當(dāng)前局勢引發(fā)的能源焦慮，為日本建立“氫能社會”的努力再添“一把火”。

2011年福島核事故后，時任日本首相安倍晉三提出了“氫能社會”構(gòu)想。相關(guān)分析認(rèn)為，日本將氫能視為“脫碳社會的一張王牌”，在氫能領(lǐng)域野心勃勃，希望成為“全球首個氫經(jīng)濟體”，邁入“氫能社會”，并引領(lǐng)全球市場。

(資料圖)

去年以來，日本加速了氫能的開發(fā)試驗和社會應(yīng)用。其進程有發(fā)展但也有不確定性，實現(xiàn)“氫能社會”將是“一山放過一山攔”。

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氫能開發(fā)走過半個世紀(jì)

日本對氫能的關(guān)注和開發(fā)，遠早于“氫能社會”構(gòu)想的提出。

20世紀(jì)70年代，高速增長的日本經(jīng)濟對國際石油高度依賴，但石油危機的爆發(fā)迫使日本采取一系列節(jié)能措施，并開始重視新能源，氫能作為一條技術(shù)路線受到關(guān)注。1973年，日本成立“氫能源協(xié)會”并出臺了一系列計劃，包括1974～1992年的“陽光計劃”、1978～1992年的“月光計劃”、1993～2002年的“新陽光計劃”以及1992～2002年的“WE-NET計劃”，涉及制氫技術(shù)、燃料電池和液化儲氫的研發(fā)等領(lǐng)域。這些計劃依托大學(xué)和企業(yè)開展，促進了有機化學(xué)氫化物法、液化儲氫法等技術(shù)的發(fā)展。

豐田汽車公司也在1992年啟動了氫燃料電池汽車的研發(fā)。但這一時期日本能源轉(zhuǎn)型的重心是“核電+液化天然氣（LNG）”，前者瞄準(zhǔn)能源自立，后者較煤炭石油更為清潔。2011年福島核事故震碎了日本的“核電夢”，天空亦出現(xiàn)了久違的黑色粉塵——重啟煤電的排放物，日本能源自主與環(huán)境污染壓力都隨之而來?！皻淠苌鐣睒?gòu)想就是這一背景下產(chǎn)生的。

2014年是日本氫能實用化的啟動之年。這一年公布的“第四次能源基本計劃”提出，“期待氫能在未來二次能源中發(fā)揮關(guān)鍵作用”，將氫能定位擴展到大規(guī)模發(fā)電；同年，日本又提出了“氫能與燃料電池路線圖”，以及在2020年東京奧運會上實現(xiàn)“氫能社會”的具體措施和步驟；相應(yīng)地，豐田汽車公司和本田汽車公司決定將燃料電池汽車投入市場，巖谷產(chǎn)業(yè)和JX日礦日石能源公司公布了加氫站的氫能售價。

2017年日本發(fā)布了“氫能基本戰(zhàn)略”，計劃到2030年實現(xiàn)每年30萬噸的氫能產(chǎn)量，成本降至每標(biāo)準(zhǔn)立方米30日元（1日元約合0.05元人民幣）；實現(xiàn)100萬千瓦的發(fā)電裝機規(guī)模，發(fā)電單價降至17日元/千瓦時；實現(xiàn)加氫站擴建至900所，氫燃料電池汽車、氫燃料電池巴士分別增至80萬輛、1200輛，以及向530萬家庭普及“家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（ENE-FARM）”；發(fā)展“可再生能源制氫”。

該戰(zhàn)略提出了實現(xiàn)“氫能社會”的“3E+S”原則——首先保證能源穩(wěn)定供給（Energy Security），在安全（Safety）的前提下，通過提高經(jīng)濟效率（Economic Efficiency）實現(xiàn)低成本能源供給，最大限度地追求環(huán)境適宜性（Environment）?！皻淠芑緫?zhàn)略”也成為日本“第五次能源基本計劃”的一部分。2019年，日本又制定了“氫能燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略”，促進固體高分子燃料電池、固體燃料電池、氫能基礎(chǔ)設(shè)施等研發(fā)。

隨著“碳中和”成為國際熱門話題，日本在氫能應(yīng)用方面再次提速，于2021年將2020年底發(fā)布的“綠色增長戰(zhàn)略”更新為“2050碳中和綠色增長戰(zhàn)略”。

