日本氢能：看上去很美？

　　2015年全球达成应对气候变化“巴黎协定”，全球应对气候变化的形势日渐紧迫，大多数国家都在积极发展低碳新能源，以实现其应对气候变化的承诺。在发展风电和太阳能等可再生能源主流之外，氢能的发展也逐渐受到关注，因其具有高效、清洁以及便于规模化存储等特点。一些国家和地区如美国、欧盟、日本和韩国等都在氢能基础研究、应用研究方面进行了大规模投入，其中日本最为突出，日本政府制定了发展氢能和燃料电池的战略路线图。本文将简要说明日本发展氢能的原因，并梳理发展氢能的优势和挑战。

　　日本发展氢能的原因：国家能源安全和碳减排目标

　　2017年12月日本政府发布“氢能基本战略”，提出了氢能应用战略步骤和目标。“氢能基本战略”旨在实现氢能平价生产，建立涵盖从生产到下游市场应用的整个供应链，除了燃料电池车还包括氢能发电、燃料电池船运、化工生产行业氢气替代天然气等应用。该战略也阐明了日本大力发展氢能的原因，归结起来主要是能源安全、环境保护、节约能源以及促进相关产业发展。下文就主要有两点，一是能源安全考虑多样化能源供给、提高能源自给率；二是构建深度脱碳的能源系统，实现减排目标。

　　1保障国家能源安全

　　日本的一次能源极度匮乏，工业生产和日常生活的能源都大量依靠进口。目前日本约94%的一次能源依赖从海外进口的化石燃料，大约87%的石油主要从中东地区进口。加上日本福岛核电站事故的影响，核能在能源结构中的角色在弱化，日本能源自给率只有6%-7%。为实现能源安全，提升产业竞争力，日本加快了发展可替代性能源的步伐。而氢能由于其能源高效性，清洁性以及制造源和制造方法多样性，成为日本替代性能源选择之一。

　　2有助于实现碳减排目标

　　日本在巴黎协定中制定了到2030年减少26%的碳排放（与2013年的排放量相比较）的目标。其中电力部门的排放占总排放量的4成，但是基于目前日本发电依赖于煤电和核电，较低的可再生能源发电比例，实现这一目标挑战较大。关于制氢路线，日本现阶段主要是从化石燃料制氢，“氢能基本战略”提出到2030年要确立国内可再生能源制氢技术，构建国际氢能供应链，长期目标是利用碳捕获（CCS）技术实现平价化石燃料（如褐煤）的脱碳制氢和可再生能源制氢。因此，结合碳捕获技术和可再生能源制氢技术，氢能成为日本实现碳减排目标的重要途径。

图1. 日本关于氢能和燃料电池的战略路线图

　　来源：Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)

　　氢能特点：高效、清洁、生产过程的高能耗

　　1氢能是高效率能源

　　单位质量的热值来看，氢气是汽油的三倍，是高能量密度的燃料。虽然氢气的体积能量密度不高，现在成熟储氢技术70MPa下的氢气体积能量密度约为汽油的三分之一，如果低温液态储氢和储氢合金技术能够有突破，体积能量密度有望提高1.5-2倍。氢能源既可以通过传统热机也可以通过燃料电池利用，燃料电池具有更少的能量损失，能量利用效率更高[3]。

　　2氢能具有规模化储存的优势

　　氢能作为二次能源，可以集中式、大规模、长时间储存，如果广泛应用可替代部分石油和天然气，也可以在风电、光电、水电富余或弃风、弃光、弃水较多的地区，以及城市电网峰、谷时段电力负荷差异较大的城市和地区，消纳和储存富余电力或峰段电力。

　　3氢能在使用阶段没有污染物排放

　　自然界中没有纯氢，需要通过其他能源辅助生产，从全生命周期来看，同样要排放污染物和温室气体。氢能对环境的影响与制备、运输、储存的各个环节相关，可选择的技术路径也很多。虽然商业上还没有形成成熟的产业链，但有研究表明：在大规模运输条件下，氢气运输环节的碳排放与能耗较小。氢气的主要能耗来自生产过程[4]。化石燃料制氢的燃料电池车与传统汽油车相比，氢燃料电池车可能有一定的节能减排优势。但从全生命周期看，用可再生能源电解水制氢才能带来显著的环境和碳减排的效益。

　　4制氢过程的高能耗

　　目前主要工业制氢方法有化石燃料制氢、从工业副产物提取氢气、可再生能源制氢等，目前来看，化石燃料制氢相对经济成本更低。但随着未来可再生能源的更大发展，可再生能源制氢的成本应具有竞争力。

　　从日本发展氢能和燃料电池的战略路线图（图1）和日本大规模进口氢气的计划（图2）来看，氢能将主要依赖进口。比如，在澳大利亚用煤气制氢，再将氢气运输回日本。这种方式虽然减少了日本本国的碳排放量，但是增加了澳大利亚减排的压力。当然这也与碳捕获技术有密切的关系，如果有大规模成本有效的碳捕获技术的应用，也许碳减排的目标可以实现，但是化石能源使用过程中造成的其他环境影响，如空气污染，不容忽视。因此，高耗能、高碳排放的氢气生产会对全球碳减排和应对环境挑战带来巨大挑战，需要进一步探讨和研究较为清洁的制氢方式。下一篇氢能系列的文章中也将对制氢方式的能耗和碳排放进行说明。

图2.日本大规模进口氢气的计划

　　来源：Innovation Norway

　　结语

　　日本的能源系统转型需要首先考虑如何满足其能源安全的需求，这涉及到如何多样化其能源供给、并提高能源自给率，同时在履行气候承诺的压力下，日本开始发展深度脱碳的能源系统。氢能被视为日本能源系统变革过程中的重要一环。日本将氢能发展提升到国家能源战略层面，以保障其国家能源安全和实现2030年减排目标，但其目前的制氢路线主要依靠化石燃料制氢，而大规模碳捕获技术的运用仍有不确定性。因此，日本需要加快发展太阳能、风能等可再生能源，一方面改变能源结构中可再生能源占比过低的现状，另一方面探寻利用水电解来制氢的低碳方式。(文/雍子惟，磐之石环境与能源研究中心)