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摘 要：东芝能源系统株式会社为减少二氧化碳（CO2）排放量，扩大来自可再生能源的氢气的利用，正在推进相关技术的研发。其中，在日本环境省的“地区合作与低碳氢技术实证项目”中，与北海道钏路市白糠町合作，对构建以小型水力发电为电源的氢气制造、储存、配送、利用的低碳氢供应链进行了实证实验。根据从2018年6月到2020年3月实证期间收集的数据进行估算，确认作为评价对象的3家用户设备共减少了约15%的CO2排放量。
关键字：氢气供应链、可再生能源制氢、基于小型水力发电的制氢系统、水电解装置、高压氢气配送系统、氢供应链管理系统
日本环境省在“2015年度地区合作与低碳氢技术实证项目”中，采纳了东芝能源系统株式会社提出的“基于小型水力发电的可再生氢能的扩大利用和适应北海道地区特性的氢利用模式的构建实证”。为此，该公司与北海道钏路市白糠町合作，历时5年（2015 ~ 2019年），对构建从氢气制造、储存、配送到利用的供应链进行了实证研究。
由于氢气在使用阶段几乎不会排放CO2，因此被认为是应对全球变暖的重要能源，但是在氢气的制造和运输过程中，有时会排放CO2。因此，该公司采用以小型水力发电为电源的可再生能源制造氢气，并构建区域氢气供应链，进行削减CO2排放量的实证研究。本文将介绍该研究的概要和成果。
该实证项目在位于北海道白糠郡白糠町的庶路水坝的左岸下游安装了小型水力发电站。该水力发电采用从庶路水坝流向庶路川的持续水流，每秒最大取水1.02 m3，额定发电功率为200kW。产生的电力通过电线输送到庶路水坝右岸上游的制氢厂，通过水电解装置制造氢气。该水电解装置每小时最多可制造约35Nm3（注1）氢气。
（注1）Nm3 是在0℃，1个大气压状态下换算后的体积。
图1. 位于庶路水坝的实证设备
设置小型水力发电站、制氢厂以及输送电线，构建以小型水力发电为电源的可再生能源制氢系统。
图1展示了设置在庶路水坝的小型水力发电站、制氢厂以及输送电线的全貌。实证期间为2018年6月至2020年3月，进行发电运行及氢气制造。
图2. 基于小型水力发电的制氢流程
利用小型水力发电的电力，通过水电解制造氢气。产出的氢气暂时储存在储氢罐中，经高压压缩后充入容器中，然后配送。
图2展示了基于小型水力发电的制氢流程。在“制造”、“储存”氢气以及装载到氢气“配送”车辆的过程中，所需的电力及发电站内用电负荷全部由小型水力发电提供，没有连接系统电力。由于完全脱离电网，为了在发生急剧负荷变动的情况下也能保持电力的供需平衡，设置了假负荷。制氢厂设置在没有自来水和通信等社会基础设施的山区，考虑到夜间工作的风险和人工费的缩减等,设想高压气体资格持有者只在白天进入厂区,设置了低压储氢罐将夜间产生的氢气暂时储存起来。
发电站的额定功率为200kW，但考虑到大雨导致水坝水位上升会超过额定功率，所以实际发电功率控制在180kW左右。平均每天发电4000 ~ 4300kWh，生产出600Nm3左右的氢气。图3表示使用高压气体实证设备时，实证期间小型水力发电量的消费明细。
图3. 实证期间小型水力发电量的消费明细
除水电解装置的调整和检修时期外，确保稳定的水力发电量和氢气产量。
图中发电量较少的月份，是因制氢厂水电解装置等的调整，以及年末年初时高压气体资格持有者及运输业者的长期休业导致水电解装置的关停，所以减少了发电量。另外，2019年5月和6月的发电量和制氢量极少，这是为了检修而将水电解装置关停了两个月。发电的消耗去向包括氢气制造、高压气体制造、假负载、辅机和周边设备以及监视控制、通信设备、照明等站内负荷。制氢消耗电力约占发电量的40%。实证期间总发电量为2,210,736kWh，氢产量为297,133Nm3。
