上接 如何實現光明富足的零排放社會？（一）從去碳開始的日本活性化
如何實現光明富足的零排放社會？（二）個人能為去碳做的貢獻
如何實現光明富足的零排放社會？（三）利用生物質挑戰去碳化
如何實現光明富足的零排放社會？（四）2050年的電源構成方案
如何實現光明富足的零排放社會？（五）作為電力貯藏系統的「新型縮水蓄能發電」
谷口 升
低碳社會戰略中心副主任
大友 順一郎
東京工業大學環境與社會理工學院教授 低碳社會戰略中心特任研究員
【導讀】本文為《如何實習光明富足的零排放社會？》的第六回，以虛構的商社青年員工皆川豐為主人公解讀低碳社會戰略中心（LCS）公佈的提案。上一回，皆川瞭解了實現2050年電源構成不可缺少的蓄電技術—縮水蓄能發電。本回皆川針對與縮水蓄能發電並列為通過可再生能源去碳不可或缺的蓄電池和氫的技術現狀以及未來前景，諮詢了谷口升副主任和大友順一郎特任研究員。
按照用途和目標分別採用不同的技術
同時降低成本並減輕環境負荷
皆川：今天特來請教二位有關蓄電池和氫的利用問題，請多關照。首先，能介紹一下蓄電池的現狀嗎？
谷口：按照電解液和正負極材料的不同組合，蓄電池有多種類型。 比如，筆記型電腦用的是鋰離子電池(LIB)。蓄電池的開發歷經鉛蓄電池、鎳氫(Ni-H)蓄電池和鋰離子電池，根據用途的不同推進了小型化和大容量化的開發。隨著現代移動設備需求的不斷增加，鋰電池的開發進展迅速（表1）。目前，關注點集中在更大容量、更長壽命、安全且不易燃的固態電池等旨在普及電動汽車(EV)的研究上。
表1 各種電池的性能比較
表中數據摘錄自2021年6月11日舉行的LCS網路研討會「2030年—溫室氣體減排46%的社會形態」以及「各種電池的可供給量」
Ni-H：鎳氫電池
LIB：鋰離子電池
NaS：鈉硫電池
RF：氧化還原液流電池
皆川：從上表來看，目前鋰離子電池與其他蓄電池相比成本較高，所以導入時客戶會擔心電費。
谷口：這個問題的關鍵是按照不同用途使用最合適的電池。作為用於電動汽車和手機的移動型電源，今後鋰離子電池應該還會繼續演化。然而，如果用在可再生能源電廠旁邊設置的蓄電設施時，尺寸和重量就不那麼重要了。在空間和承重能力有餘量的地方，鉛蓄電池就更加合適。由於鉛蓄電池結構相對簡單，原料鉛的價格低廉，可以降低成本，CO2排放量也可以減少到鋰離子電池的四分之一。
皆川：鉛蓄電池很早就被用作汽車的電池，已經沒有什麼新鮮的地方了吧。
谷口：很早以前就開始使用，說明它很容易導入。製造技術成熟，生產、使用、廢棄以及回收再利用的相關法律法規也都相應配套，這是鉛蓄電池的一大優點。通過對鉛進行回收再利用，在日本國内持續供給再生蓄電池也成為可能。所以鉛蓄電池對今後建設的大規模蓄電設備應該會很有用處。
靈活利用適合長期儲存的氫能
已在福島縣啟動大規模實證實驗
皆川：也就是說，在普及可再生能源的前提下，考慮到電池的效率和價格，最新的技術並不一定就是最好的選擇，對吧。
谷口：電池一直是根據其最終用途來開發的。不同用途下最適合的電池也不同。當需要更大容量的蓄電用途時，鈉硫電池(NaS)和氧化還原液流電池（RF)也很有用。單就計算結果而言，需要的容量越大，其初期成本就越低，收支也越合算，因此如果能滿足大容量需求並具有安裝環境的話，它們取代鉛蓄電池和鋰離子電池的好處就能體現出來。此外，鋰離子電池的電極中不使用昂貴的鈷或鎳的磷酸鐵鋰電池也頗受關注。
皆川：如果開發不斷進展的話，就越來越接近「光明富足的零排放」目標了。
谷口：即使能減少CO2，如果電費太高，也無法發展成為一個產業。在實現去碳目標的同時，明確電池耐久性和製造成本等經濟方面的數據，推算出2050年成本最低的電源構成的做法，正是為了提出一個對日本經濟和地球環境都最佳且最合適的藍圖。具體而言，整體考慮可再生能源發電和蓄電，明確其未來方向性，正是LCS的職能之一。
