氫能在日本能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位與作用

顧阿倫 孟翔宇 劉濱 周劍

摘要：日本把氫能列為與電力和熱能并列的核心二次能源，提出了在中長期內(nèi)構(gòu)建“氫能源社會(huì)”的目標(biāo)。本文對(duì)日本能源發(fā)展與氫能發(fā)展歷程進(jìn)行了綜述，探討了日本氫能發(fā)展的主要特點(diǎn)、構(gòu)建“氫能社會(huì)”的政策部署，總結(jié)了氫能在日本能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要地位與作用。

關(guān)鍵詞：氫能日本能源發(fā)展戰(zhàn)略

作為未來可替代化石能源支撐世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展并保護(hù)環(huán)境的清潔能源，氫能具備資源豐富、燃燒熱量大（是汽油發(fā)熱量的3倍）、環(huán)保效益好、具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、用途廣泛等特點(diǎn)。氫不但是一種優(yōu)質(zhì)燃料，還是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)中的重要原料和物料。氫能是理想的清潔高效的二次能源，隨著制氫、氫能儲(chǔ)運(yùn)及燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫能將成為其他新能源和可再生能源的最佳載體。

一、日本能源發(fā)展戰(zhàn)略

（一）日本應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境問題的挑戰(zhàn)

日本能源嚴(yán)重缺乏，而且對(duì)化石能源的依賴程度也較高，能源供應(yīng)安全問題一直是日本能源發(fā)展的重要問題。由于日本核電發(fā)展的停滯，使得日本能源自給率從2010年度的20%下降到2018年的8%左右，在OECD國家中也是比例偏低的。同時(shí)，2015年的《巴黎協(xié)定》確定了溫升控制在2度的目標(biāo)，這意味著2050年全球溫室氣體排放總量必須下降50%左右，本世紀(jì)后半葉全球必須實(shí)現(xiàn)零碳排放[1]。日本確定了溫室氣體排放到2030年要比2013年削減26%，到2050年則要削減80%，日本也面臨著一定的減排壓力。

（二）日本脫碳的能源規(guī)劃與政策

面對(duì)復(fù)雜變化的能源形勢，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省制定了第五期《能源基本計(jì)劃》，提出了面向2030年和2050年的能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略，主要是降低化石能源依賴度，加快發(fā)展可再生能源，重新制定核電發(fā)展新政策，推動(dòng)日本能源轉(zhuǎn)型。其能源政策的基本思想是3E+S，也就是以能源安全性（Safety）為前提，把保障能源供應(yīng)穩(wěn)定供給（Energy Security）放在首要位置，把提高經(jīng)濟(jì)效率（Economic Efficiency）實(shí)現(xiàn)低成本的能源供給的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展（Environment Suitability）。預(yù)計(jì)到2030年實(shí)現(xiàn)零排放電力占比44%的目標(biāo)，其中可再生能源在總發(fā)電量中的占比要提升到22%-24%，核電占比要下降至20%-22%，二氧化碳排放量下降至93億噸，提高能源自給率到24%。到2030年以發(fā)展氫能戰(zhàn)略為基礎(chǔ)，對(duì)相應(yīng)的制度和基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行戰(zhàn)略性的調(diào)整。

二、日本氫能發(fā)展歷程

為破解日本能源發(fā)展所面臨的過度依賴海外化石能源、可再生能源發(fā)展瓶頸的制約、核電恢復(fù)重啟困難以及減排目標(biāo)壓力大等突出問題，日本對(duì)于氫能這種優(yōu)質(zhì)能源投入了極大的熱情和關(guān)注度，視氫能為提高能源安全保障與應(yīng)對(duì)全球氣候變化政策的重要手段，提出了構(gòu)建“氫能社會(huì)”的國家戰(zhàn)略及發(fā)展路線圖。日本氫能開發(fā)利用已經(jīng)有40多年的歷史，具體可分為三個(gè)階段：

