氢能在日本能源发展战略中的地位与作用

顾阿伦 孟翔宇 刘滨 周剑

摘要：日本把氢能列为与电力和热能并列的核心二次能源，提出了在中长期内构建“氢能源社会”的目标。本文对日本能源发展与氢能发展历程进行了綜述，探讨了日本氢能发展的主要特点、构建“氢能社会”的政策部署，总结了氢能在日本能源发展战略的重要地位与作用。

关键词：氢能日本能源发展战略

作为未来可替代化石能源支撑世界经济发展并保护环境的清洁能源，氢能具备资源丰富、燃烧热量大（是汽油发热量的3倍）、环保效益好、具有较高的经济效益、用途广泛等特点。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。氢能是理想的清洁高效的二次能源，随着制氢、氢能储运及燃料电池技术的发展，氢能将成为其他新能源和可再生能源的最佳载体。

一、日本能源发展战略

（一）日本应对气候变化和环境问题的挑战

日本能源严重缺乏，而且对化石能源的依赖程度也较高，能源供应安全问题一直是日本能源发展的重要问题。由于日本核电发展的停滞，使得日本能源自给率从2010年度的20%下降到2018年的8%左右，在OECD国家中也是比例偏低的。同时，2015年的《巴黎协定》确定了温升控制在2度的目标，这意味着2050年全球温室气体排放总量必须下降50%左右，本世纪后半叶全球必须实现零碳排放[1]。日本确定了温室气体排放到2030年要比2013年削减26%，到2050年则要削减80%，日本也面临着一定的减排压力。

（二）日本脱碳的能源规划与政策

面对复杂变化的能源形势，日本经济产业省制定了第五期《能源基本计划》，提出了面向2030年和2050年的能源中长期发展战略，主要是降低化石能源依赖度，加快发展可再生能源，重新制定核电发展新政策，推动日本能源转型。其能源政策的基本思想是3E+S，也就是以能源安全性（Safety）为前提，把保障能源供应稳定供给（Energy Security）放在首要位置，把提高经济效率（Economic Efficiency）实现低成本的能源供给的同时，可以实现环境的协调发展（Environment Suitability）。预计到2030年实现零排放电力占比44%的目标，其中可再生能源在总发电量中的占比要提升到22%-24%，核电占比要下降至20%-22%，二氧化碳排放量下降至93亿吨，提高能源自给率到24%。到2030年以发展氢能战略为基础，对相应的制度和基础设施等进行战略性的调整。

二、日本氢能发展历程

为破解日本能源发展所面临的过度依赖海外化石能源、可再生能源发展瓶颈的制约、核电恢复重启困难以及减排目标压力大等突出问题，日本对于氢能这种优质能源投入了极大的热情和关注度，视氢能为提高能源安全保障与应对全球气候变化政策的重要手段，提出了构建“氢能社会”的国家战略及发展路线图。日本氢能开发利用已经有40多年的历史，具体可分为三个阶段：

第一阶段，自20世纪70年代至90年代末期。自70年代经历过石油危机之后，日本开始着手研究氢能。始于1974年的“阳光计划”及其后的“月光计划”均将氢能与燃料电池列入计划的重点研发课题，此阶段日本氢能发展以基础研究为主，但自1993年至2002年实施“氢能利用国际能源网络”项目（World Energy Network， WE-NET）时，形成了第一次氢能开发热潮。此项目重点研究以氢为二次能源载体，推动可再生能源利用的国际化。

第二阶段，自2002年至2011年，其标志为2001年1月出台的《燃料电池实用化战略研究会报告书》，其中表明日本氢能产业发展目标重点由大规模利用海外可再生能源制氢，再运往日本用作发电燃料的构想，转向氢燃料电池的开发和实际应用[2]，从2002年到2011年实施了日本氢能和燃料电池项目（Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project， JHFC），重点检验了燃料电池和加注技术的可靠性。