皆川：光是蓄電池看起來就很好了，為什麼藍圖裏還包括氫能的利用呢？
大友：這個問題我來回答吧。氫的優勢在於長期儲存和移動性。比如把夏天通過太陽能發電製造的氫能存儲起來在冬天使用，海外儲氫在日本使用等用途中需要長時間的存儲和移動性，即使考慮相應的成本，把可再生能源以氫能的形式存儲起來的技術也是有用的。
皆川：把可再生能源以氫能的形式存儲起來是怎麼一回事？
大友：最理想的模式就是利用可再生能源發出的電能，用燃料電池電解水製造出氫氣，需要用電時，再通過燃料電池用氫氣發電，或者使用氫氣渦輪機把氫氣作為火力發電的燃料。
皆川：燃料電池的開發進展到了什麼程度？
大友：現在正在福島縣推進用鹼性電解質型燃料電池進行大規模電解的氫供給設施實證實驗。下一個階段是利用氫燃料電池汽車使用的「固體聚合物型燃料電池（PEFC）」構築出大規模水電解系統，推進以提高安全性和發電效率為目標的研發。再之後是開發使用「固體氧化物型燃料電池（SOFC）」的水氣電解系統（SOEC）。
皆川：PEFC和SOFC有什麼區別呢？
大友：二者適宜的工作環境不同。PEFC的工作溫度可低至80攝氏度左右，容易啟動和停止，所以即使只是短時間運行也能發揮其效力。PEFC適合在晴天多、太陽能發電餘量較多時才啟動等需要靈活運用的場景。而SOFC的工作溫度需要高達700攝氏度以上，短時間的運行效率差，但是在長期穩定運行的情況下，其效率要高於PEFC。無論哪種類型，對構成燃料電池系統的各個要素進行改良，不斷降低成本的話，通過發電和電解的組合，靈活應用到現在的電力批發市場也不再是夢想了（圖1）。
圖1 技術創新與成本降低之路
數據摘自大友教授提供的《燃料電池、氫能及能源載體製造技術的技術藍圖》
皆川：也就是說要根據不同情況使用不同的燃料電池，對吧。
實現零排放之後的未來
回收CO2製成化學產品和燃料
大友：降低製氫成本的關鍵在於如何降低製氫所使用的電力成本，以及如何提高最為耗能的電解水製氫工序的效率。著眼於未來推進技術開發的同時，也有必要在社會中構築把氫用作新的能源載體的基礎。
無論是可再生能源發電成本還是製氫成本，普及的關鍵並不是突然推出前面提到的理想的使用方式，而是先擴大供應和使用的範圍，建立起氫能市場。最初可以進口國外大規模可再生能源發電生產的廉價氫，在火力發電時將氫與化石燃料混合燃燒，以減少發電過程中的二氧化碳排放，還有一個方案就是將氫轉換為可在常溫下運輸的氨運到日本，直接用作燃料。
皆川：從整個供應鏈來看能夠做到整體盈利，這正是我們商社擅長的事情。
大友：太給力了！東京工業大學我的研究室裏，正在努力培養具有廣闊的視野，能夠統管從材料設計到社會實際應用成本估算的研發人才。今天的主題是2050年的社會，在更遠的未來，伴隨著各種技術開發的進展，成本進一步降低的話，說不定還能實現回收排放出來的CO2，使之與氫反應，生產出人們日常中使用的化學產品和燃料。
谷口：日本各個地區都具有太陽能、風能和地熱能等可再生能源的潛力。今後如果能在日本全國建設起符合當地特點的可再生能源發電和蓄電的配套設施，促進能源的地產地消，那麼不僅是去碳，從能源安全保障的角度來看安心的社會也將得以實現。
皆川：LCS的提案同時考慮了經濟效益和對環境的影響，這讓我對未來更加充滿希望。謝謝谷口先生和大友先生。
——以上對話根據採訪内容虛構而成。（TEXT：高橋麻美、PHOTO：石原秀樹、楠聖子）
原文：JSTnews 2022年12月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
