日本的氢战略是否有助于实现碳中和目标?

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日本的目标是成为一个氢能社会，但它能否以可接受的二氧化碳排放量和价格水平提供玻璃制造商所需的氢气量？René Meuleman讲解了氢气燃烧过程，以及为什么全电熔技术和控制解决方案可能是一个更有效的选择。

日本容器玻璃的大规模生产始于1916年，当时日本玻璃公司购买了迈克尔·欧文斯自动吹瓶机。很快，在1919年，平板玻璃大规模生产开始使用Colburn工艺，1928年日本平板玻璃采用Fourcault工艺。1927年东京电力公司是第一家使用Danner工艺生产管状玻璃的公司，1929年使用Ivanhoe机器生产灯泡。当然，日本也深度参与了CRT管的制造，由三星公司在1977年开始使用康宁工艺⁽¹⁾。中空和增强玻璃纤维制造业也来到了日本，今天，日本的玻璃工业已经发展成为世界上优质的和具创新性的玻璃工业之一。它在全球发挥着重要作用，并打算在研究应对环境和气候变化挑战的解决方案时站在前沿。

国家氢能战略

全球大部分国家都签署了《气候变化巴黎协定》，日本也于2016年4月22日签署了《气候变化巴黎协定》，这代表了3.8%的温室气体供批准，而在二氧化碳排放量方面，日本介于德国（2.6%）和印度（4.1%）之间 ⁽²⁾。因此，日本于2017年12月26日发布了基本氢能战略，承诺成为世界上第一个氢能社会。与此同时，许多计划都将氢作为未来的能源载体，最近，NSG集团宣布将在英国的一个浮法玻璃炉上进行试验。不幸的是，只有灰色氢气可用。或许这将提供一个概念证明，玻璃制造商可能需要对此表示怀疑并考虑其影响。

蓄热式端部或侧部炉已经存在了100多年，直到20年前实现物理能效限制，技术才得到了改进。换言之，如果不安装许多复杂的附加组件，那么这种炉子的设计就不能提高多少能源效率。理想情况下，整个设计要成为碳中和，不再有可能使用化石燃料。至少在下一个炉子设计中不会。因此，业界需要考虑替代能源载体和氢气，仅次于电力当然是其中之一。

生产氢气有几种方法。灰色或蓝色的氢甚至不应该被考虑，因为两者都使用天然气作为来源，并将产生大量的二氧化碳。迟早，人们会意识到，这些都是把天然气转化为氢气的荒谬方法。

制造所谓绿色氢气的唯一可持续方法是电解；将太阳能电池或风力涡轮机产生的可再生电力转化为氢气和氧气。

从电能转化为能载体氢的问题来看，首先出现的问题是：为什么不直接将电能投入玻璃化过程，避免能源损失和电解槽相关投资呢？

日本的氢能战略预计大部分氢气将进口。具体而言，对于玻璃熔窑中的氢气燃烧而言，由于火焰温度较高，显然需要考虑与外部空气一起燃烧氢气。以及高氮浓度的存在，导致高氮氧化物排放。从电解过程中获得可用于氢气燃烧的免费氧气对于避免氮氧化物排放也是一大优势，但这意味着氢气和氧气都需要从生产地运往日本，很可能不是在同一个容器中。另外，也可以在玻璃设施现场产生氧气，但这会增加成本。

即使从商业角度考虑这项技术，传统的炉型设计也不太可能控制氢氧燃烧，因为与燃烧空间中Nm3液化天然气（LNG）和100%水蒸汽的可用加热能量相比，一个标准立方米（Nm3）的氢气只有四分之一的热能可用。最有可能的是，需要开发新窑炉设计，也可能是电力炉设计，将能量转换技术留给公用事业公司。请记住，电力炉已经存在了100多年，而且是经过验证的技术。