該戰(zhàn)略將氫能作為14個重點發(fā)展領(lǐng)域之一，計劃未來10年投入3700億日元扶植氫能產(chǎn)業(yè)；到2030年實現(xiàn)氫能年供應(yīng)量300萬噸，2050年實現(xiàn)氫能年供應(yīng)量達到2000萬噸；推動氫能煉鋼、水電解等技術(shù)發(fā)展；建設(shè)穩(wěn)定的氨供應(yīng)鏈，2030年前普及“20%氨、80%煤炭”混燃發(fā)電，2050年實現(xiàn)純氨發(fā)電。同時，還出臺了財政稅收、綠色創(chuàng)新基金、國際合作等多方面配套措施。2021年發(fā)布的“第六次能源基本計劃”提出，建立國際氫能供應(yīng)鏈，推動氫能在制造業(yè)中的應(yīng)用和生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型，提升社會對氫能的需求。

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現(xiàn)實與目標(biāo)的差距

多年的政策扶植，讓日本在“氫能社會”普及方面較其他國家走得更遠。最成功的案例是，ENE-FARM近年來的銷量呈指數(shù)級增長。該設(shè)備售價目前已降至100萬日元以下，較2009年面世時便宜了約2/3，且機身尺寸逐年變小、更易安裝。截至2021年底，ENE-FARM累計銷量已超過43.3萬套，大大超出2017年“氫能基本戰(zhàn)略”設(shè)定的“2030年30萬套”目標(biāo)。

ENE-FARM的工作原理是將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣，氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為住宅供電、供熱。日本資源能源廳數(shù)據(jù)顯示，ENE-FARM發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化率為40%～55%，加上余熱利用的綜合轉(zhuǎn)化率為80%～97%，遠高于41%（包含電力輸送損耗的火力發(fā)電轉(zhuǎn)化率）。ENE-FARM在日本的普及得益于政府補貼，但更源于日本這一國家的特殊性——多為獨立住宅，便于安裝；電費較貴，可節(jié)省開支；災(zāi)害頻繁，具備災(zāi)后應(yīng)急功能。

其他領(lǐng)域的氫能應(yīng)用，目前與政策設(shè)想還有一定距離。例如，加氫站的建設(shè)進度并不理想。從2014年啟動到2022年5月底，共計161所加氫站投入使用，其中“首都圈”59家、“中京圈”48家、“關(guān)西圈”19家、“九州圈”14家，僅較2022年1月底新增4家。

按此速度，日本只能在2030年完成最新政策目標(biāo)1000家加氫站的1/３。

再如，燃料電池汽車的銷售也不理想。豐田公司2014年推出了第一代“未來（MIRAI）”燃料電池轎車，但由于售價高、基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，銷量一直不佳。

2020年推出的第二代“未來（MIRAI）”趕上“碳中和”熱，才在2021年實現(xiàn)了5600余輛的銷量，占其累計銷量的一半以上，但距離實現(xiàn)2030年全球200萬累計銷量的目標(biāo)尚遠。

這些現(xiàn)象反映出日本“氫能社會”構(gòu)想的底層邏輯和技術(shù)路線存在缺陷，而這些缺陷往往被氫能的優(yōu)秀化學(xué)特征掩蓋。氫能是二次能源，在社會應(yīng)用中的區(qū)位與同為二次能源的電能更相近，與石油天然氣稍遠。

日本設(shè)想的理想型“氫能社會”的能源系統(tǒng)，是用可再生能源產(chǎn)生的氫能替代電能，形成分散式的氫能儲運和應(yīng)用系統(tǒng)，完全改變現(xiàn)有的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種替代受眾多客觀條件約束，相較電能存在大容量和長時間儲存難的問題，在一些情況下效能未必優(yōu)于電能。

退而求其次，用氫能替換生產(chǎn)生活場景中的石油天然氣也存在一些障礙。

例如，氫能的儲運條件不如石油天然氣，所以才有“氫轉(zhuǎn)氨”技術(shù)路線的出現(xiàn)；“灰氫”“藍氫”并未根治碳排放問題，卻憑空增加了成本；社會對“綠氫”的熱情，與石油天然氣價格正相關(guān)；日本本土缺乏新能源制“綠氫”的客觀條件，“綠氫”也和石油天然氣一樣依賴進口。

因此，按照“第六次能源基本計劃”，日本2030年利用氫和氨產(chǎn)出的電能僅占其能源消耗的1%，微乎其微。

目前日本有5座核電站恢復(fù)運轉(zhuǎn)，日本首相岸田文雄7月14日表示“指示最多使9座核電站運轉(zhuǎn)”，以保障通貨膨脹下冬季電力穩(wěn)定供應(yīng)。

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不斷拓展氫能應(yīng)用場景

面對全球“氫能熱”，日本正努力克服困難和不確定因素，拓展更符合市場規(guī)律的氫能應(yīng)用場景，但多數(shù)應(yīng)用是對原有天然氣技術(shù)的升級，與理想“氫能社會”還有一定距離。