第一階段，自20世紀(jì)70年代至90年代末期。自70年代經(jīng)歷過石油危機(jī)之后，日本開始著手研究氫能。始于1974年的“陽光計(jì)劃”及其后的“月光計(jì)劃”均將氫能與燃料電池列入計(jì)劃的重點(diǎn)研發(fā)課題，此階段日本氫能發(fā)展以基礎(chǔ)研究為主，但自1993年至2002年實(shí)施“氫能利用國際能源網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目（World Energy Network， WE-NET）時(shí)，形成了第一次氫能開發(fā)熱潮。此項(xiàng)目重點(diǎn)研究以氫為二次能源載體，推動(dòng)可再生能源利用的國際化。

第二階段，自2002年至2011年，其標(biāo)志為2001年1月出臺(tái)的《燃料電池實(shí)用化戰(zhàn)略研究會(huì)報(bào)告書》，其中表明日本氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)重點(diǎn)由大規(guī)模利用海外可再生能源制氫，再運(yùn)往日本用作發(fā)電燃料的構(gòu)想，轉(zhuǎn)向氫燃料電池的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用[2]，從2002年到2011年實(shí)施了日本氫能和燃料電池項(xiàng)目（Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project， JHFC），重點(diǎn)檢驗(yàn)了燃料電池和加注技術(shù)的可靠性。

第三階段，自2012年至今，日本逐漸掀起第三次氫能開發(fā)和利用的高潮，其標(biāo)志為2014年“氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖”的出臺(tái)。該路線圖詳細(xì)勾畫了日本未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步驟，為未來日本的“零碳能源”的設(shè)想提供了實(shí)現(xiàn)途徑，成為近年來日本氫能計(jì)劃出臺(tái)的基礎(chǔ)。

三、日本氫能戰(zhàn)略

（一）日本氫能戰(zhàn)略構(gòu)成

日本氫能的戰(zhàn)略主要從三個(gè)層面上進(jìn)行規(guī)劃。第一個(gè)就是國家宏觀層面：2013年日本把發(fā)展氫能源提升為國策，并啟動(dòng)加氫站建設(shè)的前期工作，2014年日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的《第四次能源基本計(jì)劃》中，提出將氫能源定位為與電力和熱力并列的核心二次能源，并提出建設(shè)氫能社會(huì)的愿景，主要的措施包括：（1）擴(kuò)大固定式燃料電池的利用和普及;（2）加快燃料電池車市場推廣;（3）加強(qiáng)氫燃料電池發(fā)電等新技術(shù)研發(fā)以推動(dòng)氫能利用和普及;（4）推進(jìn)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫技術(shù)研發(fā)以建立穩(wěn)定的氫燃料供給體系;（5）研究制定實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略的路線圖。并在后續(xù)的《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》中，詳細(xì)描述了氫能源研發(fā)推廣的三大階段以及每個(gè)階段的戰(zhàn)略目標(biāo)。

第二個(gè)層面可以視為是城市級(jí)別。2014年10月，東京都宣布東京將全面推進(jìn)“氫能社會(huì)”建設(shè)，把2020年東京奧運(yùn)會(huì)辦成一場向全世界展示日本氫能社會(huì)發(fā)展成果的盛世[3]。2015年2月，出臺(tái)了東京都實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的報(bào)告;進(jìn)而在2016年3月，頒布了東京都市環(huán)境總體規(guī)劃，東京都設(shè)計(jì)了雄心勃勃的溫室氣體減排和可再生能源利用的目標(biāo)，如圖1所示，鼓勵(lì)公眾、商業(yè)企業(yè)和其他利益相關(guān)方廣泛參與實(shí)現(xiàn)以上的目標(biāo)。

第三個(gè)層面就是企業(yè)層面。日本企業(yè)對(duì)于燃料電池技術(shù)的開發(fā)利用十分積極，2015年日本豐田公司宣布了《豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050》，計(jì)劃2020年豐田燃料電池車（FCV）在全球銷量3萬輛以上，為2020年東京奧運(yùn)會(huì)及殘奧會(huì)預(yù)備100多輛燃料電池大巴（FCB），2020年全球新車平均行駛里程中CO2排放量與2010年相比，削減22%以上，到2050年削減90%。

