2015年全球達(dá)成應(yīng)對(duì)氣候變化“巴黎協(xié)定”，全球應(yīng)對(duì)氣候變化的形勢(shì)日漸緊迫，大多數(shù)國(guó)家都在積極發(fā)展低碳新能源，以實(shí)現(xiàn)其應(yīng)對(duì)氣候變化的承諾。在發(fā)展風(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源主流之外，氫能的發(fā)展也逐漸受到關(guān)注，因其具有高效、清潔以及便于規(guī)模化存儲(chǔ)等特點(diǎn)。一些國(guó)家和地區(qū)如美國(guó)、歐盟、日本和韓國(guó)等都在氫能基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究方面進(jìn)行了大規(guī)模投入，其中日本最為突出，日本政府制定了發(fā)展氫能和燃料電池的戰(zhàn)略路線圖。本文將簡(jiǎn)要說(shuō)明日本發(fā)展氫能的原因，并梳理發(fā)展氫能的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。
日本發(fā)展氫能的原因：國(guó)家能源安全和碳減排目標(biāo)
2017年12月日本政府發(fā)布“氫能基本戰(zhàn)略”，提出了氫能應(yīng)用戰(zhàn)略步驟和目標(biāo)。“氫能基本戰(zhàn)略”旨在實(shí)現(xiàn)氫能平價(jià)生產(chǎn)，建立涵蓋從生產(chǎn)到下游市場(chǎng)應(yīng)用的整個(gè)供應(yīng)鏈，除了燃料電池車還包括氫能發(fā)電、燃料電池船運(yùn)、化工生產(chǎn)行業(yè)氫氣替代天然氣等應(yīng)用。該戰(zhàn)略也闡明了日本大力發(fā)展氫能的原因，歸結(jié)起來(lái)主要是能源安全、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源以及促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。下文就主要有兩點(diǎn)，一是能源安全考慮多樣化能源供給、提高能源自給率;二是構(gòu)建深度脫碳的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。
1保障國(guó)家能源安全
日本的一次能源極度匱乏，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的能源都大量依靠進(jìn)口。目前日本約94%的一次能源依賴從海外進(jìn)口的化石燃料，大約87%的石油主要從中東地區(qū)進(jìn)口。加上日本福島核電站事故的影響，核能在能源結(jié)構(gòu)中的角色在弱化，日本能源自給率只有6%-7%。為實(shí)現(xiàn)能源安全，提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，日本加快了發(fā)展可替代性能源的步伐。而氫能由于其能源高效性，清潔性以及制造源和制造方法多樣性，成為日本替代性能源選擇之一。
2有助于實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)
日本在巴黎協(xié)定中制定了到2030年減少26%的碳排放(與2013年的排放量相比較)的目標(biāo)。其中電力部門的排放占總排放量的4成，但是基于目前日本發(fā)電依賴于煤電和核電，較低的可再生能源發(fā)電比例，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)挑戰(zhàn)較大。關(guān)于制氫路線，日本現(xiàn)階段主要是從化石燃料制氫，“氫能基本戰(zhàn)略”提出到2030年要確立國(guó)內(nèi)可再生能源制氫技術(shù)，構(gòu)建國(guó)際氫能供應(yīng)鏈，長(zhǎng)期目標(biāo)是利用碳捕獲(CCS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)平價(jià)化石燃料(如褐煤)的脫碳制氫和可再生能源制氫。因此，結(jié)合碳捕獲技術(shù)和可再生能源制氫技術(shù)，氫能成為日本實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要途徑。
圖1. 日本關(guān)于氫能和燃料電池的戰(zhàn)略路線圖
來(lái)源：Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)
氫能特點(diǎn)：高效、清潔、生產(chǎn)過(guò)程的高能耗
1氫能是高效率能源