第三阶段，自2012年至今，日本逐渐掀起第三次氢能开发和利用的高潮，其标志为2014年“氢能和燃料电池战略路线图”的出台。该路线图详细勾画了日本未来氢能产业发展的步骤，为未来日本的“零碳能源”的设想提供了实现途径，成为近年来日本氢能计划出台的基础。

三、日本氢能战略

（一）日本氢能战略构成

日本氢能的战略主要从三个层面上进行规划。第一个就是国家宏观层面：2013年日本把发展氢能源提升为国策，并启动加氢站建设的前期工作，2014年日本经济产业省的《第四次能源基本计划》中，提出将氢能源定位为与电力和热力并列的核心二次能源，并提出建设氢能社会的愿景，主要的措施包括：（1）扩大固定式燃料电池的利用和普及;（2）加快燃料电池车市场推广;（3）加强氢燃料电池发电等新技术研发以推动氢能利用和普及;（4）推进制氢、储氢、运氢技术研发以建立稳定的氢燃料供给体系;（5）研究制定实现氢能社会发展战略的路线图。并在后续的《氢能/燃料电池战略发展路线图》中，详细描述了氢能源研发推广的三大阶段以及每个阶段的战略目标。

第二个层面可以视为是城市级别。2014年10月，东京都宣布东京将全面推进“氢能社会”建设，把2020年东京奥运会办成一场向全世界展示日本氢能社会发展成果的盛世[3]。2015年2月，出台了东京都实现氢能社会的报告;进而在2016年3月，颁布了东京都市环境总体规划，东京都设计了雄心勃勃的温室气体减排和可再生能源利用的目标，如图1所示，鼓励公众、商业企业和其他利益相关方广泛参与实现以上的目标。

第三个层面就是企业层面。日本企业对于燃料电池技术的开发利用十分积极，2015年日本丰田公司宣布了《丰田环境挑战2050》，计划2020年丰田燃料电池车（FCV）在全球销量3万辆以上，为2020年东京奥运会及残奥会预备100多辆燃料电池大巴（FCB），2020年全球新车平均行驶里程中CO2排放量与2010年相比，削减22%以上，到2050年削减90%。

（二）日本氢能社会构建

日本提出的所谓“氢能社会”，是指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，且氢能将与电力、热力一起构成二次能源的三大支柱。近年来，日本明显加快了创建“氢能社会”的步伐，继“氢能元年”后，根据既定的战略目标和路线图，2020年被定义为“氢能奥运元年”，2025年被定义为“氢能走出去元年”，2030年被定义为“氢燃料发电元年”。为了向世界展示日本的氢能方案，日本政府采取了各种政策措施培育和发展氢能产业。其一是放松管制，降低门槛，扫平各类制度性障碍，激活民间资本对氢能产业的投资;其二是加大技术开发投入，突破关键技术，因地制宜设立氢能示范城市和示范基地;其三，通过绿色电力证书、碳交易制度促进零碳氢燃料的市场交易，以充分反映零碳氢燃料的推广利用和普及，重点对燃料电池和加注站进行补助扶持等。日本发展氢能初期，补助政策主要包括对于家用燃料电池、燃料电池汽车以及加氢站的补助[4]，这三个补助政策基本上都是从刺激氢能的利用的链条上发挥作用。

1家用燃料电池补助政策。政府设立了“民用燃料电池补助金”制度对消费者进行补助。2009年每台补助高达140万日元，随着技术进步和量产化，以及机器成本的降低，政府补助金额每年不断下调，2014年度固体高分子型燃料电池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC）每台最多补助38万日元。政府原计划到2015年全面退出，但为进一步推广普及家用燃料电池，2016年度开始又继续推行新的补助制度，补助设定基准价格和最高限价（包括设备费和安装费），促使厂家逐年递减市场价格。2016年度的基准价格设定是PEFC为127万日元，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）设定为157万日元，最高限价PEFC设定为142万日元，SOFC设定为169万日元;低于基准价格的PEFC和SOFC分别补助15万和19万日元，高于基准价格但低于最高限价的PEFC和SOFC补助金额减半，分别补助7万和9万日元;超过最高限价则不得进行补助。另外，各地方政府对于本地消费者也有不同的补助。