当然，在玻璃制造过程中直接使用电力是迄今为止最节能的方法。通过使用焦耳加热的电炉增压系统直接通电，至少可以达到85%的能源效率。相比之下，碱性或质子交换膜电解的能源效率在不久的将来（2030年左右）可能达到81%左右。然而，由于氢气和氧气将用于炉内燃烧过程，总效率最多将下降到35%。使用燃料电池将氢转化为电能，并通过焦耳加热将其输入熔化过程，可能会变得更有效！

2018年，日本氢气零售价格为€0.83/Nm³（100日元），预计价格将长期（超过2030年）⁽³⁾降至€0.17/Nm³（20日元）。1 Nm³等于3kWh（10.8MJ），而1 Nm³的LNG≈ 12kWh ⁽⁴⁾（44MJ）成本仅为€0.03/Nm³。在这方面，氢的价格至少要贵22倍⁽⁵⁾。

日本的氢能战略是一项模棱两可、极富创新性的举措。当然，与像澳大利亚等国一起调查与合作使氢气充分可用是非常有意义的，但问题仍然是，玻璃制造的燃烧过程中的氢气是否会成为未来，或者所有的电加热是否会立即取代化石燃料？到目前为止，电加热似乎是最可行的技术。

节能控制技术

一些供应商例如施耐德电气Eurotherm已经提供了用于有效控制电炉的先进节能技术。Eurotherm在为全球玻璃行业提供电源控制和自动化解决方案方面拥有超过50年的经验，提供了广泛的产品组合，特别专注于提高和优化电动玻璃熔制工艺的能源效率。

在日本负责Eurotherm玻璃业务的是Seetharaman Jayaraman（Roman），他拥有超过25年的工程经验，过去20年在玻璃行业工作。他的主要工作是帮助玻璃客户节约能源和减少二氧化碳排放。由于日本是亚洲地区许多玻璃原始设备制造商和制造商的所在地，日本市场是Eurotherm的一个关键重点，其中包括泰国、越南、印度尼西亚和马来西亚。

“我们高效的过程控制、功率控制和能源管理解决方案在整个地区都取得了很好的成功，这些解决方案是由我们当地的项目工程基地设计和提供的”。“我们的能力范围从高端制造业的复杂控制系统供应，到商品制造应用的具有成本竞争力的控制解决方案，以及原始设备制造商的产品。虽然价格优势的解决方案仍然来自中国，但与Eurotherm的温度精度、设计稳健性和能效特性相比，它们在质量方面的竞争力并不强” ——Roman

Roman在玻璃行业的直接工作经验为客户提供了一个深入了解先进控制和电源管理系统技术知识。最初在Guardian Glass的维护团队工作，然后在印度朝日玻璃专门从事玻璃加工设备和各种项目的设计和开发，后来加入上海Pony Technologies的项目团队，并参与了中东、俄罗斯、中国和印度尼西亚的各种项目。凭借其在浮法、容器、纤维、餐具、建筑和汽车玻璃行业的丰富知识和经验，Raman现在是Eurotherm在亚太和中东地区的玻璃业务发展经理。

关于二氧化碳减排的问题，他说：“过去，我们的成功尤其体现在浮法玻璃的电力推进，以及玻璃纤维和显示玻璃的直接铂加热应用，但现在人们对混合和全电炉控制解决方案的兴趣正在增长。”

亚太地区的其他主要玻璃团队成员包括东盟、澳新银行、日本和台湾地区的销售经理Jay Agustin和北亚地区的技术销售经理Donghyun Shin。他们都在玻璃制造工艺方面有多年的经验，并对Eurotherm高效控制解决方案有广泛的了解。“历史上，在玻璃工业中，我们以在熔炉、熔池和成型温度控制方面的专业知识而闻名，”——Jay Agustin。“凭借我们在电力控制方面的专业知识，我们现在致力于帮助客户从化石燃料转向电熔技术，以节约能源和减少二氧化碳排放。Eurotherm是这一领域的先驱，我们对平板玻璃行业非常感兴趣。这是由于越来越多地使用电加热工艺，从而证明了我们的精确温度控制、自动化和功率控制效率。”

