視角|日本的「氫能社會」能走多遠

作者:Chris    發表日期:2018-09-27 16:25:20

北極星環保網訊:2017年12月26日,日本政府發佈了「氫能源基本戰略」(以下簡稱「基本戰略」),確定了2050年氫能社會建設的目標以及到2030年的具體行動計劃。氫能被視為日本能源結構轉型、保障能源安全和應對氣候變化的重要抓手,全世界沒有哪個國家如日本這般執著於發展氫能。

基本戰略目標

日本發展氫能的意向由來已久。早在2014年4月製定的「第四次能源基本計劃」,日本政府就明確提出了加速建設和發展「氫能社會」的戰略方向。

所謂「氫能社會」是指將氫能作為燃料廣泛應用於社會日常生活和經濟產業活動之中,與電力、熱力共同構成二次能源的三大支柱。根據這一戰略目標,2014年6月,日本經濟產業省製定了「氫能與燃料電池戰略路線圖」,提出了實現「氫能社會」目標分三步走的發展路線圖:到2025年要加速推廣和普及氫能利用的市場;到2030年要建立大規模氫能供給體係並實現氫燃料發電;到2040年要完成零碳氫燃料供給體係建設。

此次日本政府發佈的基本戰略是此前日本經產省先後推出的「氫能與燃料電池戰略路線圖」(2016年3月修訂)、「氫燃料發電研究報告」(2015年3月)、「零碳氫燃料研究報告」(2017年3月)等一係列研究成果的集大成。

基本戰略有兩大戰略目標,其一是實現能源供給多元化以提高能源自給率。日本94%的能源消費依靠進口的化石能源,能源自給率僅為6%左右,包括水電在內的可再生能源發電佔比僅佔15%。特別是汽車燃料的98%依靠石油,其中87%來自中東地區,火力發電的液化天然氣則全部依賴進口,核電站關閉之後,進口規模不斷攀升,造成外貿赤字不斷擴大。

而氫能的優點很多,首先,氫能來源廣泛豐富,可儲存、可運輸、可柔性,有助於減少能源供給風險和能源安全保障。其二,發展氫能可削減CO2排放以完成日本自主減排目標。日本政府承諾的CO2減排目標是2030年度比2013年削減26%,到2050年要削減80%。但福島核事故後,由於日本核電站重啟進程緩慢,所以不得不加大液化天然氣進口量,以火力發電來彌補核電缺口。盡管天然氣比煤炭和石油燃料CO2排放少,但一旦電力結構長期依靠以天然氣為主的火力發電,日本則很難完成既定自主減排目標。因此,日本必須另闢蹊徑,通過技術創新推動能源供給側改革,推廣利用氫能則是手段之一。

於是,日本將發展氫能源的重要性列為與可再生能源同等地位,通過新能源政策補貼、稅收優惠措施、放鬆管製、突破關鍵技術,設立示範基地,來挖掘和激活氫能需求側市場潛力。總而言之,日本欲在全球率先實現氫能社會,以實現低碳社會發展目標和尋求日本經濟新的增長點。基本戰略目標充分彰顯日本力圖主導和引領全球新能源技術發展,其中背後還包含燃料電池汽車與電動汽車兩條不同發展技術路線之爭的角力。

需求側戰略

需求側主要指氫能產業鏈的應用環節。從家用微型熱電聯產裝置到燃料電池汽車,從分佈式燃料電池發電係統到大規模氫燃料發電站,氫能及其燃料電池廣泛應用於交通、工業、建築等各個領域。日本採取各種優惠措施擴大氫燃料終端產品市場,積極培育氫燃料市場。但目前日本氫能市場消費量還很有限,而且都處於實驗或示範階段。燃料電池汽車市場保有量僅為2000台左右,氫氣市場零售價格不菲。因此,需求側戰略重點要解決兩大問題,一是要大規模提高氫燃料消費量,二是大幅降低氫氣市場價格。

目前,作為能源利用的日本氫氣市場規模約200噸,2020年要達到4000噸,2030年要提高到30萬噸,也就是說2030年才能初步形成氫能源市場。提升氫能源消費水平關鍵是實現氫燃料發電,基本戰略提出從與液化天然氣混燒開始起步,逐步加大混合比例,最終實現純氫燃料發電。但氫燃料與液化天然氣混燒會產生NOX排放,而且降低發電效率,必須通過技術創新,開發新的燃燒技術予以改進。

基本戰略的目標:到2030年實現氫燃料發電商業化,發電成本每千瓦時要控製在17日元以內。到2030年形成30萬噸氫燃料供給能力,若全部用於發電氫燃料,就相當於1GW的裝機容量;到2050年氫燃料發電的成本將降低為與液化天然氣同等水平,具有較強的市場競爭力。預計屆時日本年氫能供給量將達到500-1000萬噸,裝機容量將增至15-30GW,可大幅替代火力發電。目前,日本加注站氫氣零售價為100日元/Nm3,到2030年將降低到30日元/Nm3,到2050年更進一步降低到20日元,為目前市場價的1/5。

