日本氫能社會構(gòu)建的背景、實(shí)現(xiàn)路徑及對我國的啟示

摘 要： 日本為解決能源自給率低、福島核事故帶來的能源價(jià)格上升、應(yīng)對氣候變化等問題，提出了建設(shè)“氫能社會”的目標(biāo)，并且提出了具體的實(shí)施路徑、目標(biāo)、政策措施、成本下降的路線圖。在供應(yīng)側(cè)，拓展國際合作，通過與澳大利亞等國合作并采用可再生能源綠色制氫多元化氫能來源;在需求側(cè)，推動(dòng)燃料電池汽車、氫發(fā)電、固定式燃料電池等方面的應(yīng)用，通過示范逐步實(shí)現(xiàn)氫能利用的商業(yè)化，建成“氫能社會”。

關(guān)鍵詞： 氫能社會 綠色制氫 燃料電池 路線圖

一、日本能源狀況及面臨的內(nèi)外壓力

日本能源高度依賴進(jìn)口，2016年能源自給率僅為8%，在經(jīng)合組織34個(gè)國家中排名第33位。不僅進(jìn)口依賴程度高，而且進(jìn)口來源相對單一，目前進(jìn)口石油中仍有87%來自中東地區(qū)。上世紀(jì)70年代，日本遭受兩次石油危機(jī)打擊，暴露了日本能源系統(tǒng)的脆弱性，能源安全日益受到重視。日本政府在1979年實(shí)施了《節(jié)能法案》（Energy Saving Act）并且大力發(fā)展核電，以應(yīng)對石 油危機(jī)。通過公共部門和私人部門的努力，1990年日本碳生產(chǎn)力水平達(dá)到全球最高，日本的能源效率比1970年提高了40%。 后來由于歐盟碳排放水平的不斷下降，2000年左右，日本碳生產(chǎn)力水平排名開始后退，但仍處于全球前列。

2011年，東日本大地震引發(fā)了福島核事故，日本核電站基本都被迫停運(yùn)檢修，國內(nèi)對核電的依存度下降，對化石能源的需求上升。日本能源自給率從20%下降到最低的6%（見圖1）。與此同時(shí)，電價(jià)水平也在上漲，日本的工業(yè)和商業(yè)電價(jià)水平是經(jīng)合組織國家中最高的，為1829美元/MWh，相當(dāng)于約128元人民幣/kWh（見圖2）。

全球應(yīng)對氣候變化對日本的影響日益凸顯。《巴黎協(xié)定》規(guī)定了各國要進(jìn)行自主減排，努力將全球溫升控制在2℃以內(nèi)，并盡力實(shí)現(xiàn)15℃溫升以內(nèi)的控制目標(biāo)。雖然美國已退出了巴黎協(xié)定，但作為盟友的日本還決定實(shí)施國家自主減排計(jì)劃，目標(biāo)是2030年在2013年基礎(chǔ)上減排26%，也就是意味著要減排31億噸CO2，2050年減排80%。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對日本來說挑戰(zhàn)是很大的。

基于上述原因，日本提出了“第五次能源基本計(jì)劃”，主要任務(wù)是降低化石能源依存度，加快發(fā)展可再生能源，重新制定核電發(fā)展政策，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。計(jì)劃面向的重點(diǎn)時(shí)間段是2030年，提出了相關(guān)的目標(biāo)和任務(wù)重點(diǎn)，并對2050年長期能源發(fā)展指出了方向。能源計(jì)劃“3E+S”的基本思想吸收了聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和應(yīng)對氣候變化的原則，即能源保障、環(huán)境可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)效率和安全，建立一個(gè)多層次、多元化、靈活性的能源供需系統(tǒng)。具體的目標(biāo)是：2030年油氣、煤炭自主開發(fā)比例分別達(dá)到40%、60%;零碳排放電力占比44%，其中可再生能源比重22%～24%，核電占比20%～22%;能源自給率提高到24%;新一代能源汽車數(shù)量提高到50%～70%，新建獨(dú)立房屋實(shí)現(xiàn)零能耗，新建公共建筑實(shí)現(xiàn)零能耗。

二、構(gòu)建氫能社會對日本解決能源問題的重要意義

日本要實(shí)現(xiàn)能源自主、保障能源安全，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效率、促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建氫能社會是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的手段。氫能作為一種二次能源，可以與電、熱二次能源系統(tǒng)互補(bǔ)，促進(jìn)日本能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可再生能源發(fā)展，實(shí)現(xiàn)日本國家自主貢獻(xiàn)減排目標(biāo)。