（二）日本氫能社會(huì)構(gòu)建

日本提出的所謂“氫能社會(huì)”，是指氫能作為燃料廣泛應(yīng)用于社會(huì)日常生活和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)之中，且氫能將與電力、熱力一起構(gòu)成二次能源的三大支柱。近年來，日本明顯加快了創(chuàng)建“氫能社會(huì)”的步伐，繼“氫能元年”后，根據(jù)既定的戰(zhàn)略目標(biāo)和路線圖，2020年被定義為“氫能奧運(yùn)元年”，2025年被定義為“氫能走出去元年”，2030年被定義為“氫燃料發(fā)電元年”。為了向世界展示日本的氫能方案，日本政府采取了各種政策措施培育和發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。其一是放松管制，降低門檻，掃平各類制度性障礙，激活民間資本對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的投資;其二是加大技術(shù)開發(fā)投入，突破關(guān)鍵技術(shù)，因地制宜設(shè)立氫能示范城市和示范基地;其三，通過綠色電力證書、碳交易制度促進(jìn)零碳?xì)淙剂系氖袌鼋灰?，以充分反映零碳?xì)淙剂系耐茝V利用和普及，重點(diǎn)對(duì)燃料電池和加注站進(jìn)行補(bǔ)助扶持等。日本發(fā)展氫能初期，補(bǔ)助政策主要包括對(duì)于家用燃料電池、燃料電池汽車以及加氫站的補(bǔ)助[4]，這三個(gè)補(bǔ)助政策基本上都是從刺激氫能的利用的鏈條上發(fā)揮作用。

1家用燃料電池補(bǔ)助政策。政府設(shè)立了“民用燃料電池補(bǔ)助金”制度對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行補(bǔ)助。2009年每臺(tái)補(bǔ)助高達(dá)140萬日元，隨著技術(shù)進(jìn)步和量產(chǎn)化，以及機(jī)器成本的降低，政府補(bǔ)助金額每年不斷下調(diào)，2014年度固體高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC）每臺(tái)最多補(bǔ)助38萬日元。政府原計(jì)劃到2015年全面退出，但為進(jìn)一步推廣普及家用燃料電池，2016年度開始又繼續(xù)推行新的補(bǔ)助制度，補(bǔ)助設(shè)定基準(zhǔn)價(jià)格和最高限價(jià)（包括設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)），促使廠家逐年遞減市場價(jià)格。2016年度的基準(zhǔn)價(jià)格設(shè)定是PEFC為127萬日元，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）設(shè)定為157萬日元，最高限價(jià)PEFC設(shè)定為142萬日元，SOFC設(shè)定為169萬日元;低于基準(zhǔn)價(jià)格的PEFC和SOFC分別補(bǔ)助15萬和19萬日元，高于基準(zhǔn)價(jià)格但低于最高限價(jià)的PEFC和SOFC補(bǔ)助金額減半，分別補(bǔ)助7萬和9萬日元;超過最高限價(jià)則不得進(jìn)行補(bǔ)助。另外，各地方政府對(duì)于本地消費(fèi)者也有不同的補(bǔ)助。

2燃料電池汽車補(bǔ)助政策。2014年12月，豐田燃料電池汽車在全球市場公開銷售，車輛含稅價(jià)格為724萬日元。日本政府制定了“清潔能源汽車補(bǔ)助金”制度，每臺(tái)補(bǔ)助車價(jià)三分之二的差額，其中豐田Mirai為202萬日元，本田Clarity為208萬日元。用戶還可享受新能源汽車的減免稅優(yōu)惠，消費(fèi)者實(shí)際購入價(jià)格約為500萬日元。另外，地方自治體對(duì)購入燃料電池汽車也進(jìn)行部分補(bǔ)助。東京都再另行補(bǔ)助日本政府補(bǔ)助額的一半，每臺(tái)補(bǔ)助約100萬日元。愛知縣則另行補(bǔ)助日本政府補(bǔ)助額的三分之一，每臺(tái)補(bǔ)助約為76萬日元。