由于利用持续的水流发电，可以全年365天全天24小时获得稳定的电力。因为发电量变动较小，不需要平衡电力的设备等，因此抑制了制氢设备的费用。另一方面，由于该小型水力发电站不与电力系统连接，独立运行，因此可保持在电力供需平衡的状态下运行。白天优先向高压制氢设备提供电力，剩余电力供应给水电解装置；从傍晚到第二天早上，由于制氢设备停止运行，不生产高压气体，则将供应站内负荷以外的电力全部供应给水电解装置。
图4. 制氢设备一天的电力消耗变化
在制造高压气体的时间段里，为了向氢气压缩机供电，逐步减少了对水电解装置的供电量。
以2019年7月10日为例，图4展示了一天内小水力发电、氢气制造和高压气体制造的电力变化情况。在制造高压气体时为了向压缩机供电，逐步减少对水电解装置的供电量，并将那一部分电力提供给压缩机。因此，10 ~ 12点和13 ~ 16点制造氢气所需的电解功率下降，使用压缩机的高压气体制造功率上升。另外，由于在压缩机运行结束后恢复对水电解装置的供电量，所以氢气生产所需的电解功率也恢复到了压缩机运行前的水平。另外，夜间继续制造第二天需要配送的氢气，在高压气体资格持有者上班之前暂时储存在储氢罐中，白天再进行压缩。
由于高压氢气配送系统的构建需要高压气体资格持有者的支持，因此精通燃气业务的岩谷产业株式会社负责这项任务，该公司同时也是该实证项目的共同实施者。图5为高压氢气配送系统的概要图。
图5. 高压氢气配送系统的概要
由制氢厂的压缩、充填工序；向用户的配送工序；用户端设施的储存与供给工序构成。
（1）压缩与填充工序：将制氢气设备生产的低压氢气(0.8 MPa)，通过压缩机增压(19.6 MPa)后，填充到容器中。
（2）配送工序：将充入容器中的氢气运送到使用地。
（3）储存工序：在使用地被消耗之前，储存氢气。
（4）供给工序：将使用地储存的氢气供应给使用设备。
为将氢气运送至设有纯氢燃料电池的3个需求地，先将压缩到19.6MPa的氢气充入3套储氢集束管(容量约236 Nm3)中，然后装载到配送车辆上进行配送。制氢厂和3个需求地的位置关系如图6所示。从制氢厂到3个需求地的距离约为35 ~ 50km。
图6. 制氢厂和3个需求地的位置关系
从庶路水坝的制氢厂与3个需求地的位置关系来看，氢气配送的单程距离约为35 ~ 50km。
另外，还向丰田汽车士别试验场提供氢气作为FCV（燃料电池汽车）的燃料。用高压氢长管拖车装载氢气（约2,000 Nm3），在实证期间内共供应一次。
图7. 不同氢气配送地的配送次数
向3个需求地及丰田汽车士别试验场的配送次数达到695次。几乎每天都向设有100kW级纯氢燃料电池系统的白糠町温水游泳池进行配送。
图7表示向3个需求地及丰田汽车士别试验场的配送氢气的次数。实证期间，共运送氢气695次，运送的氢气量达到160,5500 Nm3。几乎每天都向设有100kW级纯氢燃料电池的白糠町温水游泳池进行配送。
在选定需求设施时，考虑了制氢厂所在的庶路水坝到用户的距离、设施的电、热需求量、确保实证设备的安装空间等因素。通过小型水力发电产生的氢气在制造和利用阶段几乎不排出CO2，但在配送阶段根据配送距离和配送频率会有CO2的排放。因此配送距离也是考虑的因素。最终选定钏路市音别町福利保健中心、白糠町私人牧场以及白糠町温水泳池作为氢气活用地。在选定实证设备机型时，根据事先收集的数据确定在各设施中设置的纯氢燃料电池的容量，决定如下：
