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视角|日本的“氢能社会”能走多远

北极星环保网  来源:中国能源报  作者:周杰  2018/1/11 17:17:47  我要投稿  
所属频道: 节能  关键词:氢能 氢能社会 零碳氢燃料

北极星环保网讯:2017年12月26日,日本政府发布了“氢能源基本战略”(以下简称“基本战略”),确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。氢能被视为日本能源结构转型、保障能源安全和应对气候变化的重要抓手,全世界没有哪个国家如日本这般执着于发展氢能。

基本战略目标

日本发展氢能的意向由来已久。早在2014年4月制定的“第四次能源基本计划”,日本政府就明确提出了加速建设和发展“氢能社会”的战略方向。

所谓“氢能社会”是指将氢能作为燃料广泛应用于社会日常生活和经济产业活动之中,与电力、热力共同构成二次能源的三大支柱。

根据这一战略目标,2014年6月,日本经济产业省制定了“氢能与燃料电池战略路线图”,提出了实现“氢能社会”目标分三步走的发展路线图:到2025年要加速推广和普及氢能利用的市场;到2030年要建立大规模氢能供给体系并实现氢燃料发电;到2040年要完成零碳氢燃料供给体系建设。

此次日本政府发布的基本战略是此前日本经产省先后推出的“氢能与燃料电池战略路线图”(2016年3月修订)、“氢燃料发电研究报告”(2015年3月)、“零碳氢燃料研究报告”(2017年3月)等一系列研究成果的集大成。

基本战略有两大战略目标,其一是实现能源供给多元化以提高能源自给率。日本94%的能源消费依靠进口的化石能源,能源自给率仅为6%左右,包括水电在内的可再生能源发电占比仅占15%。

特别是汽车燃料的98%依靠石油,其中87%来自中东地区,火力发电的液化天然气则全部依赖进口,核电站关闭之后,进口规模不断攀升,造成外贸赤字不断扩大。

而氢能的优点很多,首先,氢能来源广泛丰富,可储存、可运输、可柔性,有助于减少能源供给风险和能源安全保障。

其二,发展氢能可削减CO2排放以完成日本自主减排目标。日本政府承诺的CO2减排目标是2030年度比2013年削减26%,到2050年要削减80%。但福岛核事故后,由于日本核电站重启进程缓慢,所以不得不加大液化天然气进口量,以火力发电来弥补核电缺口。尽管天然气比煤炭和石油燃料CO2排放少,但一旦电力结构长期依靠以天然气为主的火力发电,日本则很难完成既定自主减排目标。

因此,日本必须另辟蹊径,通过技术创新推动能源供给侧改革,推广利用氢能则是手段之一。

于是,日本将发展氢能源的重要性列为与可再生能源同等地位,通过新能源政策补贴、税收优惠措施、放松管制、突破关键技术,设立示范基地,来挖掘和激活氢能需求侧市场潜力。

总而言之,日本欲在全球率先实现氢能社会,以实现低碳社会发展目标和寻求日本经济新的增长点。基本战略目标充分彰显日本力图主导和引领全球新能源技术发展,其中背后还包含燃料电池汽车与电动汽车两条不同发展技术路线之争的角力。

需求侧战略

需求侧主要指氢能产业链的应用环节。从家用微型热电联产装置到燃料电池汽车,从分布式燃料电池发电系统到大规模氢燃料发电站,氢能及其燃料电池广泛应用于交通、工业、建筑等各个领域。

日本采取各种优惠措施扩大氢燃料终端产品市场,积极培育氢燃料市场。

但目前日本氢能市场消费量还很有限,而且都处于实验或示范阶段。燃料电池汽车市场保有量仅为2000台左右,氢气市场零售价格不菲。因此,需求侧战略重点要解决两大问题,一是要大规模提高氢燃料消费量,二是大幅降低氢气市场价格。

目前,作为能源利用的日本氢气市场规模约200吨,2020年要达到4000吨,2030年要提高到30万吨,也就是说2030年才能初步形成氢能源市场。提升氢能源消费水平关键是实现氢燃料发电,基本战略提出从与液化天然气混烧开始起步,逐步加大混合比例,最终实现纯氢燃料发电。

但氢燃料与液化天然气混烧会产生NOX排放,而且降低发电效率,必须通过技术创新,开发新的燃烧技术予以改进。

基本战略的目标:到2030年实现氢燃料发电商业化,发电成本每千瓦时要控制在17日元以内。到2030年形成30万吨氢燃料供给能力,若全部用于发电氢燃料,就相当于1GW的装机容量;到2050年氢燃料发电的成本将降低为与液化天然气同等水平,具有较强的市场竞争力。预计届时日本年氢能供给量将达到500-1000万吨,装机容量将增至15-30GW,可大幅替代火力发电。

目前,日本加注站氢气零售价为100日元/Nm3,到2030年将降低到30日元/Nm3,到2050年更进一步降低到20日元,为目前市场价的1/5。

氢燃料价格一旦降下来,就会加快氢能市场流通,并进一步刺激燃料电池汽车的普及。现在日本国内已建成100个加注站,建设费用昂贵,数量仍显偏少。根据基本战略,2020年要达160个,2025年要达到320个,2030年要增加到900个,到2050年加注站的经济效益将超过加油站,并逐步替代加油站。

