碳中和開辟新未來

加大行動力度保護地球環境刻不容緩

如今,世界各國都在致力于在2030年前實現聯合國可持續發展目標(SDGs: Sustainable Development Goals)。目前,人們在清潔水供應和森林管理等方面已經取得一定進展,同時也在分秒必爭地為實現減少溫室氣體排放這一關鍵目標而加快技術研發1。氣候變化造成的影響日益嚴峻,嚴酷的現實已經擺在人類面前。2019年,全世界向大氣中排放的二氧化碳(CO2)總量約達431億噸,創下歷史新高2,這給世界各國的領導人敲響了警鐘,讓他們意識到加大行動力度保護地球環境刻不容緩。


為了削減碳排放,世界各地加速將供給電力的能源切換成太陽能、水力及風能等可再生能源。然而,要讓這些新能源成為主力能源,必須攻克多方面的技術難關,構筑完善的系統。比如,由于可再生能源易受時間、天氣、季節等自然環境因素的影響,發電量波動較大,因此為了讓電力供需穩定地處于平衡狀態,必須加緊研發電力存儲技術。另外,還必須研究如何將偏遠地區制造的剩余電力高效率地輸送給城市,妥善解決輸電基礎設施問題。


東芝素以技術創新聞名于世,在研發碳中和相關領域的技術方面也同樣走在世界前列。東芝正在致力于打造與可再生能源發電、儲電、輸電和用電相關的多套解決方案,勇敢挑戰技術難題,助力世界進一步加快碳中和進程。


可再生能源發電與輸電

可再生能源可以用來發電且不會產生碳排放,但其應用還面臨著許多需要解決的課題。近年,在用電量巨大的地區周邊,可用于建造大規模風力或光伏發電站的土地不斷減少,啟動新建發電站項目的條件非常有限。在此情況下,發展潛力巨大的海上風力發電在日本受到了廣泛關注。


基于這一行業動向,東芝與美國通用電氣公司(GE)結成了戰略合作伙伴,宣布將在日本國內聯合生產GE海上風力發電機的核心設備。海上風能被譽為可再生能源的“王牌”,日本政府與產業界正在通力合作,大力扶持日本國內的相關產業。本次兩家公司強強聯手備受社會各界的期待,有望推動日本海上風力發電取得長足發展,并助力日本達成2050年實現碳中和的政府目標。

另外,為了將海上風力發電等產生的電力穩定輸送到電力需求較大的地區,最理想的是采用高壓直流(HVDC)輸電技術。目前,主流輸電技術是易于調整電壓的交流(AC)輸電,但直流輸電在遠距離、大容量輸電方面更勝一籌。鑒于此,東芝在日本北海道和本州的兩端建造了可進行交直流轉換的換流站,并在兩座換流站之間鋪設了長約122公里的高壓直流輸電線路。因為采用自勵式交直流換流設備,交流電可自由轉換為直流電,所以萬一北海道發生停電,可以將本州的電力送去應急。

東芝技術無論是在日本還是在海外均贏得了極高的贊譽。在日本,北海道與本州之間以及四國與本州之間通過海底電纜連接的直流輸電系統應用了東芝提供的交直流換流器。在日本國外,東芝承接過意大利一家電力公司的直流輸電項目,在位于亞得里亞海兩岸的意大利切帕加蒂市和黑山科托爾市之間鋪設了長達400公里的海底電纜。該項目可使黑山核能發電及可再生能源提供的電力先轉換為直流電輸送至意大利,而后再轉換為交流電供給意大利電網。


轉換氫氣,存儲能源

為了普及可再生能源,電力存儲技術也必不可缺。尤其是風能和光伏發電,由于氣候條件變化萬千,這兩種能源的發電量總是處于波動狀態。為此,發電站必須將剩余電力存儲起來,并在需要時釋放出來,通過調控來保障供需平衡。其關鍵就在于將剩余電力轉換為氫氣并進行存儲的技術。轉換為氫氣,可以輕松儲備大量電力,而且便于長期儲藏和遠程運輸。這項技術能否確立,將在很大程度上決定人類能否創建零排放的“氫能社會”。


東芝參與建設的日本福島氫能研究基地(FH2R)是目前全世界最大規模的制氫、用氫實證基地3,備受日本國內外的矚目。該基地使用可再生能源,每小時最多可生產1200 Nm3的氫氣。如果換算成電力,相當于150戶居民一個月的平均用電量。目前,該基地生產的氫氣不僅被用于調控電力供需平衡,保障電力系統穩定運作,還被用作燃料電池車、燃料電池公交車等環保型交通工具的燃料。

日本福島氫能研究基地(FH2R,NEDO項目)

