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2005年，《京都議定書(shū)》生效，確立了實(shí)現(xiàn)“低碳社會(huì)”的目標(biāo)；此后，《巴黎協(xié)定》于2015年通過(guò)，全世界187個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了實(shí)現(xiàn)“脫碳社會(huì)”的目標(biāo)。然而全球環(huán)境的變化實(shí)際上卻比上述社會(huì)環(huán)境的變革來(lái)得更快，降低二氧化碳排放已經(jīng)從環(huán)境問(wèn)題演變成刻不容緩的社會(huì)問(wèn)題。

在實(shí)現(xiàn)本世紀(jì)中葉二氧化碳凈零排放目標(biāo)的過(guò)程中，對(duì)可再生能源的關(guān)注持續(xù)升溫。而實(shí)踐表明，隨著可再生能源引入的增加，保障電力的穩(wěn)定供應(yīng)變得越發(fā)困難。氫能可以彌補(bǔ)可再生能源的不足，為能源安全和環(huán)境問(wèn)題做出貢獻(xiàn)，而且它幾乎和化石燃料同樣方便。因此，氫能作為一種清潔能源備受關(guān)注。

在這一背景下，日本產(chǎn)官學(xué)各界正聯(lián)手構(gòu)建氫能供應(yīng)鏈，開(kāi)發(fā)氫能利用技術(shù)。本文介紹了液化氫供應(yīng)鏈的構(gòu)建、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和示范等相關(guān)內(nèi)容。

正如今天的液化天然氣（LNG）技術(shù)一樣，要實(shí)現(xiàn)氫能的社會(huì)化應(yīng)用，必須確立從氫能供應(yīng)商到氫能需求國(guó)之間的整條供應(yīng)鏈上的所有核心技術(shù)。通過(guò)“日本-澳大利亞試點(diǎn)示范”項(xiàng)目，日本實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)在海外生產(chǎn)氫氣并進(jìn)行大規(guī)模海洋運(yùn)輸?shù)陌咐?/span>

如圖1所示，該試點(diǎn)示范是一條完整的氫氣供應(yīng)鏈，起于澳大利亞Loy Yang的褐煤氣化制氫設(shè)施，止于日本神戶機(jī)場(chǎng)島的液化氫裝卸碼頭，示范過(guò)程中指出了技術(shù)、安全、運(yùn)營(yíng)，以及社會(huì)接受度等各方面的問(wèn)題。

該示范的NEDO部分由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）資助，而澳大利亞部分則由澳大利亞政府補(bǔ)貼。

示范的NEDO部分由“技術(shù)研究協(xié)會(huì)脫碳?xì)淠芄?yīng)鏈推進(jìn)機(jī)構(gòu)”（HySTRA）為主體推進(jìn)，該協(xié)會(huì)于2016年由川崎重工牽頭成立。協(xié)會(huì)成員包括川崎重工、巖谷產(chǎn)業(yè)、電源開(kāi)發(fā)、日本殼牌、丸紅、JXTG能源、以及川崎汽船。

項(xiàng)目的澳大利亞部分由川崎重工的澳大利亞當(dāng)?shù)胤ㄈ薍ydrogen Engineering Australia (HEA)負(fù)責(zé)對(duì)接澳大利亞政府補(bǔ)貼。同時(shí)，川崎重工、巖谷產(chǎn)業(yè)、電源開(kāi)發(fā)及其當(dāng)?shù)胤ㄈ薐-Power Latrobe Valley (JPLV)、丸紅、Australian Gas and Light Loy Yang Pty Ltd、以及住友商事均參與了該項(xiàng)目。

圖2展示了停泊在神戶裝卸碼頭“Hy touch 神戶”的液化氫運(yùn)輸船“Suiso Frontier”。該船在2021年9月至10月通過(guò)國(guó)內(nèi)航行獲取數(shù)據(jù)，隨后，為完成日本船舶注冊(cè)，于11月接受了日本海事協(xié)會(huì)的審查。（該船后于2021年12月完成了注冊(cè)，并于2022年2月成功完成了日本和澳大利亞間的往返航行，同月28日，從澳大利亞運(yùn)回的液氫卸貨至陸地，完成了世界上首次大規(guī)模海洋運(yùn)氫的示范。）

圖1 日本-澳大利亞試點(diǎn)示范示意圖

圖2 神戶裝卸碼頭的液化氫運(yùn)輸船“Suiso Frontier”

項(xiàng)目組在神戶港口島進(jìn)行了新的能源管理系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和示范，旨在于區(qū)域范圍內(nèi)有效利用電力、熱能和氫能。該系統(tǒng)采用熱電聯(lián)供設(shè)備（氫能源熱電聯(lián)供系統(tǒng)），配備1MW級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，以氫氣和天然氣為燃料。作為NEDO資助的“運(yùn)用氫能源熱電聯(lián)供系統(tǒng)的智能社區(qū)技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”（2015-2018年度）的一部分，項(xiàng)目由大林組主導(dǎo)，負(fù)責(zé)安裝和運(yùn)營(yíng)綜合型能源管理系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)，由川崎重工提供氫能源熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該項(xiàng)目由神戶市、關(guān)西電力、巖谷產(chǎn)業(yè)、關(guān)電能源解決方案、以及大阪大學(xué)支持。

