日本氢能社会构建的背景、实现路径及对我国的启示

摘 要： 日本为解决能源自给率低、福岛核事故带来的能源价格上升、应对气候变化等问题，提出了建设“氢能社会”的目标，并且提出了具体的实施路径、目标、政策措施、成本下降的路线图。在供应侧，拓展国际合作，通过与澳大利亚等国合作并采用可再生能源绿色制氢多元化氢能来源;在需求侧，推动燃料电池汽车、氢发电、固定式燃料电池等方面的应用，通过示范逐步实现氢能利用的商业化，建成“氢能社会”。

关键词： 氢能社会 绿色制氢 燃料电池 路线图

一、日本能源状况及面临的内外压力

日本能源高度依赖进口，2016年能源自给率仅为8%，在经合组织34个国家中排名第33位。不仅进口依赖程度高，而且进口来源相对单一，目前进口石油中仍有87%来自中东地区。上世纪70年代，日本遭受两次石油危机打击，暴露了日本能源系统的脆弱性，能源安全日益受到重视。日本政府在1979年实施了《节能法案》（Energy Saving Act）并且大力发展核电，以应对石 油危机。通过公共部门和私人部门的努力，1990年日本碳生产力水平达到全球最高，日本的能源效率比1970年提高了40%。 后来由于欧盟碳排放水平的不断下降，2000年左右，日本碳生产力水平排名开始后退，但仍处于全球前列。

2011年，东日本大地震引发了福岛核事故，日本核电站基本都被迫停运检修，国内对核电的依存度下降，对化石能源的需求上升。日本能源自给率从20%下降到最低的6%（见图1）。与此同时，电价水平也在上涨，日本的工业和商业电价水平是经合组织国家中最高的，为1829美元/MWh，相当于约128元人民币/kWh（见图2）。

全球应对气候变化对日本的影响日益凸显。《巴黎协定》规定了各国要进行自主减排，努力将全球温升控制在2℃以内，并尽力实现15℃温升以内的控制目标。虽然美国已退出了巴黎协定，但作为盟友的日本还决定实施国家自主减排计划，目标是2030年在2013年基础上减排26%，也就是意味着要减排31亿吨CO2，2050年减排80%。要实现这一目标，对日本来说挑战是很大的。

基于上述原因，日本提出了“第五次能源基本计划”，主要任务是降低化石能源依存度，加快发展可再生能源，重新制定核电发展政策，实现能源结构转型。计划面向的重点时间段是2030年，提出了相关的目标和任务重点，并对2050年长期能源发展指出了方向。能源计划“3E+S”的基本思想吸收了联合国2030年可持续发展目标和应对气候变化的原则，即能源保障、环境可持续、经济效率和安全，建立一个多层次、多元化、灵活性的能源供需系统。具体的目标是：2030年油气、煤炭自主开发比例分别达到40%、60%;零碳排放电力占比44%，其中可再生能源比重22%～24%，核电占比20%～22%;能源自给率提高到24%;新一代能源汽车数量提高到50%～70%，新建独立房屋实现零能耗，新建公共建筑实现零能耗。

二、构建氢能社会对日本解决能源问题的重要意义

日本要实现能源自主、保障能源安全，同时提高经济效率、促进环境可持续发展，构建氢能社会是实现这些目标的手段。氢能作为一种二次能源，可以与电、热二次能源系统互补，促进日本能源结构转型和可再生能源发展，实现日本国家自主贡献减排目标。

（一）氢能有利于降低日本能源系统的脆弱性

日本是一个群岛国家，没有输油、输气线路与其他国家相连，电网也相对孤立，无法与其他国家电网形成交互输送。其他大陆国家，例如丹麦、德国等一方面可以充分发展本国的可再生能源，另外一方面由于欧盟电网的充分连接，可以在可再生能源过剩时候向外输电，电力供应不足时购买国外电力，临近的挪威水电可以作为巨大的“绿色储能电池”，为可再生能源的间歇性、不稳定性提供补充。但日本完全没有这样的条件可以利用，核电和水电是目前可依赖的低碳能源。氢能来源广泛，日本可以通过国内外各种途径获得氢能，例如通过澳大利亚的褐煤制氢、氨作为氢载体、可再生能源电解制氢等多种方式多元化日本的能源供应，减少对中东油气供应的依赖，保障能源安全。