一是開發(fā)氫內(nèi)燃機汽車。

豐田公司社長豐田章男多次表示：“敵人是碳，不是內(nèi)燃機?！睆?021年開始，豐田采用拉力賽方式測試氫內(nèi)燃機汽車。測試車以兩廂“卡羅拉”為原型，底盤離地13厘米，搭載液氫，理論續(xù)航里程較燃料電池汽車增加一倍，成本反而更低?！拔磥恚簹鋬Υ嫫骺梢宰龅接制接中?，甚至可以與底盤融合，更具商業(yè)前景?！?/p>

豐田章男說。氫內(nèi)燃機汽車可以繼續(xù)使用燃油噴射系統(tǒng)和渦輪增壓器，更符合原有汽車供應(yīng)鏈廠商的利益。目前，美國汽車零部件公司博格華納正在為日本的相關(guān)客戶提供技術(shù)支持。

二是開發(fā)氫能火車、船舶和飛機技術(shù)。

東日本旅客鐵路公司（JR東日本）正在開發(fā)使用氫燃料電池和蓄電池的混合動力列車“云雀（HYBARI）”，已于2022年3月在南武線試運行，預(yù)計2030年投入使用，以替代部分線路上的柴油火車。

洋馬控股計劃2023年推出船用氫燃料電池系統(tǒng)。三井機械正在岡山縣玉野市建設(shè)大型船用氫燃料發(fā)動機的試驗設(shè)施，預(yù)計2023年6月完工，該設(shè)施可產(chǎn)生20兆帕高壓氫氣，每小時供給1000立方米。川崎重工已完成全球首個船用氫燃料鍋爐的基本設(shè)計，計劃在2025年左右投入實際應(yīng)用。東芝正在開發(fā)新一代電動飛機核心部件，可供搭載數(shù)十人的中型飛機使用，目標(biāo)是2030年前實現(xiàn)商業(yè)化。其子公司東芝能源系統(tǒng)已開發(fā)出2000千瓦原型機，大小只有同樣功率普通電機的1/10。川崎重工正在開發(fā)氫動力飛機的關(guān)鍵部件，如燃燒器、儲氫箱，計劃2040年實用化。關(guān)西3家機場將與空客合作，共同研究機場氫基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計。

三是開發(fā)氫能作業(yè)機械。

日本最大農(nóng)機廠商久保田，計劃2023年在歐洲市場推出小型電動拖拉機，2025年面向歐美開發(fā)出中大型氫燃料電池拖拉機。洋馬控股計劃2025年推出電動農(nóng)機，并考慮在中大型農(nóng)機上使用氫能動力。小松制作所將與康明斯合作開發(fā)采礦卡車氫燃料電池，目標(biāo)是2030年實現(xiàn)商業(yè)化。

四是探索氫氣發(fā)電技術(shù)。

三菱重工正在開發(fā)核電制氫技術(shù)，并計劃2030年推出僅靠氫氣即可發(fā)電的大型渦輪機，目標(biāo)是2030年脫碳業(yè)務(wù)實現(xiàn)3000億日元銷售額。川崎重工計劃2026年在沖繩具志川火力發(fā)電站啟動“氨、煤混燃”發(fā)電試驗。

五是試驗氫能的工廠應(yīng)用。

2022年4月，松下在滋賀縣草津市的工廠安裝了99臺5千瓦可調(diào)節(jié)功率的燃料電池，體積與小型自動售貨機差不多，配合570千瓦光伏發(fā)電使用，目標(biāo)是成為“全球首個利用可再生能源驅(qū)動的氫燃料工廠”，同時積累“工廠能源管理系統(tǒng)”技術(shù)。日本制鐵和JFE鋼鐵正在建設(shè)小型氫氣煉鐵試驗機，預(yù)計2024～2025年開始試驗。神戶制鋼正在兵庫縣高砂市試驗“氫氣供應(yīng)控制系統(tǒng)”，尋找穩(wěn)定供氫、減少浪費的方法。

六是構(gòu)建國際氫能供應(yīng)鏈。今年2月，川崎重工和巖谷產(chǎn)業(yè)完成了液氫海運試驗——澳大利亞褐煤轉(zhuǎn)化的2噸液氫，用川崎重工建造的液氫運輸船，長途跋涉9000千米到達日本神戶機場島的“Hytouch神戶”——世界首個液化氫裝卸基地。這是日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的示范項目，計劃2023年后開始新的驗證試驗。此外，三菱重工已參與美國猶他州氫能發(fā)電項目，三井物產(chǎn)有意同阿聯(lián)酋阿布扎比國家石油公司開展液氫運輸合作，東洋工程亦有意在印尼生產(chǎn)“綠氨”。

來源：環(huán)球雜志作者：劉云

關(guān)鍵詞： 氫燃料電池 燃料電池 能源系統(tǒng)