3加氫站建設(shè)補(bǔ)助政策。政府設(shè)立“燃料電池汽車加氫站建設(shè)補(bǔ)助金”制度，每個(gè)加氫站補(bǔ)助15億—28億日元。與此同時(shí)，為減少加氫站的建設(shè)成本，對(duì)高壓氣體安全法、建筑基準(zhǔn)法、消防法等涉及加氫站建設(shè)相關(guān)法規(guī)進(jìn)行修訂，放寬對(duì)加氫站建設(shè)的限制，例如一定條件下取消對(duì)儲(chǔ)氫容器放置安全距離的限制，可用纖維強(qiáng)化塑料制造氫壓力容器等。

（三）日本氫能技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

日本要實(shí)現(xiàn)“氫能源社會(huì)”，應(yīng)克服的技術(shù)課題廣泛存在于從基礎(chǔ)到實(shí)用化以及氫能源制造、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏和使用等方面，需要產(chǎn)業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和政府明確分工，共同承擔(dān)。

1規(guī)?；茪?、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏。實(shí)現(xiàn)氫的規(guī)模制造是氫能源應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前常用的制氫方法主要有伴生氫、電解水、生物質(zhì)制氫、高溫分解和光催化劑等。每種制氫過程各有優(yōu)缺點(diǎn)，存在排放CO2的問題，受可供應(yīng)量和成本問題等的制約，如表1所示。

短期內(nèi)由于日本本土自然資源的限制，日本更加傾向于從海外進(jìn)口氫氣，目前考慮的兩個(gè)氫能進(jìn)口渠道一個(gè)是澳大利亞煤制氫，另一個(gè)加拿大水電制氫。目前，澳大利亞已經(jīng)啟動(dòng)試點(diǎn)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2020年中期開始運(yùn)行。按照《氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，2030年前日本將實(shí)現(xiàn)氫海外進(jìn)口量達(dá)到200億～300億標(biāo)準(zhǔn)立方米。日本模型情景研究的結(jié)果顯示，若在2050年實(shí)現(xiàn)比1990年削減65%的減排量，需要進(jìn)口氫氣大約816億標(biāo)準(zhǔn)立方米，若進(jìn)一步提高減排水平到75%，則需要進(jìn)口2330億標(biāo)準(zhǔn)立方米，從引進(jìn)規(guī)模和成本角度看，引進(jìn)氫能的主要將是發(fā)電部門[5]。

氫的規(guī)模運(yùn)輸和儲(chǔ)藏是氫能源應(yīng)用的關(guān)鍵。日本的氫能源運(yùn)輸主要有液化氫、有機(jī)物甲基環(huán)己烷和氨氣運(yùn)輸三種方式[6]。高壓儲(chǔ)罐的大型化、防止蒸發(fā)氣體、氫壓縮機(jī)以及加氫站建設(shè)材料防腐等存在技術(shù)困難和原料成本高的問題。此外，加氫站的定期安全檢查需要長達(dá)半個(gè)月的時(shí)間，其間存在不能營業(yè)的問題。

2降低燃料電池的成本，提升耐用性，擴(kuò)大使用范圍。雖然燃料電池的成本與剛上市階段相比已經(jīng)有了一定的降低，目前，日本家用燃料電池包括安裝費(fèi)在內(nèi)消費(fèi)者需承擔(dān)的費(fèi)用約為150萬日元，比銷售初期的價(jià)格下降了一半，但是從降低用戶的成本負(fù)擔(dān)和縮短成本回收期來看（2020年實(shí)現(xiàn)7～8年回收成本，2030年實(shí)現(xiàn)5年回收成本[7]），還需進(jìn)一步降低燃料電池的成本。燃料電池車的燃料電池系統(tǒng)在推出初期階段的電解質(zhì)膜、在普及階段的催化劑和絕緣材料的成本占比較大，需要重點(diǎn)降低其成本。

此外，需要提高燃料電池的耐用性。2017年產(chǎn)業(yè)用燃料電池將在已普及的磷酸型燃料電池的基礎(chǔ)上推出發(fā)電效率更高的固體酸化型燃料電池。只有成本降低、性能提高，才能使燃料電池的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，例如用在鏟車、船舶和摩托車，以及火車、出租車和公交車等公共交通領(lǐng)域。