（二）氢能促进可再生能源消纳并提高占比

可再生能源成本在近几年急速下降，最低价格每度电可以达到几美分（风电3美分/kWh、光伏5美分/kWh），比化石能源的价格还要低很多。如果可再生能源的成本继续下降，那使用可再生电力进行电解水制氢在经济上就成为可行。虽然可再生电力制氢并不能提高日本的能源自给率，但是那些电网无法消纳的过剩可再生电力可以用来制氢，氢能就可以在能源系统中发挥储能的作用。特别是对于一些地区季节性过剩而非单日波动性过剩的情况，储能电池无法解决这个问题，氢能则可以很好地解决。

（三）氫能有助于实现日本碳减排目标

氢能在使用过程中没有碳排放，氢能供应过程的碳排放取决于氢的来源。日本现在正在与澳大利亚合作示范CCS+褐煤制氢项目，这样可以实现氢能供应阶段的零碳排放。氢能如果是可再生能源电解水制成，也没有碳排放。如前所述，氢能通过发挥储能作用有助于提高日本国内可再生能源占比，特别是在电力部门。目前电力部门碳排放占总排放比重为40%，是碳减排的重点领域。目前在交通领域，氢燃料电池大巴和叉车已经商业化，在卡车和轻型乘用车领域还需要补贴，但应用前景广阔。卡车碳排放占日本交通领域碳排放的36%，卡车可以充分发挥燃料电池车加注快、续航里程长的特点，在现有320万辆卡车上逐步推广。有些工艺过程或热利用过程很难电气化，氢能可以替代化石能源，或者通过热电联产的方式提供热能。总之，氢能在各领域都可以促进碳减排。

（四）氢技术已经成熟有待商业化推广

日本在2017年12月公布的《氢能基本计划》中提出，日本的氢能技术已经基本成熟，以后就是如何全面实施构建氢能社会。东京奥运会将会办成一场向全世界展示日本氢能社会发展成果的奥运会。福岛核事故后，除尽力进行恢复性建设外，福岛还将被打造成最大的氢能示范区域，将采用光伏电解水制氢，一方面满足福岛地区使用，另一方面为东京奥运会提供氢能。

三、日本氢能社会构建的内容及实现路径

日本现在已经有多种形式的氢能生产和使用试点示范，技术上已经基本成熟，下一步的工作就是逐步实现商业化。日本制定了详尽的目标、途径、政策措施的路线图，以及在哪些具体时间点上实现成本下降。

（一）日本构建氢能社会的三个阶段性目标

《氢能基本计划》中提出，通过以下三个阶段，日本逐步实现氢能社会，克服技术障碍，保障经济效率。

第一阶段：从现在开始，大力扩展氢能应用。增加固定式氢燃料电池和燃料电池汽车的使用，使日本在氢燃料电池应用方面领先全球。

第二阶段：2020年代后半段开始，全面引入氢发电和大型供氢系统。进一步提高用氢需求，扩大现有氢源，在电和热以外，建立氢二次能源系统。

第三阶段：2040年前，建立零碳的氢能供应系统。将制氢与CCS结合，或者可再生能源制氢，建立一个零碳的氢能供应系统。

（二）氢能供应链构建

在供应侧，建立有价格优势的国际氢能链。通过政府间、私人部門与政府之间合作，建立高效的氢能运输、储存系统。目前液态氢的运输和使用已经在日本国内有所展开，未来可以通过甲基环己烷、氨、甲烷等作为氢的运输载体，不同的运输方式各有优缺点。液态氢运输的优点在于，其技术方法与液化天然气（LNG）类似，但液氢比LNG温度更低，在海运、装卸和储存方面，需要建设新的基础设施。目前日本正在与澳大利亚合作，采用CCS+褐煤制氢并液化运到日本本土，目标是到2020年代中期到2030年左右实现商业化。甲基环己烷是氢体积的1/500，常温下是液体，有利于长距离运输，可以使用现有的运输方式运输、装卸等。日本正在与文莱合作，进行这类项目的示范，以满足2025年及以后的用氢需求。通过氨的方式运输储存氢，优点是比其他载体的氢密度高，小型规模即可实现低成本，可以直接用于发电，不需要脱氢过程，并且不排放CO2，但缺点是NOx的排放量很大，且氨是易燃有毒物品，安全方面需要更加注意。通过甲烷运输储存氢，可以直接用于发电，不需要脱氢过程，并且可以利用现有的市政燃气系统。但目前市政管道为了安全，在天然气中掺入味道气体，这种气体会使燃料电池催化剂失效，未来需要在这个方面进行突破。

