可再生能源的最前沿,参观福岛研究所——戴维

环境能源 2017年06月27日

2017年5月19日,天气格外热。坐上东北新干线时,不知道是不是天气的缘故,我感到一种躁热难抑的兴奋:到福岛去!

这是自2011年3月11日东北大地震之后,我第一次进入福岛,不知道这是不是我兴奋的理由。六年前的大地震,至今依然记忆犹新。那时我们在东京,为不曾经历的剧烈震动所惊吓。后来通过电视屏幕才看到了东北沿海更恐惧的景象。接下来是东京电力福岛第一核电站的损伤,以及由其引起的一系列社会变动。六年过去了,现在的福岛是什么样子?复兴工作有条不紊,媒体里已经没有什么吸引眼球的福岛新闻。核辐射似乎已近被制服,福岛第一核电站已经不是公众所关心的焦点。但是,想到就要亲临其境时,仍然是莫名的激动。

东北大地震引起的诸多社会变动,对笔者来说,最大的体会是关于能源,关于电力供应的变化。2009年初,当时的美国总统奥巴马推出了以节能对策为中心增加250万雇用的绿色能源政策,从此“智能电网”一词响彻全球,是业界注视的焦点。从那时候开始,笔者就追踪有关“智能电网”的国际标准,目睹了一系列的业界革命。

日本对外界尤其是对发达国家的新技术、新概念异常敏感。然而,那时,日本的业界对“智能电网”并不是很热衷。因为,日本作为一个能源短缺国度,经历了石油危机的冲击之后,社会整体的节能意识非常高,在节能与新能源技术方面领先世界。日本的电力供应由十家电力公司垄断,东京电力是全球最大的电力公司之一。与之相反,美国的电力公司都比较小,超过3000家。因此,日本的电力供应质量是世界上最好的,极少发生停电这样的事。日本的电力公司认为自己的电网已经很“智能”了,怀疑“智能电网”这个口号含有其它的意图。

电力供应的特点是,电力难以贮存,发电跟用电必须保持平衡,传统的电力供应都是单向的,电力公司只要控制好源头,有一个坚韧的电网,就可以保障电力供给。而“智能电网”倡导的是双方向沟通,要求电力与信息都可以双向交通。所以,“智能电网”在日本遇到了一个沉默的阻力,即日本电力寡头的消极抵抗。

东北大地震以后,福岛核泄漏,公众谈核色变,殃及全日本的核电站,50多座核反应堆相继停止运营,原先由核电支撑的30%的电力供应出现了缺口,必须用其它能源来弥补。这就给电力的多样化,给可再生能源带来了生机。加之政府的支持与鼓励,可再生能源示范项目如雨后春笋,迅速在列岛展开。笔者要去参观的福岛可再生能源研究所(FREA),就是在这样的背景下,由产业综合研究院(产综研)于2014年4月在福岛县郡山市设立的研究机构。

福岛可再生能源研究所(FREA)

从郡山火车站到FREA需要坐半个小时的汽车。车窗外到处郁郁葱葱,湛蓝的天空飘来的白云似乎伸手可触。空气是透明的,远处连绵起伏山峰的积雪清晰可见。秀丽的田园风光里没有丝毫经受浩劫的痕迹,仿佛亘古天成的原始乐园。

可再生能源,通常指太阳光、风力、地热、潮力、水力与生物物质等等。其中资源充足,最有代表性的是太阳光与风力发电。日本在可再生能源领域起步很早,但是,可再生能源的一个最大的弱点是“靠天气吃饭”,即它的不可控性以及与需求的不匹配性。阴晴风雨不是人为可以控制的。这样就会发生很无奈的现象,当电力需求旺盛时,不一定有电可供,而发电量充足时却没有需求。所以,解决供需平衡,把剩余电力转换成其他方式的能源贮存,在电力紧张时再用来发电,就是可再生能源的根本课题。