碳的有效利用

為了迎接實現碳中和目標的未來社會,我們不僅要確立制造并存儲可再生能源的方法,還必須削減并回收現有發電站產生的二氧化碳,這也是當下的任務之一。


碳捕捉、利用與封存(CCUS)技術,就是捕捉并回收發電站排放的二氧化碳,將其用于種植農作物或培養藻類等用途,或者直接封存到地底深處的技術。雖然現在可再生能源的應用備受各界關注,但短時間內火力發電不可能退出歷史舞臺,電力的穩定供應仍然需要火力發電。鑒于此,如何削減碳排放,能否對二氧化碳加以有效利用,已成為應對氣候變化的重要課題。東芝參與了多個碳捕獲、利用與封存項目,其中之一是日本福岡縣大牟田市三川發電站的大規模碳回收實測項目。該項目每天回收的二氧化碳超過600噸,占發電站單日總排放量的一半以上。

另外,在碳的再利用方面,“Power to Chemicals(P2C)”也被給予了厚望。所謂P2C,就是將二氧化碳電解為一氧化碳,再將這些一氧化碳用作原料,生產塑料、涂料、燃料和醫藥品等產品。以往慣用的方法是將二氧化碳溶解于水,轉換為環保價值更高的一氧化碳,但這種方法存在反應效率低的問題。為了攻克這項技術難關,東芝獨創了無需溶解于水也同樣可以進行轉換的觸媒電極,將轉換速度提升至原先的約450倍。因為二氧化碳氣體和水都能各自與電極觸媒發生反應,轉換速度大幅提升,目前這已成為全世界可投入應用的效率最高4的碳轉換技術。


最近還出現了一種新的技術研發趨勢,許多公司都在開發使用環保型替代氣體取代六氟化硫黃(SF6)的機器設備。六氟化硫黃(SF6)是一種絕緣氣體,常用于電力系統的開關裝置。但同時,它也屬于溫室氣體,且溫室效應系數高達二氧化碳的2萬3500倍,因此必須尋找相對無害的替代產品。東芝攜手從事電力基建等業務的明電舍公司,正在聯合研發使用不含六氟化硫黃的自然氣體的氣體絕緣開關(GIS)。


借助虛擬電廠(VPP)實現最佳電力管控

隨著可再生能源不斷普及,最讓電力公司頭疼的便是如何對供給常常處于不穩定狀態的電力實現最佳管控與分配?!疤摂M電廠(Virtual Power Plant: VPP)”正是應對這一問題的一種解決方案。所謂虛擬電廠,其實是一種電力管控機制,通過物聯網將光伏發電等可再生能源發電系統,與其他零散分布在地區內的老式發電站、蓄電池、電動汽車、自主發電并有剩余電力想要出售的居民及辦公場所等發電、蓄電設備連接到一起,并控制調整電力供需,使得這一網絡本身像發電站那樣運作。這種機制可以將擁有并希望出售剩余電力的發電方也納入電網。電力的調整和分配均由云控制系統負責,各地基站只需配備接入云系統的設備。

為了確保虛擬電廠中的電力交易順利進行,需要準確預測電力需求與光伏發電量(PV)。到目前為止,許多發電企業與電力零售方只能根據歷史數據進行機械性的預測。東芝則運用多年積累的人工智能(AI)技術,開發出準確度極高的預測技術?;谶@一技術,各方業主可參照詳實的數據信息做出最佳決策。東芝推出了名為“Toshiba VPP as a Service”的訂閱式服務,向用戶開放這一預測技術。該技術還榮獲了第一屆光伏發電量預測技術大賽“PV in HOKKAIDO”的最優秀獎5。


另外,東芝還與德國Next Kraftwerke公司合作,致力于助推日本能源交易。兩家公司結合東芝的價格預測技術與Next Kraftwerke公司的市場操作經驗,聯手為可再生能源設備業主及電力企業提供后援服務,幫助他們降低電力不平衡風險6。外界都很期待這項新業務能為日本可再生能源市場注入活力。


近年來,技術創新速度之快令人驚嘆,人類正一步一個腳印地行進在邁向未來碳中和社會的道路上。但要真正實現碳中和的目標,我們每一個人的意識與行動將成為最終的決定性因素。早在氣候問題遠遠沒有如此嚴重的時代,東芝便已將環保列為企業最重要的課題之一,不遺余力地研發領先世界的尖端技術。為了將美麗的地球傳承給我們的下一代,今后東芝將繼續和全世界人一道,追求更有效、更優異的解決方案。


1.參見聯合國2021年5月計測報告

2.全球碳項目/國立環境研究所/日本

3.詳細報道請參見: https://www.toshiba-energy.com/en/info/info2020_0307.htm (英文)

4.詳細報道請參見(截止2019年3月15日): https://www.global.toshiba/ww/technology/corporate/rdc/rd/topics/19/1903-02.html (英文)

5.詳細報道請參見: https://www.hepco.co.jp/info/2019/1241221_1803.html (日文)

6.電力不平衡:發電計劃與實際需求之差

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