开发了半个世纪,日本的“氢能社会”为何还没来?(图)

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当前局势引发的能源焦虑,为日本建立“氢能社会”的努力再添“一把火”。

2011年福岛核事故后,时任日本首相安倍晋三提出了“氢能社会”构想。相关分析认为,日本将氢能视为“脱碳社会的一张王牌”,在氢能领域野心勃勃,希望成为“全球首个氢经济体”,迈入“氢能社会”,并引领全球市场。

去年以来,日本加速了氢能的开发试验和社会应用。其进程有发展但也有不确定性,实现“氢能社会”将是“一山放过一山拦”。



图片2018 年 6 月 29 日,在日本爱知县的丰田元町工厂,两名员工将丰田氢燃料电池车 MIRAI 推向下一个工位


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氢能开发走过半个世纪


日本对氢能的关注和开发,远早于“氢能社会”构想的提出。

20世纪70年代,高速增长的日本经济对国际石油高度依赖,但石油危机的爆发迫使日本采取一系列节能措施,并开始重视新能源,氢能作为一条技术路线受到关注。

1973年,日本成立“氢能源协会”并出台了一系列计划,包括1974~1992年的“阳光计划”、1978~1992年的“月光计划”、1993~2002年的“新阳光计划”以及1992~2002年的“WE-NET计划”,涉及制氢技术、燃料电池和液化储氢的研发等领域。

这些计划依托大学和企业开展,促进了有机化学氢化物法、液化储氢法等技术的发展。丰田汽车公司也在1992年启动了氢燃料电池汽车的研发。

但这一时期日本能源转型的重心是“核电+液化天然气(LNG)”,前者瞄准能源自立,后者较煤炭石油更为清洁。

2011年福岛核事故震碎了日本的“核电梦”,天空亦出现了久违的黑色粉尘——重启煤电的排放物,日本能源自主与环境污染压力都随之而来。“氢能社会”构想就是这一背景下产生的。

2014年是日本氢能实用化的启动之年。这一年公布的“第四次能源基本计划”提出,“期待氢能在未来二次能源中发挥关键作用”,将氢能定位扩展到大规模发电;同年,日本又提出了“氢能与燃料电池路线图”,以及在2020年东京奥运会上实现“氢能社会”的具体措施和步骤;相应地,丰田汽车公司和本田汽车公司决定将燃料电池汽车投入市场,岩谷产业和JX日矿日石能源公司公布了加氢站的氢能售价。

2017年日本发布了“氢能基本战略”,计划到2030年实现每年30万吨的氢能产量,成本降至每标准立方米30日元(1日元约合0.05元人民币);实现100万千瓦的发电装机规模,发电单价降至17日元/千瓦时;实现加氢站扩建至900所,氢燃料电池汽车、氢燃料电池巴士分别增至80万辆、1200辆,以及向530万家庭普及“家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM)”;发展“可再生能源制氢”。

该战略提出了实现“氢能社会”的“3E+S”原则——首先保证能源稳定供给(Energy Security),在安全(Safety)的前提下,通过提高经济效率(Economic Efficiency)实现低成本能源供给,最大限度地追求环境适宜性(Environment)。“氢能基本战略”也成为日本“第五次能源基本计划”的一部分。

2019年,日本又制定了“氢能燃料电池技术开发战略”,促进固体高分子燃料电池、固体燃料电池、氢能基础设施等研发。

随着“碳中和”成为国际热门话题,日本在氢能应用方面再次提速,于2021年将2020年底发布的“绿色增长战略”更新为“2050碳中和绿色增长战略”。

该战略将氢能作为14个重点发展领域之一,计划未来10年投入3700亿日元扶植氢能产业;到2030年实现氢能年供应量300万吨,2050年实现氢能年供应量达到2000万吨;推动氢能炼钢、水电解等技术发展;建设稳定的氨供应链,2030年前普及“20%氨、80%煤炭”混燃发电,2050年实现纯氨发电。同时,还出台了财政税收、绿色创新基金、国际合作等多方面配套措施。

2021年发布的“第六次能源基本计划”提出,建立国际氢能供应链,推动氢能在制造业中的应用和生产方式转型,提升社会对氢能的需求。

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现实与目标的差距

多年的政策扶植,让日本在“氢能社会”普及方面较其他国家走得更远。最成功的案例是,ENE-FARM近年来的销量呈指数级增长。该设备售价目前已降至100万日元以下,较2009年面世时便宜了约2/3,且机身尺寸逐年变小、更易安装。截至2021年底,ENE-FARM累计销量已超过43.3万套,大大超出2017年“氢能基本战略”设定的“2030年30万套”目标。

ENE-FARM的工作原理是将天然气转化为氢气,氢气与氧气发生化学反应,为住宅供电、供热。日本资源能源厅数据显示,ENE-FARM发电的能源转化率为40%~55%,加上余热利用的综合转化率为80%~97%,远高于41%(包含电力输送损耗的火力发电转化率)。

ENE-FARM在日本的普及得益于政府补贴,但更源于日本这一国家的特殊性——多为独立住宅,便于安装;电费较贵,可节省开支;灾害频繁,具备灾后应急功能。

其他领域的氢能应用,目前与政策设想还有一定距离。

例如,加氢站的建设进度并不理想。从2014年启动到2022年5月底,共计161所加氢站投入使用,其中“首都圈”59家、“中京圈”48家、“关西圈”19家、“九州圈”14家,仅较2022年1月底新增4家。按此速度,日本只能在2030年完成最新政策目标1000家加氢站的1/3。