在FREA我们得以纵览日本在可再生能源领域的最新技术。由于篇幅限制,仅介绍几个有代表性的事例。


读懂风神的脸

风神是最喜怒无常的。有风没风,风向变化,都在瞬息之间。读懂了风神的脸色,就有了胜算的把握。比如三国演义里的草船借箭,诸葛亮就是预知了风向,才得以信守诺言,创造了一个奇迹。风力发电靠的是风车,风车的叶片要有效地运动,必须对风向与风力有一个准确的预知和判断。FREA在风车的风机上安装了激光雷达,同时对300m、237m、175m、112m、60m以远的风向与风速进行计测,从而对风车进行预先控制,改善风车的输出,减少叶片的负荷,提高风车的性能,改善风车的寿命。

软件方面,配合数值气象模型与卫星传感技术,对激光雷达的数据进一步校正,更精确地预知风速与风向。


抓住太阳光

FREA的结晶硅电池片

光伏发电最重要的课题就是降低发电成本,即降低硅晶电池组件的成本。FREA的结晶硅电池片技术可以量产0.12mm的晶圆。通过结晶硅智能堆栈技术使得光转换效率达到24.7%,通过注入负氧离子使得光转换效率达到19.4%,结晶硅的柔韧度提高,甚至可以弯曲而不受影响。通过这一系列的技术开发,使得光伏发电的成本预计在2020年降低到14日元/度,2030年降低到7日元/度。这样的前景,对于电价很高的消费者来说确实是个福音。


贮存氢能

前面提到,把剩余电力,转换成其他方式的能源贮存,在电力紧张时再用来发电,是可再生能源的根本课题。解决这一课题的一项重要技术就是氢能与电力的转换。FREA的研究团队开发了一整套技术,包括利用变动的电力(比如剩余的风力发电量)制造氢气,使用触媒的氢化学变换,以及热能再利用。

FREA投入运行的氢载体制造与综合利用系统是世界最大级别的系统,它包含了水电解装置、氢化触媒塔、大型贮存罐、脱氢触媒型热电转换引擎。还有利用氨气直接燃烧的技术等等。通过强化高温化的引擎排热回收,实现了世界顶级氢制造,通过引擎高效化与绿色化开发了高温排气并存的引擎燃烧技术。


并网与综合管理

可再生能源跟电网并网时,让可再生能源稳定并最大化地发电,是首要的条件。上述一和二,是在发电最大化上下功夫。加上第三项氢电转换,以及蓄电池等贮电功能,并对其综合监控,即可帮助解决这一课题。

FREA为达到这一目标,搭建了一个实验平台,连接了十几家公司的光伏发电系统、300千瓦级的风力发电系统、500千瓦级的直流交流转换设备、水电解设备、以及电动汽车等分散电池控制系统。在此平台上开发了系统统筹技术与电力管理系统、可再生能源的高度监控系统、以及源于可再生能源的制氢、储氢、及氢电转换技术。

系统有机的运作,使得喜怒无常的风神,昼出夜伏的太阳神,形态变幻的氢不再难以预测,使可再生能源的利用进入了因势利导,为我所用的境界。


FREA的实验平台在攻克一系列的技术难关的同时,也给当地经济带来了很大的促进。譬如,制造巨大风车的需求,给当地企业转型与再创业提供了有利的条件。据介绍,当地的风车制造厂家已经有跻身世界前列的企业出现。通过这一个小小的事例,我们也看到了日本社会与政府在自然灾害面前坚韧不拔,团结一致的精神。经过不懈的努力,再大的天灾,最后准会因祸得福。

FERA的技术与实验平台只是日本在可再生能源开发与利用、智能电网应用方面的一例。但是,从中我们可以一觑日本在节能、环保方面的实力。然而,这样先进的技术能不能推广到全世界,还要看市场的条件。日本在享受高质量的电力供应时,支付的电费也是世界上最昂贵的。面向2020年东京奥运会,官民并举出台了一系列对可再生能源利好的政策,比方利用氢能的燃料电池汽车。但是,如果奥运会过后,政策补贴取消的话,还能不能形成市场,这还是一个未知数。

先进的技术只有与成长的市场相结合,才能得到发展,更有效地造福人类。

文・图/戴维

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