧化碳排放量在实质上降为零。而氢气作为可再生能源将在该战略中占重要地位。
东京的氢燃料电池巴士在填充氢燃料
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FH2R氢燃料对地方公共设施的供给
其实从福岛向距离300公里外的东京运输氢气,无论从成本还是从环境影响上来讲都不是最佳选择。此次FH2R向奥运会提供氢燃料,有向国内民众和国际社会宣传氢燃料的目的。
奥运会后FH2R的服务范围将会回归到所在地附近。主要服务对象为浪江市周边装备可直接使用氢气的热电联产装置,这些装置分布在高速公路服务区商店(3.5kW),健身房和酒店(700W),福岛市的3座公园(100kW)和宫城及福岛县的多处FCV氢气站。
目前,日本国内的FCV销售量达到了3000辆,氢气站也在以东京、名古屋和大阪都市圈为中心建设并相互连接,截至今年8月日本已建成了150多处氢气站。但这些地区以外的地区普及还相对缓慢,上文提到的福岛和宫城两县,目前共有约100台FCV,两县一共只有三座氢气站。
此外,日本还在构想向避难场所导入氢气发电机的计划,并在构建30万人口以上城市的氢气利用计划蓝图。
围绕FH2R的碳中和计划
虽然由氢气点燃的东京奥运圣火已经熄灭,但我们希望未来人类对氢能源的利用可以像圣火传递一样,逐渐点亮世界各地新能源的希望之光。