随着加注站增加,燃料电池汽车市场规模也会不断扩大。日本燃料电池乘用车保有量目前约2000台,2020年要达到4万台,2030年增加到80万台。每台优惠后的500万日元售价对消费者仍偏高。燃料电池大巴从现有的2台增加到2020年的100台,2030年的1200台,燃料电池铲车从现有的40台增加到2020年的500台,2030年的10000台。

与此同时,推进燃料电池在货车和船舶等交通工具的商业化应用。从目前的燃料电池汽车价格、保有量和加注站数量来看,日本尚处于燃料电池汽车社会的摇篮期,预计2050年将是日本燃油汽车全面向燃料电池汽车过渡之年。

全世界来看,将燃料电池推入千家万户的唯有日本。

日本家用燃料电池系统是指利用城市燃气和液化石油气制氢,再让氢与空气中的氧产生化学反应后直接发电,并同时能回收热能的氢能微型热电联产装置。自2009年上市以来,到2016年底已累计销售19.6万台。市场销售目标到2020年达到140万台,2030年达到530万台。

2016年度家用燃料电池售价PEFC(固体高分子型)和SOFC(固体氧化物型)标准机分别为113万日元和135万日元,其价格已比上市之初下降了一半以上,但仍为普通家庭难以接受。为减轻家用燃料电池终端用户的经济负担,PEFC标准机价格到2019年下降为80万日元,SOFC标准机价格到2021年下降为100万日元,投资回收年限缩短为7至8年。

此外,推广和运用工业级的氢能热电联产机组更可极大地提高能源利用效率,推进绿色节能建筑的普及。

供给侧战略

供给侧主要指制氢、储运环节,其战略重点是建立国际氢能供给链、可再生能源制氢供给链,国内区域供给链,以最终形成零碳氢燃料的供给体系。

从供给侧来说主要解决两大问题:一是如何清洁高效制备氢;二是如何实现氢的低成本储运。因此,供给侧战略目标就是以降低制氢和储氢成本为中心,开发安全、稳定、高效、清洁的氢能制备和储运技术。

氢能来源无非是两条路径,一是海外进口,二是国内生产。

从日本政府的基本战略来看,因受本土自然资源禀赋限制,日本更倾向于优先考虑从海外进口氢能。

因此,日本氢能社会发展战略目标首先布局建立海外氢能供给链。一方面是为了控制氢能源成本,大规模进口低成本的氢燃料可大大扩大和丰富日本国内零碳氢燃料的市场供给,另一方面还可保证国内使用零排放的氢燃料。

海外零碳制氢方式主要选择以下两种:其一是利用海外廉价褐煤制氢,利用煤炭、天然气提纯的化石燃料制氢法目前还是最经济最现实的制氢方法,但这种方法制氢过程排放CO2,必须利用CCS技术才能实现减排;其二是在可再生能源禀赋条件较好、发电成本较低的国家和地区采用水电解制氢。

建立国际氢能供给链最大的难点就是储运。

目前氢能储运的方法主要有:高压、液化、管道、有机氢化物,吸氢合金等。但若从海外大规模进口氢燃料,日本则优先考虑两种方式:一是将氢气直接转换为液体,与液化天然气方法相同,用零下253度的超低温将氢气冷却液化。

目前日本正在与澳大利亚合作,共同开发液化氢产业供给链。由川崎重工、岩谷产业和电源开发等公司在澳大利亚试开采褐煤,在当地制备、冷却液化,再通过船舶海运至日本。二是利用甲基环已烷储氢,即利用基于甲苯与甲基环己烷可逆反应的储氢技术。

日本千代田化工建设、三菱商事、三井物产、日本邮船四家公司联合成立了“新一代氢能源产业链技术研究会”,2020年将利用甲基环已烷储氢从文莱海运至川崎,年供给规模将达到210吨。与此同时,积极开发直接利用氨、甲烷等能源载体,以实现低成本、高效率的氢制备和储运。

国内生产则侧重利用可再生能源电力制备。

近年来,随着可再生能源固定价格收购制度的推广,日本可再生能源装机容量快速增长,但可再生能源发电具有分散性和间歇性及其调控难的特征,对其大量并网运行带来了很大挑战,因电网容量有限或火电调峰能力不足而产生的“弃风”、“弃光”现象普遍存在。

为此,日本将重点利用电转气技术(P2G)扩大可再生能源的利用和普及。P2G技术以氢为媒介打破传统电力系统和天然气系统之间的壁垒,利用风力发电、光伏发电等剩余电力电解水生成氢,然后提供给现有的燃气管道网络,或者利用电力、水及大气中的CO2,通过甲烷化反应制造甲烷提供燃气,从而促进了“气网—电网”的深度融合。

日本现已着手在福岛建立世界最大规模的可再生能源制氢示范基地,并在2020年东京奥运会期间为奥运场馆、奥运村和奥运交通工具等提供氢能源保障。

综上所述,推广和普及氢能源市场,低成本制氢、供给链完善、规模化利用三个条件缺一不可。家用燃料电池、燃料电池汽车是构建氢能社会的基础,零碳制氢是构建氢能社会的关键,而实现大规模氢燃料发电则是氢能社会真正形成的标志。

因此,到2030年日本至多能初步形成氢能社会雏形,因为30万吨氢燃料若全部用于发电,只相当于一台核电机组的装机容量,与燃气火电相比每年仅减排二氧化碳210万吨。只有到2050年日本才能真正意义上迈入氢能社会。

但要实现这一氢能革命目标,当前仍面临着技术、成本、体制以及基础设施配套等诸多瓶颈问题。

原标题:日本的“氢能社会”能走多远(视角)

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