关于未来趋势，Agustin先生继续说道：“日本很可能成为玻璃制造业未来新的革命性趋势的发源地。他们的玻璃工业很广泛，从平板玻璃制造到电子产品玻璃制造。亚太地区人口的增长、对环保建筑的需求的增加以及塑料容器的更换，必将推动玻璃需求的增长。亚太地区国家，尤其是东盟地区的国家，对玻璃制造业的投资者来说仍然很有吸引力，而且玻璃制造业正逐年增加。尽管该地区现在只有不到10年的时间来减少碳排放，以遵守《巴黎协定》，但由于天然气的价格低廉和易获得性，天然气仍然是大多数炉子的最常用和首选燃料。这使得大多数玻璃制造商的所有者很难开始改变清洁电源。随着时间的推移，这个行业需要不断发展，以实现更低的碳排放量，我们已经发现自己越来越多地参与到公司转向电力来源的过程中。到2030年，日本需要将其排放量与2013年的水平相比减少26%。⁽⁷⁾ Eurotherm解决方案非常适合这种情况，因为它们旨在帮助生产团队有效地管理电力使用。”

René Meuleman, Eurotherm的全球玻璃业务发展经理强调：“虽然日本已承诺成为一个以氢为基础的社会，但研究和开发仍在进行中，以确定是否能够以可接受的价格水平提供足够数量和地点的氢。因此，氢气燃烧最终可能不是日本玻璃制造商的最佳选择。此外，如果氢在其所有地区基地都不容易获得，希望实现全球业务标准化的公司可能很难做到这一点。根据目前的信息，全电熔技术似乎仍然是许多地区最可行的解决方案。”

强大的协作网络

最终用户、设备制造商和解决方案提供商都可以从Eurotherm控制产品提供的一系列节能功能和控制效率解决方案中获益。例如，基于EPower高级可控硅控制器的控制系统提供混合点火模式，以有效控制电加热器，预测性负载管理策略有助于将整个系统或电厂的峰值功率需求降至最低。EPack紧凑型功率控制器系列为加工机械提供占地面积较小的混合点火模式，而T2750 PAC等过程控制器为高精度温度控制提供了基础，同时也为全天候玻璃制造过程提供了所需的高可用性架构。

“我们有一个强大的合作网络，使我们能够支持日本玻璃制造商和原始设备制造商的产品和解决方案，直接通过我们当地的销售和项目交付团队，以及通过当地授权的解决方案供应商和分销商网络”——Donghyun Shin。“Eurotherm 玻璃行业解决方案和服务团队覆盖全球，因此我们可以轻松地支持在日本启动却在其他国家交付的系统项目的设计和规范。通过这种方式，我们能够提供高性价比和高质量的解决方案，以满足遍布欧洲、美国、中国和日本的主要全球原始设备制造商的需求。”

Shin先生继续说：“从我们的过程自动化开始，即70年代的Turnbull控制系统（TCS），许多玻璃制造商仍然记得我们以前基于T640过程控制器的系统解决方案。多年来，其中许多已被T2750过程自动化控制器所取代，在电加热和节能方面采用了EPower控制器技术。Eurotherm玻璃行业团队成员被认为是该行业值得信赖的顾问。我们非常了解玻璃工艺，我们了解客户的需求，尤其是现在他们希望减少二氧化碳排放量和能源账单。

作为电力、能源、自动化和开关设备技术领域的全球专家，施耐德电气为全球玻璃制造商和原始设备制造商提供了一个可靠的品牌。最后，Seetharaman Jayaraman指出：“Eurotherm玻璃行业团队在各种玻璃制造工艺领域拥有深厚的专业知识，作为施耐德电气的附属品牌，我们能够提供增强和扩展的解决方案组合。通过与施耐德电气全球业务团队的协作，我们能够为日本和更广泛的亚太地区客户提供高效、高价值的端到端解决方案，帮助他们减少从电网到玻璃的二氧化碳排放。”

参考