氫燃料價格一旦降下來,就會加快氫能市場流通,並進一步刺激燃料電池汽車的普及。現在日本國內已建成100個加注站,建設費用昂貴,數量仍顯偏少。根據基本戰略,2020年要達160個,2025年要達到320個,2030年要增加到900個,到2050年加注站的經濟效益將超過加油站,並逐步替代加油站。隨着加注站增加,燃料電池汽車市場規模也會不斷擴大。日本燃料電池乘用車保有量目前約2000台,2020年要達到4萬台,2030年增加到80萬台。每台優惠後的500萬日元售價對消費者仍偏高。燃料電池大巴從現有的2台增加到2020年的100台,2030年的1200台,燃料電池鏟車從現有的40台增加到2020年的500台,2030年的10000台。與此同時,推進燃料電池在貨車和船舶等交通工具的商業化應用。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加注站數量來看,日本尚處於燃料電池汽車社會的搖籃期,預計2050年將是日本燃油汽車全麵向燃料電池汽車過渡之年。

全世界來看,將燃料電池推入千家萬戶的唯有日本。日本家用燃料電池係統是指利用城市燃氣和液化石油氣製氫,再讓氫與空氣中的氧產生化學反應後直接發電,並同時能回收熱能的氫能微型熱電聯產裝置。自2009年上市以來,到2016年底已累計銷售19.6萬台。市場銷售目標到2020年達到140萬台,2030年達到530萬台。2016年度家用燃料電池售價PEFC(固體高分子型)和SOFC(固體氧化物型)標準機分別為113萬日元和135萬日元,其價格已比上市之初下降了一半以上,但仍為普通家庭難以接受。為減輕家用燃料電池終端用戶的經濟負擔,PEFC標準機價格到2019年下降為80萬日元,SOFC標準機價格到2021年下降為100萬日元,投資回收年限縮短為7至8年。此外,推廣和運用工業級的氫能熱電聯產機組更可極大地提高能源利用效率,推進綠色節能建築的普及。

供給側戰略

供給側主要指製氫、儲運環節,其戰略重點是建立國際氫能供給鏈、可再生能源製氫供給鏈,國內區域供給鏈,以最終形成零碳氫燃料的供給體係。從供給側來說主要解決兩大問題:一是如何清潔高效製備氫;二是如何實現氫的低成本儲運。因此,供給側戰略目標就是以降低製氫和儲氫成本為中心,開發安全、穩定、高效、清潔的氫能製備和儲運技術。氫能來源無非是兩條路徑,一是海外進口,二是國內生產。

從日本政府的基本戰略來看,因受本土自然資源稟賦限製,日本更傾向於優先考慮從海外進口氫能。因此,日本氫能社會發展戰略目標首先佈局建立海外氫能供給鏈。一方麵是為了控製氫能源成本,大規模進口低成本的氫燃料可大大擴大和豐富日本國內零碳氫燃料的市場供給,另一方麵還可保證國內使用零排放的氫燃料。海外零碳製氫方式主要選擇以下兩種:其一是利用海外廉價褐煤製氫,利用煤炭、天然氣提純的化石燃料製氫法目前還是最經濟最現實的製氫方法,但這種方法製氫過程排放CO2,必須利用CCS技術才能實現減排;其二是在可再生能源稟賦條件較好、發電成本較低的國家和地區採用水電解製氫。

建立國際氫能供給鏈最大的難點就是儲運。目前氫能儲運的方法主要有:高壓、液化、管道、有機氫化物,吸氫合金等。但若從海外大規模進口氫燃料,日本則優先考慮兩種方式:一是將氫氣直接轉換為液體,與液化天然氣方法相同,用零下253度的超低溫將氫氣冷卻液化。目前日本正在與澳大利亞合作,共同開發液化氫產業供給鏈。由川崎重工、岩穀產業和電源開發等公司在澳大利亞試開采褐煤,在當地製備、冷卻液化,再通過船舶海運至日本。二是利用甲基環已烷儲氫,即利用基於甲苯與甲基環己烷可逆反應的儲氫技術。日本千代田化工建設、三菱商事、三井物產、日本郵船四家公司聯合成立了「新一代氫能源產業鏈技術研究會」,2020年將利用甲基環已烷儲氫從文萊海運至川崎,年供給規模將達到210噸。與此同時,積極開發直接利用氨、甲烷等能源載體,以實現低成本、高效率的氫製備和儲運。


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