2燃料电池汽车补助政策。2014年12月，丰田燃料电池汽车在全球市场公开销售，车辆含税价格为724万日元。日本政府制定了“清洁能源汽车补助金”制度，每台补助车价三分之二的差额，其中豐田Mirai为202万日元，本田Clarity为208万日元。用户还可享受新能源汽车的减免税优惠，消费者实际购入价格约为500万日元。另外，地方自治体对购入燃料电池汽车也进行部分补助。东京都再另行补助日本政府补助额的一半，每台补助约100万日元。爱知县则另行补助日本政府补助额的三分之一，每台补助约为76万日元。

3加氢站建设补助政策。政府设立“燃料电池汽车加氢站建设补助金”制度，每个加氢站补助15亿—28亿日元。与此同时，为减少加氢站的建设成本，对高压气体安全法、建筑基准法、消防法等涉及加氢站建设相关法规进行修订，放宽对加氢站建设的限制，例如一定条件下取消对储氢容器放置安全距离的限制，可用纤维强化塑料制造氢压力容器等。

（三）日本氢能技术发展重点

日本要实现“氢能源社会”，应克服的技术课题广泛存在于从基础到实用化以及氢能源制造、运输和储藏和使用等方面，需要产业、研究机构和政府明确分工，共同承担。

1规模化制氢、运输和储藏。实现氢的规模制造是氢能源应用的基础。目前常用的制氢方法主要有伴生氢、电解水、生物质制氢、高温分解和光催化剂等。每种制氢过程各有优缺点，存在排放CO2的问题，受可供应量和成本问题等的制约，如表1所示。

短期内由于日本本土自然资源的限制，日本更加倾向于从海外进口氢气，目前考虑的两个氢能进口渠道一个是澳大利亚煤制氢，另一个加拿大水电制氢。目前，澳大利亚已经启动试点项目，预计2020年中期开始运行。按照《氢和燃料电池战略路线图》，2030年前日本将实现氢海外进口量达到200亿～300亿标准立方米。日本模型情景研究的结果显示，若在2050年实现比1990年削减65%的减排量，需要进口氢气大约816亿标准立方米，若进一步提高减排水平到75%，则需要进口2330亿标准立方米，从引进规模和成本角度看，引进氢能的主要将是发电部门[5]。

氢的规模运输和储藏是氢能源应用的关键。日本的氢能源运输主要有液化氢、有机物甲基环己烷和氨气运输三种方式[6]。高压储罐的大型化、防止蒸发气体、氢压缩机以及加氢站建设材料防腐等存在技术困难和原料成本高的问题。此外，加氢站的定期安全检查需要长达半个月的时间，其间存在不能营业的问题。

2降低燃料电池的成本，提升耐用性，扩大使用范围。虽然燃料电池的成本与刚上市阶段相比已经有了一定的降低，目前，日本家用燃料电池包括安装费在内消费者需承担的费用约为150万日元，比销售初期的价格下降了一半，但是从降低用户的成本负担和缩短成本回收期来看（2020年实现7～8年回收成本，2030年实现5年回收成本[7]），还需进一步降低燃料电池的成本。燃料电池车的燃料电池系统在推出初期阶段的电解质膜、在普及阶段的催化剂和绝缘材料的成本占比较大，需要重点降低其成本。

此外，需要提高燃料电池的耐用性。2017年产业用燃料电池将在已普及的磷酸型燃料电池的基础上推出发电效率更高的固体酸化型燃料电池。只有成本降低、性能提高，才能使燃料电池的使用范围进一步扩大，例如用在铲车、船舶和摩托车，以及火车、出租车和公交车等公共交通领域。