單位質(zhì)量的熱值來(lái)看，氫氣是汽油的三倍，是高能量密度的燃料。雖然氫氣的體積能量密度不高，現(xiàn)在成熟儲(chǔ)氫技術(shù)70MPa下的氫氣體積能量密度約為汽油的三分之一，如果低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫合金技術(shù)能夠有突破，體積能量密度有望提高1.5-2倍。氫能源既可以通過(guò)傳統(tǒng)熱機(jī)也可以通過(guò)燃料電池利用，燃料電池具有更少的能量損失，能量利用效率更高[3]。
2氫能具有規(guī)模化儲(chǔ)存的優(yōu)勢(shì)
氫能作為二次能源，可以集中式、大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，如果廣泛應(yīng)用可替代部分石油和天然氣，也可以在風(fēng)電、光電、水電富余或棄風(fēng)、棄光、棄水較多的地區(qū)，以及城市電網(wǎng)峰、谷時(shí)段電力負(fù)荷差異較大的城市和地區(qū)，消納和儲(chǔ)存富余電力或峰段電力。
3氫能在使用階段沒有污染物排放
自然界中沒有純氫，需要通過(guò)其他能源輔助生產(chǎn)，從全生命周期來(lái)看，同樣要排放污染物和溫室氣體。氫能對(duì)環(huán)境的影響與制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)存的各個(gè)環(huán)節(jié)相關(guān)，可選擇的技術(shù)路徑也很多。雖然商業(yè)上還沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，但有研究表明：在大規(guī)模運(yùn)輸條件下，氫氣運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放與能耗較小。氫氣的主要能耗來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程[4]。化石燃料制氫的燃料電池車與傳統(tǒng)汽油車相比，氫燃料電池車可能有一定的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。但從全生命周期看，用可再生能源電解水制氫才能帶來(lái)顯著的環(huán)境和碳減排的效益。
4制氫過(guò)程的高能耗
目前主要工業(yè)制氫方法有化石燃料制氫、從工業(yè)副產(chǎn)物提取氫氣、可再生能源制氫等，目前來(lái)看，化石燃料制氫相對(duì)經(jīng)濟(jì)成本更低。但隨著未來(lái)可再生能源的更大發(fā)展，可再生能源制氫的成本應(yīng)具有競(jìng)爭(zhēng)力。
從日本發(fā)展氫能和燃料電池的戰(zhàn)略路線圖(圖1)和日本大規(guī)模進(jìn)口氫氣的計(jì)劃(圖2)來(lái)看，氫能將主要依賴進(jìn)口。比如，在澳大利亞用煤氣制氫，再將氫氣運(yùn)輸回日本。這種方式雖然減少了日本本國(guó)的碳排放量，但是增加了澳大利亞減排的壓力。當(dāng)然這也與碳捕獲技術(shù)有密切的關(guān)系，如果有大規(guī)模成本有效的碳捕獲技術(shù)的應(yīng)用，也許碳減排的目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)，但是化石能源使用過(guò)程中造成的其他環(huán)境影響，如空氣污染，不容忽視。因此，高耗能、高碳排放的氫氣生產(chǎn)會(huì)對(duì)全球碳減排和應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步探討和研究較為清潔的制氫方式。下一篇?dú)淠芟盗械奈恼轮幸矊?duì)制氫方式的能耗和碳排放進(jìn)行說(shuō)明。
圖2.日本大規(guī)模進(jìn)口氫氣的計(jì)劃
來(lái)源：Innovation Norway
結(jié)語(yǔ)
日本的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型需要首先考慮如何滿足其能源安全的需求，這涉及到如何多樣化其能源供給、并提高能源自給率，同時(shí)在履行氣候承諾的壓力下，日本開始發(fā)展深度脫碳的能源系統(tǒng)。氫能被視為日本能源系統(tǒng)變革過(guò)程中的重要一環(huán)。日本將氫能發(fā)展提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略層面，以保障其國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)2030年減排目標(biāo)，但其目前的制氫路線主要依靠化石燃料制氫，而大規(guī)模碳捕獲技術(shù)的運(yùn)用仍有不確定性。因此，日本需要加快發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，一方面改變能源結(jié)構(gòu)中可再生能源占比過(guò)低的現(xiàn)狀，另一方面探尋利用水電解來(lái)制氫的低碳方式。(文/雍子惟，磐之石環(huán)境與能源研究中心)
標(biāo)簽：日本 氫能 能源安全 碳減排