（一）氫能有利于降低日本能源系統(tǒng)的脆弱性

日本是一個(gè)群島國家，沒有輸油、輸氣線路與其他國家相連，電網(wǎng)也相對孤立，無法與其他國家電網(wǎng)形成交互輸送。其他大陸國家，例如丹麥、德國等一方面可以充分發(fā)展本國的可再生能源，另外一方面由于歐盟電網(wǎng)的充分連接，可以在可再生能源過剩時(shí)候向外輸電，電力供應(yīng)不足時(shí)購買國外電力，臨近的挪威水電可以作為巨大的“綠色儲能電池”，為可再生能源的間歇性、不穩(wěn)定性提供補(bǔ)充。但日本完全沒有這樣的條件可以利用，核電和水電是目前可依賴的低碳能源。氫能來源廣泛，日本可以通過國內(nèi)外各種途徑獲得氫能，例如通過澳大利亞的褐煤制氫、氨作為氫載體、可再生能源電解制氫等多種方式多元化日本的能源供應(yīng)，減少對中東油氣供應(yīng)的依賴，保障能源安全。

（二）氫能促進(jìn)可再生能源消納并提高占比

可再生能源成本在近幾年急速下降，最低價(jià)格每度電可以達(dá)到幾美分（風(fēng)電3美分/kWh、光伏5美分/kWh），比化石能源的價(jià)格還要低很多。如果可再生能源的成本繼續(xù)下降，那使用可再生電力進(jìn)行電解水制氫在經(jīng)濟(jì)上就成為可行。雖然可再生電力制氫并不能提高日本的能源自給率，但是那些電網(wǎng)無法消納的過剩可再生電力可以用來制氫，氫能就可以在能源系統(tǒng)中發(fā)揮儲能的作用。特別是對于一些地區(qū)季節(jié)性過剩而非單日波動(dòng)性過剩的情況，儲能電池?zé)o法解決這個(gè)問題，氫能則可以很好地解決。

（三）氫能有助于實(shí)現(xiàn)日本碳減排目標(biāo)

氫能在使用過程中沒有碳排放，氫能供應(yīng)過程的碳排放取決于氫的來源。日本現(xiàn)在正在與澳大利亞合作示范CCS+褐煤制氫項(xiàng)目，這樣可以實(shí)現(xiàn)氫能供應(yīng)階段的零碳排放。氫能如果是可再生能源電解水制成，也沒有碳排放。如前所述，氫能通過發(fā)揮儲能作用有助于提高日本國內(nèi)可再生能源占比，特別是在電力部門。目前電力部門碳排放占總排放比重為40%，是碳減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前在交通領(lǐng)域，氫燃料電池大巴和叉車已經(jīng)商業(yè)化，在卡車和輕型乘用車領(lǐng)域還需要補(bǔ)貼，但應(yīng)用前景廣闊。卡車碳排放占日本交通領(lǐng)域碳排放的36%，卡車可以充分發(fā)揮燃料電池車加注快、續(xù)航里程長的特點(diǎn)，在現(xiàn)有320萬輛卡車上逐步推廣。有些工藝過程或熱利用過程很難電氣化，氫能可以替代化石能源，或者通過熱電聯(lián)產(chǎn)的方式提供熱能。總之，氫能在各領(lǐng)域都可以促進(jìn)碳減排。

（四）氫技術(shù)已經(jīng)成熟有待商業(yè)化推廣

日本在2017年12月公布的《氫能基本計(jì)劃》中提出，日本的氫能技術(shù)已經(jīng)基本成熟，以后就是如何全面實(shí)施構(gòu)建氫能社會。東京奧運(yùn)會將會辦成一場向全世界展示日本氫能社會發(fā)展成果的奧運(yùn)會。福島核事故后，除盡力進(jìn)行恢復(fù)性建設(shè)外，福島還將被打造成最大的氫能示范區(qū)域，將采用光伏電解水制氫，一方面滿足福島地區(qū)使用，另一方面為東京奧運(yùn)會提供氫能。

三、日本氫能社會構(gòu)建的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)路徑

日本現(xiàn)在已經(jīng)有多種形式的氫能生產(chǎn)和使用試點(diǎn)示范，技術(shù)上已經(jīng)基本成熟，下一步的工作就是逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。日本制定了詳盡的目標(biāo)、途徑、政策措施的路線圖，以及在哪些具體時(shí)間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)成本下降。

（一）日本構(gòu)建氫能社會的三個(gè)階段性目標(biāo)

《氫能基本計(jì)劃》中提出，通過以下三個(gè)階段，日本逐步實(shí)現(xiàn)氫能社會，克服技術(shù)障礙，保障經(jīng)濟(jì)效率。

第一階段：從現(xiàn)在開始，大力擴(kuò)展氫能應(yīng)用。增加固定式氫燃料電池和燃料電池汽車的使用，使日本在氫燃料電池應(yīng)用方面領(lǐng)先全球。

