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文/雍子惟，磐之石環境與能源研究中心
2015年全球達成應對氣候變化“巴黎協定”，全球應對氣候變化的形勢日漸緊迫，大多數國家都在積極發展低碳新能源，以實現其應對氣候變化的承諾。在發展風電和太陽能等可再生能源主流之外，氫能的發展也逐漸受到關注，因其具有高效、清潔以及便於規模化存儲等特點。一些國家和地區如美國、歐盟、日本和韓國等都在氫能基礎研究、應用研究方面進行了大規模投入，其中日本最為突出，日本政府制定了發展氫能和燃料電池的戰略路線圖。本文將簡要說明日本發展氫能的原因，並梳理髮展氫能的優勢和挑戰。
日本發展氫能的原因：國家能源安全和碳減排目標
2017年12月日本政府發佈“氫能基本戰略”，提出了氫能應用戰略步驟和目標。“氫能基本戰略”旨在實現氫能平價生產，建立涵蓋從生產到下游市場應用的整個供應鏈，除了燃料電池車還包括氫能發電、燃料電池船運、化工生產行業氫氣替代天然氣等應用。該戰略也闡明瞭日本大力發展氫能的原因，歸結起來主要是能源安全、環境保護、節約能源以及促進相關產業發展。下文就主要有兩點，一是能源安全考慮多樣化能源供給、提高能源自給率；二是構建深度脫碳的能源系統，實現減排目標。
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保障國家能源安全
日本的一次能源極度匱乏，工業生產和日常生活的能源都大量依靠進口。目前日本約94%的一次能源依賴從海外進口的化石燃料，大約87%的石油主要從中東地區進口。加上日本福島核電站事故的影響，核能在能源結構中的角色在弱化，日本能源自給率只有6%-7%[1]。為實現能源安全，提升產業競爭力，日本加快了發展可替代性能源的步伐。而氫能由於其能源高效性，清潔性以及製造源和製造方法多樣性，成為日本替代性能源選擇之一。
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有助於實現碳減排目標
日本在巴黎協定中制定了到2030年減少26%的碳排放（與2013年的排放量相比較）的目標。其中電力部門的排放佔總排放量的4成，但是基於目前日本發電依賴於煤電和核電，較低的可再生能源發電比例，實現這一目標挑戰較大。關於制氫路線，日本現階段主要是從化石燃料制氫，“氫能基本戰略”提出到2030年要確立國內可再生能源制氫技術，構建國際氫能供應鏈，長期目標是利用碳捕獲（CCS）技術實現平價化石燃料（如褐煤）的脫碳制氫和可再生能源制氫。因此，結合碳捕獲技術和可再生能源制氫技術，氫能成為日本實現碳減排目標的重要途徑。
圖1. 日本關於氫能和燃料電池的戰略路線圖
來源：Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)
氫能特點：高效、清潔、生產過程的高能耗
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氫能是高效率能源
單位質量的熱值來看，氫氣是汽油的三倍，是高能量密度的燃料。雖然氫氣的體積能量密度不高，現在成熟儲氫技術70MPa下的氫氣體積能量密度約為汽油的三分之一，如果低溫液態儲氫和儲氫合金技術能夠有突破，體積能量密度有望提高1.5-2倍[2]。氫能源既可以通過傳統熱機也可以通過燃料電池利用，燃料電池具有更少的能量損失，能量利用效率更高[3]。
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氫能具有規模化儲存的優勢
氫能作為二次能源，可以集中式、大規模、長時間儲存，如果廣泛應用可替代部分石油和天然氣，也可以在風電、光電、水電富餘或棄風、棄光、棄水較多的地區，以及城市電網峰、谷時段電力負荷差異較大的城市和地區，消納和儲存富餘電力或峰段電力。
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氫能在使用階段沒有汙染物排放
自然界中沒有純氫，需要通過其他能源輔助生產，從全生命週期來看，同樣要排放汙染物和溫室氣體。氫能對環境的影響與製備、運輸、儲存的各個環節相關，可選擇的技術路徑也很多。雖然商業上還沒有形成成熟的產業鏈，但有研究表明：在大規模運輸條件下，氫氣運輸環節的碳排放與能耗較小。氫氣的主要能耗來自生產過程[4]。化石燃料制氫的燃料電池車與傳統汽油車相比，氫燃料電池車可能有一定的節能減排優勢。但從全生命週期看，用可再生能源電解水制氫才能帶來顯著的環境和碳減排的效益。
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制氫過程的高能耗
目前主要工業制氫方法有化石燃料制氫、從工業副產物提取氫氣、可再生能源制氫等，目前來看，化石燃料制氫相對經濟成本更低。但隨著未來可再生能源的更大發展，可再生能源制氫的成本應具有競爭力。
從日本發展氫能和燃料電池的戰略路線圖（圖1）和日本大規模進口氫氣的計劃（圖2）來看，氫能將主要依賴進口。比如，在澳大利亞用煤氣制氫，再將氫氣運輸回日本。這種方式雖然減少了日本本國的碳排放量，但是增加了澳大利亞減排的壓力。當然這也與碳捕獲技術有密切的關係，如果有大規模成本有效的碳捕獲技術的應用，也許碳減排的目標可以實現，但是化石能源使用過程中造成的其他環境影響，如空氣汙染，不容忽視。因此，高耗能、高碳排放的氫氣生產會對全球碳減排和應對環境挑戰帶來巨大挑戰，需要進一步探討和研究較為清潔的制氫方式。下一篇氫能系列的文章中也將對制氫方式的能耗和碳排放進行說明。
圖2.日本大規模進口氫氣的計劃
來源：Innovation Norway
結語
日本的能源系統轉型需要首先考慮如何滿足其能源安全的需求，這涉及到如何多樣化其能源供給、並提高能源自給率，同時在履行氣候承諾的壓力下，日本開始發展深度脫碳的能源系統。氫能被視為日本能源系統變革過程中的重要一環。日本將氫能發展提升到國家能源戰略層面，以保障其國家能源安全和實現2030年減排目標，但其目前的制氫路線主要依靠化石燃料制氫，而大規模碳捕獲技術的運用仍有不確定性。因此，日本需要加快發展太陽能、風能等可再生能源，一方面改變能源結構中可再生能源佔比過低的現狀，另一方面探尋利用水電解來制氫的低碳方式。
本文為磐之石環境與能源研究中心原創文章，轉載請聯繫授權，並註明出處。
尾註：
[1]日本急於發展氫能的原因，能源界，Link：http://www.nengyuanjie.net/article/21862.html
[2]氫燃料電池和鋰電池比較分析-氫燃料電池和鋰電池分析，電子發燒友，Link：http://www.elecfans.com/yuanqijian/dianchi/20171123584423_2.html
[3]氫能源系列報告之一：產業化迎來真實導入期，信達證卷http://stock.stockstar.com/JC2018080600001029.shtml
[4]眸哲萱，郝瀚，劉宗巍，趙福全.車用氫能全生命週期碳排放綜述，2018中國汽車工程學會年會論文[J].p2134-p2138。
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