3降低氢燃料的价格，增加加氢站的数量。氢燃料价格最终的目标是与汽油价格持平。目前，日本加氢站的氢燃料成本的60%为加氢站的建设和经营费用，因此，第一步措施就是要把该比例至少降至50%。日本加氢站的建设费用约为4亿～5亿日元（供应能力为340标准立方米/小时的固定式加氢站），因建设材料和标准的不同，比欧美同等加氢站的建设成本高15亿日元。除了降低成本，加大建设投资，还要进一步推进箱式加氢站和移动式加氢站的建设，前者成本相对较低且集造氢装置、压缩机、液压储压器等主要设备于一体，后者可在不同地区灵活提供服务。

四、结论与启示

第一，日本大力推行氢能社会与氢能技术主要是由于其能源资源的严重匮乏，能源高度依赖进口。日本国土面积小，可再生资源利用规模也不高，目前核能是否能够重启，还具有一定的不确定性，天然气尽管是清洁能源，但是并不是真正的绿色能源，因此若要实现全球应对气候变化的总目标，实现2050年零排放，则日本必然要选择另外的能源供给技术，因此氢能则成为了必然的选择之一。

第二，日本国内为了打造氢能广泛利用的氛围，密集出台了氢能规划和能源规划等相关的战略部署，可以看到，日本的氢能社会不仅仅是能源战略，也是整个经济产业的战略部署，除了能源供给和能源技术的以外，还包括家用和交通的等多渠道的利用方式。日本培育氢能产业链的发展，可以带动整个经济的发展，预计到2030年日本氢能源将达到1万亿日元的市场规模，2050年将达到8万亿[8]。整个氢产业链上的零部件、材料等相关行业的发展，还可以带动与扩大劳动力市场的雇佣，这些因素也是日本想培育氢能产业发展，引领世界技术发展的关键所在。

第三，尽管日本制定了雄心勃勃的氢能战略与氢能规划，但是对于未来如何大规模刺激氢能的消费，平衡好氢能供给能力还是具有较大的障碍与挑战。迄今为止，世界上仅有日本将氢能設定为国家未来的主要能源利用方式。但是目前氢能的实际利用比例还非常低，规模也不大。同时如果日本进口大量的非可再生能源来源的氢气，则其构建氢能社会的初衷也会大打折扣，只有实现零碳氢燃料的氢能的生产与消耗，才能构建真正意义的氢能社会。2019年3月，日本经产省又更新了其现有的氢能和燃料电池战略路线图，不断夯实其技术规范和成本细分的目标以及实现这些目标的主要政策措施，还新增加了全球氢能社会构建的目标与行动，这一点充分体现了日本视氢能不仅仅是解决能源问题的途径与手段，也成为日本通过氢能社会构建，引领全球氢能技术以及提升其全球经济和技术竞争力的重要手段。

参考文献：

[1]陈向国《巴黎协定》与我国低碳转型——何建坤：小低碳，就会成为经济社会发展的刚性制约[J]节能与环保，2016（1）：16-19

[2]燃料電池実用化戦略研究会[R]燃料電池実用化戦略研究会報告書，2001

[3]エネルギー基本計画[R]2014

[4]苏树辉，毛宗强，袁国林等主编国际氢能产业发展蓝皮书（2017）[D]北京，世界知识出版社，2017

[5]日本能源经济研究所为实现2050年低碳社会的目标下定位氢能及其引进前景[Z]2013

[6]佐藤弘幸水素ネットワークの夜明け[J]知的資産想像，2015（12）：44-55

[7]日本再興戦略[R]2013-6-14

[8]日本新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）氢能源白皮书[R]

〔本文系科技部国家重点研发计划（项目编号：2016ZX05040-001）;国家自然科学基金项目（项目编号：71573145）阶段性成果〕

〔顾阿伦（通讯作者），清华大学能源环境经济研究所。孟翔宇，东莞深圳清华大学研究院创新中心，深圳清华大学研究院。刘滨，清华大学能源环境经济研究所。周剑，清华大学能源环境经济研究所〕