第二階段：2020年代后半段開始，全面引入氫發(fā)電和大型供氫系統(tǒng)。進(jìn)一步提高用氫需求，擴(kuò)大現(xiàn)有氫源，在電和熱以外，建立氫二次能源系統(tǒng)。

第三階段：2040年前，建立零碳的氫能供應(yīng)系統(tǒng)。將制氫與CCS結(jié)合，或者可再生能源制氫，建立一個(gè)零碳的氫能供應(yīng)系統(tǒng)。

（二）氫能供應(yīng)鏈構(gòu)建

在供應(yīng)側(cè)，建立有價(jià)格優(yōu)勢的國際氫能鏈。通過政府間、私人部門與政府之間合作，建立高效的氫能運(yùn)輸、儲存系統(tǒng)。目前液態(tài)氫的運(yùn)輸和使用已經(jīng)在日本國內(nèi)有所展開，未來可以通過甲基環(huán)己烷、氨、甲烷等作為氫的運(yùn)輸載體，不同的運(yùn)輸方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。液態(tài)氫運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于，其技術(shù)方法與液化天然氣（LNG）類似，但液氫比LNG溫度更低，在海運(yùn)、裝卸和儲存方面，需要建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施。目前日本正在與澳大利亞合作，采用CCS+褐煤制氫并液化運(yùn)到日本本土，目標(biāo)是到2020年代中期到2030年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。甲基環(huán)己烷是氫體積的1/500，常溫下是液體，有利于長距離運(yùn)輸，可以使用現(xiàn)有的運(yùn)輸方式運(yùn)輸、裝卸等。日本正在與文萊合作，進(jìn)行這類項(xiàng)目的示范，以滿足2025年及以后的用氫需求。通過氨的方式運(yùn)輸儲存氫，優(yōu)點(diǎn)是比其他載體的氫密度高，小型規(guī)模即可實(shí)現(xiàn)低成本，可以直接用于發(fā)電，不需要脫氫過程，并且不排放CO2，但缺點(diǎn)是NOx的排放量很大，且氨是易燃有毒物品，安全方面需要更加注意。通過甲烷運(yùn)輸儲存氫，可以直接用于發(fā)電，不需要脫氫過程，并且可以利用現(xiàn)有的市政燃?xì)庀到y(tǒng)。但目前市政管道為了安全，在天然氣中摻入味道氣體，這種氣體會使燃料電池催化劑失效，未來需要在這個(gè)方面進(jìn)行突破。

（三）氫能需求端拓展

在需求側(cè)，發(fā)展氫發(fā)電、燃料電池在交通領(lǐng)域應(yīng)用以及氫在工藝過程和熱應(yīng)用。日本認(rèn)為氫發(fā)電應(yīng)該是未來氫最重要的應(yīng)用方式，不僅可以提供電能，還可以作為調(diào)峰電源發(fā)揮作用。氫還可以與天然氣混合使用進(jìn)行發(fā)電，在氫能推廣的初期，可以不改動(dòng)發(fā)電廠基礎(chǔ)設(shè)施的前提下使用。日本的目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電的商業(yè)化，成本控制在17日元/kWh，相當(dāng)于11元人民幣/kWh。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，日本年購入氫要達(dá)到30萬噸的規(guī)模，相當(dāng)于裝機(jī)容量1GW。中遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電與LNG發(fā)電具有競爭性，這要求氫購入規(guī)模為500～1000萬噸，相當(dāng)于15～30GW裝機(jī)容量。交通領(lǐng)域是目前氫使用的重點(diǎn)部門，未來氫燃料電池汽車2020年要達(dá)到4萬輛，其中燃料電池大巴500輛，2025年20萬輛，2030年80萬輛，其中燃料電池大巴1萬輛。到2020年建設(shè)加氫站160座、2025年320座。現(xiàn)在已有基于可再生能源的示范加氫站，可以促進(jìn)本地區(qū)可再生能源消納，2020年前要建設(shè)100座可再生能源加氫站。另外，氫燃料電池還可以應(yīng)用在叉車上且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，未來還有望應(yīng)用于船舶、火車等交通領(lǐng)域。固定式氫燃料電池Ene-Farm的應(yīng)用在2030年要達(dá)到530萬套，并實(shí)現(xiàn)5年投資回收期。

（四）日本氫能發(fā)展的目標(biāo)和政策路線圖

日本的《氫能基本計(jì)劃》和“氫及燃料電池戰(zhàn)略路線圖”對未來氫能發(fā)展的目標(biāo)、方向、政策措施和成本都進(jìn)行了規(guī)劃，具體內(nèi)容詳見表1。