再如,燃料电池汽车的销售也不理想。丰田公司2014年推出了第一代“未来(MIRAI)”燃料电池轿车,但由于售价高、基础设施缺乏,销量一直不佳。2020年推出的第二代“未来(MIRAI)”赶上“碳中和”热,才在2021年实现了5600余辆的销量,占其累计销量的一半以上,但距离实现2030年全球200万累计销量的目标尚远。

图片2018 年 6 月 6 日,在日本东京,丰田研发的一款氢燃料电池小型卡车亮相

这些现象反映出日本“氢能社会”构想的底层逻辑和技术路线存在缺陷,而这些缺陷往往被氢能的优秀化学特征掩盖。氢能是二次能源,在社会应用中的区位与同为二次能源的电能更相近,与石油天然气稍远。

日本设想的理想型“氢能社会”的能源系统,是用可再生能源产生的氢能替代电能,形成分散式的氢能储运和应用系统,完全改变现有的能源系统结构。这种替代受众多客观条件约束,相较电能存在大容量和长时间储存难的问题,在一些情况下效能未必优于电能。

退而求其次,用氢能替换生产生活场景中的石油天然气也存在一些障碍。

例如,氢能的储运条件不如石油天然气,所以才有“氢转氨”技术路线的出现;“灰氢”“蓝氢”并未根治碳排放问题,却凭空增加了成本;社会对“绿氢”的热情,与石油天然气价格正相关;日本本土缺乏新能源制“绿氢”的客观条件,“绿氢”也和石油天然气一样依赖进口。

因此,按照“第六次能源基本计划”,日本2030年利用氢和氨产出的电能仅占其能源消耗的1%,微乎其微。目前日本有5座核电站恢复运转,日本首相岸田文雄7月14日表示“指示最多使9座核电站运转”,以保障通货膨胀下冬季电力稳定供应。

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不断拓展氢能应用场景

面对全球“氢能热”,日本正努力克服困难和不确定因素,拓展更符合市场规律的氢能应用场景,但多数应用是对原有天然气技术的升级,与理想“氢能社会”还有一定距离。

一是开发氢内燃机汽车。

丰田公司社长丰田章男多次表示:“敌人是碳,不是内燃机。”从2021年开始,丰田采用拉力赛方式测试氢内燃机汽车。测试车以两厢“卡罗拉”为原型,底盘离地13厘米,搭载液氢,理论续航里程较燃料电池汽车增加一倍,成本反而更低。

“未来,液氢储存器可以做到又平又小,甚至可以与底盘融合,更具商业前景。”丰田章男说。氢内燃机汽车可以继续使用燃油喷射系统和涡轮增压器,更符合原有汽车供应链厂商的利益。目前,美国汽车零部件公司博格华纳正在为日本的相关客户提供技术支持。

二是开发氢能火车、船舶和飞机技术。

东日本旅客铁路公司(JR东日本)正在开发使用氢燃料电池和蓄电池的混合动力列车“云雀(HYBARI)”,已于2022年3月在南武线试运行,预计2030年投入使用,以替代部分线路上的柴油火车。

洋马控股计划2023年推出船用氢燃料电池系统。

三井机械正在冈山县玉野市建设大型船用氢燃料发动机的试验设施,预计2023年6月完工,该设施可产生20兆帕高压氢气,每小时供给1000立方米。

川崎重工已完成全球首个船用氢燃料锅炉的基本设计,计划在2025年左右投入实际应用。

东芝正在开发新一代电动飞机核心部件,可供搭载数十人的中型飞机使用,目标是2030年前实现商业化。其子公司东芝能源系统已开发出2000千瓦原型机,大小只有同样功率普通电机的1/10。

川崎重工正在开发氢动力飞机的关键部件,如燃烧器、储氢箱,计划2040年实用化。

关西3家机场将与空客合作,共同研究机场氢基础设施的规划设计。

三是开发氢能作业机械。

日本最大农机厂商久保田,计划2023年在欧洲市场推出小型电动拖拉机,2025年面向欧美开发出中大型氢燃料电池拖拉机。

洋马控股计划2025年推出电动农机,并考虑在中大型农机上使用氢能动力。

小松制作所将与康明斯合作开发采矿卡车氢燃料电池,目标是2030年实现商业化。

四是探索氢气发电技术。

三菱重工正在开发核电制氢技术,并计划2030年推出仅靠氢气即可发电的大型涡轮机,目标是2030年脱碳业务实现3000亿日元销售额。川崎重工计划2026年在冲绳具志川火力发电站启动“氨、煤混燃”发电试验。

五是试验氢能的工厂应用。

2022年4月,松下在滋贺县草津市的工厂安装了99台5千瓦可调节功率的燃料电池,体积与小型自动售货机差不多,配合570千瓦光伏发电使用,目标是成为“全球首个利用可再生能源驱动的氢燃料工厂”,同时积累“工厂能源管理系统”技术。

日本制铁和JFE钢铁正在建设小型氢气炼铁试验机,预计2024~2025年开始试验。神户制钢正在兵库县高砂市试验“氢气供应控制系统”,寻找稳定供氢、减少浪费的方法。

六是构建国际氢能供应链。

今年2月,川崎重工和岩谷产业完成了液氢海运试验——澳大利亚褐煤转化的2吨液氢,用川崎重工建造的液氢运输船,长途跋涉9000千米到达日本神户机场岛的“Hytouch神户”——世界首个液化氢装卸基地。这是日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的示范项目,计划2023年后开始新的验证试验。

此外,三菱重工已参与美国犹他州氢能发电项目,三井物产有意同阿联酋阿布扎比国家石油公司开展液氢运输合作,东洋工程亦有意在印尼生产“绿氨”。

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