3降低氫燃料的價(jià)格，增加加氫站的數(shù)量。氫燃料價(jià)格最終的目標(biāo)是與汽油價(jià)格持平。目前，日本加氫站的氫燃料成本的60%為加氫站的建設(shè)和經(jīng)營費(fèi)用，因此，第一步措施就是要把該比例至少降至50%。日本加氫站的建設(shè)費(fèi)用約為4億～5億日元（供應(yīng)能力為340標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)的固定式加氫站），因建設(shè)材料和標(biāo)準(zhǔn)的不同，比歐美同等加氫站的建設(shè)成本高15億日元。除了降低成本，加大建設(shè)投資，還要進(jìn)一步推進(jìn)箱式加氫站和移動(dòng)式加氫站的建設(shè)，前者成本相對(duì)較低且集造氫裝置、壓縮機(jī)、液壓儲(chǔ)壓器等主要設(shè)備于一體，后者可在不同地區(qū)靈活提供服務(wù)。

四、結(jié)論與啟示

第一，日本大力推行氫能社會(huì)與氫能技術(shù)主要是由于其能源資源的嚴(yán)重匱乏，能源高度依賴進(jìn)口。日本國土面積小，可再生資源利用規(guī)模也不高，目前核能是否能夠重啟，還具有一定的不確定性，天然氣盡管是清潔能源，但是并不是真正的綠色能源，因此若要實(shí)現(xiàn)全球應(yīng)對(duì)氣候變化的總目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2050年零排放，則日本必然要選擇另外的能源供給技術(shù)，因此氫能則成為了必然的選擇之一。

第二，日本國內(nèi)為了打造氫能廣泛利用的氛圍，密集出臺(tái)了氫能規(guī)劃和能源規(guī)劃等相關(guān)的戰(zhàn)略部署，可以看到，日本的氫能社會(huì)不僅僅是能源戰(zhàn)略，也是整個(gè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略部署，除了能源供給和能源技術(shù)的以外，還包括家用和交通的等多渠道的利用方式。日本培育氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，可以帶動(dòng)整個(gè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2030年日本氫能源將達(dá)到1萬億日元的市場規(guī)模，2050年將達(dá)到8萬億[8]。整個(gè)氫產(chǎn)業(yè)鏈上的零部件、材料等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，還可以帶動(dòng)與擴(kuò)大勞動(dòng)力市場的雇傭，這些因素也是日本想培育氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，引領(lǐng)世界技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

第三，盡管日本制定了雄心勃勃的氫能戰(zhàn)略與氫能規(guī)劃，但是對(duì)于未來如何大規(guī)模刺激氫能的消費(fèi)，平衡好氫能供給能力還是具有較大的障礙與挑戰(zhàn)。迄今為止，世界上僅有日本將氫能設(shè)定為國家未來的主要能源利用方式。但是目前氫能的實(shí)際利用比例還非常低，規(guī)模也不大。同時(shí)如果日本進(jìn)口大量的非可再生能源來源的氫氣，則其構(gòu)建氫能社會(huì)的初衷也會(huì)大打折扣，只有實(shí)現(xiàn)零碳?xì)淙剂系臍淠艿纳a(chǎn)與消耗，才能構(gòu)建真正意義的氫能社會(huì)。2019年3月，日本經(jīng)產(chǎn)省又更新了其現(xiàn)有的氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖，不斷夯實(shí)其技術(shù)規(guī)范和成本細(xì)分的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的主要政策措施，還新增加了全球氫能社會(huì)構(gòu)建的目標(biāo)與行動(dòng)，這一點(diǎn)充分體現(xiàn)了日本視氫能不僅僅是解決能源問題的途徑與手段，也成為日本通過氫能社會(huì)構(gòu)建，引領(lǐng)全球氫能技術(shù)以及提升其全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競爭力的重要手段。

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〔本文系科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2016ZX05040-001）;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：71573145）階段性成果〕

〔顧阿倫（通訊作者），清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所。孟翔宇，東莞深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)新中心，深圳清華大學(xué)研究院。劉濱，清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所。周劍，清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所〕