（五）日本氫能發(fā)展的相關(guān)技術(shù)成本路線圖

氫能發(fā)展中有關(guān)成本下降的路線圖詳見表2。

四、對我國發(fā)展氫能的啟示

日本制定“氫能社會”的目標(biāo)與其資源稟賦以及能源狀況是密不可分的。日本畸高的能源對外依存度、核電對于公眾和社會的影響以及全球應(yīng)對氣候變化的壓力，都是日本旨在改變能源結(jié)構(gòu)、多元化能源供應(yīng)的原因。可再生能源價(jià)格下降以及波動(dòng)性給能源系統(tǒng)帶來的沖擊，也是日本發(fā)展氫能的重要推手。所以，這些既是日本面臨的不利條件，也是日本決定建立一個(gè)“氫能社會”的機(jī)遇。

日本能源價(jià)格相對較高，客觀上有利于氫能的發(fā)展。如前所述，日本能源價(jià)格是經(jīng)合組織國家里最高的，電價(jià)達(dá)到13元/kWh，成品油價(jià)格約為10元/升。高企的能源價(jià)格一方面促進(jìn)用能者主動(dòng)進(jìn)行能源節(jié)約，另一方面使其他替代能源容易進(jìn)入市場。氫能其實(shí)在很多技術(shù)方面已經(jīng)成熟，最重要的問題是經(jīng)濟(jì)性，日本的能源價(jià)格為氫能商業(yè)化提供了很好的機(jī)會。

2 PEFC為固體高分子型燃料電池，SOFC為固體氧化物燃料電池。

日本作為科技立國的國家非常重視前沿科技的發(fā)展。日本作為一個(gè)資源基本依賴進(jìn)口的國家，二戰(zhàn)后出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)騰飛，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)奇跡，最重要的因素就是人力資本和科技力量。能源技術(shù)是第四次工業(yè)革命的核心，日本也在盡力搶占能源技術(shù)的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)氫能社會。

應(yīng)該充分認(rèn)識到我國的資源稟賦是一個(gè)“富煤、貧油、少氣”的國家，可再生能源雖然發(fā)展迅速，但2019年非化石能源比重僅占能源結(jié)構(gòu)的153%，現(xiàn)階段如果大規(guī)模發(fā)展氫能，來源仍然只能是化石能源，可再生能源制氫的規(guī)模和成本都不能滿足市場需求。應(yīng)該審慎對待氫能的大規(guī)模發(fā)展，可以在適宜的地區(qū)開展試點(diǎn)示范，加快氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

但應(yīng)看到氫能是未來能源發(fā)展方向，應(yīng)充分重視未來氫能源在我國能源體系中的定位，完善頂層設(shè)計(jì)。我國應(yīng)充分借鑒日本、韓國、德國等國家的經(jīng)驗(yàn)，將氫能與國家未來能源體系建設(shè)相結(jié)合，從國家能源戰(zhàn)略層面明確氫能在我國二次能源、新能源及未來綜合能源系統(tǒng)中的定位，組織利用好氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)龍頭企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的力量，由政府牽頭編制國家氫能中長期發(fā)展規(guī)劃，制定中國特色的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hydrogen and Fuel Cell Strategy Council of Japan， 2019The Strategic Road Map for Hydrogen and Fuel Cells[R/OL].https：//wwwmetigojp/english/press/2019/pdf/0312_002apdf

[2]Ministerial Council on Renewable Energy， Hydrogen and Related Issues， 2017 Basic Hydrogen Strategy [R/OL].https：//wwwmetigojp/english/press/2017/pdf/1226_003bpdf

[3]Ministry of Economy，Trade and Industry，2018The 5th Strategic Energy Plan[R/OL].https：//wwwenechometi gojp/en/category/others/basic_plan/5th/pdf/strategic_energy_planpdf

[4]畢珍珍日本的氫能源基本戰(zhàn)略與全球氣候治理[J].國際論壇，2019（2）：140-154

[5]顧阿倫，孟翔宇，劉濱，周劍氫能在日本能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位和作用[J].中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊，2019（6）：35-37

[6]王欣，王蘇禮，劉偉，武明堂日本和德國的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].產(chǎn)業(yè)研究，2019（24）：26-27

[7]游雙矯，張震，周穎等氫能先發(fā)國家的產(chǎn)業(yè)政策及啟示[J].石油科技論壇，2019（5）：57-66

〔本文受國家留學(xué)基金委“國際清潔能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目2018”支持〕

（伊文婧，國家發(fā)展和改革委員會能源研究所）