圖3展示了該技術(shù)的示范設(shè)施。該示范設(shè)施位于城區(qū)內(nèi)，為附近的公共設(shè)施供能，包括國(guó)際展覽館、體育中心、中央市民醫(yī)院和污水處理廠。這是世界首次在城區(qū)采用燃?xì)廨啓C(jī)100%使用氫燃料進(jìn)行熱電聯(lián)供，2018年4月，項(xiàng)目組成功完成了示范運(yùn)行。本次示范采用了濕式法（從燃料噴嘴噴水的方法）來(lái)抑制氮氧化物的產(chǎn)生，并且可以在不間斷運(yùn)行的前提下自由切換氫氣和天然氣的混合比例。

由于采用濕式法需要噴水來(lái)減少氮氧化物，因此會(huì)損失部分燃燒產(chǎn)生的熱能，導(dǎo)致發(fā)電效率下降約1個(gè)百分點(diǎn)。為改善此問(wèn)題，項(xiàng)目組結(jié)合氫氣的燃燒特性，研發(fā)了新的燃燒技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)需噴水的干式低氮氧化物法。

對(duì)于燃燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)，以往實(shí)現(xiàn)干式低氮氧化物燃燒所采用的方法是預(yù)混合和稀釋燃燒，即將空氣和天然氣進(jìn)行預(yù)混合然后再進(jìn)行燃燒。但氫具有高度反應(yīng)性，易導(dǎo)致回火等燃燒不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此干式低氮氧化物燃燒非常難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了一種利用微型氫氣火焰的新型微混合燃燒技術(shù)（圖4）。在這項(xiàng)技術(shù)中，氫氣通過(guò)微小的噴射孔噴射出來(lái)，與直流的空氣射流快速混合，形成能夠穩(wěn)定燃燒的微型氫氣火焰，通過(guò)縮短反應(yīng)時(shí)間，抑制了氮氧化物的生成。

圖5展示了用于1MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的干式低氮氧化物氫專(zhuān)燒燃燒器。氫氣燃燒器的部分是環(huán)形的，使用的環(huán)數(shù)可根據(jù)氫氣燃燒量（即工作負(fù)荷）變化。

在NEDO資助的“干式低氮氧化物氫專(zhuān)燒燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)和示范項(xiàng)目”（2019-2020年度）當(dāng)中，上述開(kāi)發(fā)的燃燒器被安裝于神戶港島的示范設(shè)施，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)示范，2020年5月，該燃燒器成功實(shí)現(xiàn)了世界首例干式氫專(zhuān)燒運(yùn)行。隨后，通過(guò)持續(xù)進(jìn)行各種示范試驗(yàn)，項(xiàng)目組對(duì)該燃燒器的發(fā)電效率、降低環(huán)境負(fù)荷等方面的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該燃燒器的發(fā)電效率相較濕式法提升了約1%，氮氧化物生成量與濕式法相當(dāng)。

除上述開(kāi)發(fā)外，項(xiàng)目組還在推進(jìn)NEDO的“氫能利用等先行研發(fā)項(xiàng)目”，進(jìn)行半封閉式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的研究。該燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)利用液化氫的冷能，分離空氣中的氧氣并使之與氫氣一同燃燒，顯示出超過(guò)70%的熱效率。這項(xiàng)未來(lái)技術(shù)展示出了內(nèi)燃機(jī)的潛力。

圖3 靈活的氫氣·天然氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)

圖4 微混合氫氣燃燒技術(shù)

圖5 干式低氮氧化物氫氣燃燒器

用于發(fā)電的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、船用發(fā)動(dòng)機(jī)及其他大型往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的凈效率超過(guò)50%，因此，如能將其燃料從化石燃料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)、合成燃料和氫氣，將有助于實(shí)現(xiàn)碳中和，還能使其在安裝、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本方面相較燃料電池更具競(jìng)爭(zhēng)力。

從2021年賽季開(kāi)始，超級(jí)耐力賽將有配備氫氣往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛參賽，小型發(fā)動(dòng)機(jī)采用氫燃料的可能性正受到熱切關(guān)注。

對(duì)氫氣往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的研究是SIP（戰(zhàn)略創(chuàng)新創(chuàng)造計(jì)劃）的一部分。研究結(jié)果表明，通過(guò)應(yīng)用缸內(nèi)直噴燃燒技術(shù)，既可達(dá)到50%以上的效率，又可解決抑制氫氣燃燒中的氮氧化物產(chǎn)生的問(wèn)題（圖6）。

從2021年10月起，日本國(guó)內(nèi)外的大型發(fā)動(dòng)機(jī)制造商紛紛宣布將致力于氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，今后的成果值得關(guān)注。

圖6 高效率、低氮氧化物、高功率的直噴往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)

在日本、美國(guó)和歐洲，各國(guó)已宣布了萬(wàn)億日元規(guī)模的氫氣利用和示范相關(guān)國(guó)家投資計(jì)劃，技術(shù)開(kāi)發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)正在加劇。如本文所述，日本在氫供應(yīng)鏈和氫氣利用技術(shù)的示范方面處于世界領(lǐng)先地位。要想通過(guò)大規(guī)模使用氫氣促進(jìn)二氧化碳減排，實(shí)現(xiàn)大型動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣燃燒技術(shù)是重中之重，必須通過(guò)產(chǎn)官學(xué)多方聯(lián)手，盡快推動(dòng)技術(shù)示范和社會(huì)化應(yīng)用。