日本发展氢能的原因:国家能源安全和碳减排目标

  日本“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。

  日本发展氢能的原因:国家能源安全和碳减排目标

  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%[1]。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

  日本发展氢能的原因:国家能源安全和碳减排目标

  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[2]。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

  日本发展氢能的原因:国家能源安全和碳减排目标

  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。