（1）钏路市音别町福利保健中心 由于单相100V的需求功率在3.5 kW以下的时间占整体时间的20%左右，超过7kW的时间占30% ~ 40%，因此设置了2台3.5 kW级纯氢燃料电池。
（2）白糠町私人牧场 由于单相100V的需求功率在3.5 kW以下的时间占整体时间的80%左右，因此设置了1台3.5 kW级纯氢燃料电池。
（3）白糠町温水泳池 由于三相200V的需求功率平均为25 ~ 50kW左右，因此设置了1台100kW级纯氢燃料电池。
以设置在白糠町温水游泳池的实证设备为例，图8展示了用户端氢利用设备的结构。将从庶路水坝运送而来的氢气储存在温水泳池馆内的低压储氢罐中，以此作为燃料，利用纯氢燃料电池产生电和热。产生的电能直接使用，热能则用于将储水罐中的水转换成温水后供应给温水泳池。通过利用氢气减少了系统电力和煤油等化石燃料的使用量，达到了CO2减排效果。
图8. 氢气利用设备的结构示意图
设置在白糠町温水泳池的100kW级纯氢燃料电池系统，提供电和热（温水）。
设置在白糠町温水泳池的实证设备如图9所示。
根据与北海道电力株式会社达成的电网电力利用协议，由于电网没有多余电力以及实证时间长度有限，因此本次实证中决定在不发生电力系统逆向潮流的条件下接入系统电力。
图9. 白糠町温水泳池的实证设备
实证设备包括低压储氢罐、集装箱（收纳热水箱等）以及100kW级纯氢燃料电池系统。
图10所示为在实证期间内，3家用户总计每月的氢来源能量明细。
图10 3家用户每个月消耗的氢来源能量的变化
以氢气为燃料向用户提供电和热（温水）。
根据实证期间的统计,钏路市音别町福利保健中心由氢气提供的电能为37,979kWh,由氢气提供的热能为17,379kWh；白糠町温水泳池由氢气提供的电能为143,722 kWh,由氢气提供的热能为73,497kWh；白糠町的私人牧场由氢气提供的电能为2,970kWh,由氢气提供的热能为3,646kWh。2019年5月和6月的能源供给量极少，如第2章所述，是由于检修时关停了水电解装置。
从氢气的制造、储存、配送、到利用的供应链中，以CO2排放量最小化为目标，构建了高效的配送计划和最大限度发挥氢燃料电池运行计划等的氢供应链管理系统（以下缩略为氢SCMS）。氢SCMS由以下基本功能构成。
（1）供给预测：预测每天制氢设备的氢产量。
（2）需求预测：每半个小时对三家用户各自的电力和热需求量进行一次预测。
（3）配送计划：确定配送日和配送顺序以使CO2排放量最小，以邮件通知配送员。
（4）燃料电池运行计划：根据电力需求预测和配送计划，以30分钟为单位制定燃料电池的运行计划，通过安装在各用户端设备的监视控制系统（氢EMS）控制运行的开关。
通过氢SCMS的运用，在实证期间供电和烧水产生的CO2减排量的估算结果如表1所示。设有100kW级燃料电池的白糠町温水泳池减排74.1t；设有3.5kW级燃料电池的音别町福利保健中心和白糠町私人牧场共减排15.9t；士别试验场的FCV减排1.6t，合计为91.6t。另外，从电力角度计算，通过利用以氢气为燃料的燃料电池制造的电力，3家用户设备共减少了约15%的CO2排放量。
表1. 实证期间CO2减排量的估算结果
以不与系统电力连接的独立运行的小型水力发电站为电源，实现了从氢气制造、储存、配送、到利用的低碳氢供应链的构建，并减少了CO2排放量。今后将利用此次实证研究获得的数据，开展降低氢供应成本的模型研究。
翻译：肖永红
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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