（三）氢能需求端拓展

在需求侧，发展氢发电、燃料电池在交通领域应用以及氢在工艺过程和热应用。日本认为氢发电应该是未来氢最重要的应用方式，不仅可以提供电能，还可以作为调峰电源发挥作用。氢还可以与天然气混合使用进行发电，在氢能推广的初期，可以不改动发电厂基础设施的前提下使用。日本的目标是在2030年实现氢能发电的商业化，成本控制在17日元/kWh，相当于11元人民币/kWh。为实现这一目标，日本年购入氢要达到30万吨的规模，相当于装机容量1GW。中远期实现氢能发电与LNG发电具有竞争性，这要求氢购入规模为500～1000万吨，相当于15～30GW装机容量。交通领域是目前氢使用的重点部门，未来氢燃料电池汽车2020年要达到4万辆，其中燃料电池大巴500辆，2025年20万辆，2030年80万辆，其中燃料电池大巴1万辆。到2020年建设加氢站160座、2025年320座。现在已有基于可再生能源的示范加氢站，可以促进本地区可再生能源消纳，2020年前要建设100座可再生能源加氢站。另外，氢燃料电池还可以应用在叉车上且已经实现商业化，未来还有望应用于船舶、火车等交通领域。固定式氢燃料电池Ene-Farm的应用在2030年要达到530万套，并实现5年投资回收期。

（四）日本氢能发展的目标和政策路线图

日本的《氢能基本计划》和“氢及燃料电池战略路线图”对未来氢能发展的目标、方向、政策措施和成本都进行了规划，具体内容详见表1。

（五）日本氢能发展的相关技术成本路线图

氢能发展中有关成本下降的路线图详见表2。

四、对我国发展氢能的启示

日本制定“氢能社会”的目标与其资源禀赋以及能源状况是密不可分的。日本畸高的能源对外依存度、核电对于公众和社会的影响以及全球应对气候变化的压力，都是日本旨在改变能源结构、多元化能源供应的原因。可再生能源价格下降以及波动性给能源系统带来的冲击，也是日本发展氢能的重要推手。所以，这些既是日本面临的不利条件，也是日本决定建立一个“氢能社会”的机遇。

日本能源价格相对较高，客观上有利于氢能的发展。如前所述，日本能源价格是经合组织国家里最高的，电价达到13元/kWh，成品油价格约为10元/升。高企的能源价格一方面促进用能者主动进行能源节约，另一方面使其他替代能源容易进入市场。氢能其实在很多技术方面已经成熟，最重要的问题是经济性，日本的能源价格为氢能商业化提供了很好的机会。

2 PEFC为固体高分子型燃料电池，SOFC为固体氧化物燃料电池。

日本作为科技立国的国家非常重视前沿科技的发展。日本作为一个资源基本依赖进口的国家，二战后出现了经济腾飞，实现经济奇迹，最重要的因素就是人力资本和科技力量。能源技术是第四次工业革命的核心，日本也在尽力抢占能源技术的制高点，实现全球首个氢能社会。

应该充分认识到我国的资源禀赋是一个“富煤、贫油、少气”的国家，可再生能源虽然发展迅速，但2019年非化石能源比重仅占能源结构的153%，现阶段如果大规模发展氢能，来源仍然只能是化石能源，可再生能源制氢的规模和成本都不能满足市场需求。应该审慎对待氢能的大规模发展，可以在适宜的地区开展试点示范，加快氢能相关技术研发。

但应看到氢能是未来能源发展方向，应充分重视未来氢能源在我国能源体系中的定位，完善顶层设计。我国应充分借鉴日本、韩国、德国等国家的经验，将氢能与国家未来能源体系建设相结合，从国家能源战略层面明确氢能在我国二次能源、新能源及未来综合能源系统中的定位，组织利用好氢能产业链不同环节龙头企业、研究机构、产业联盟的力量，由政府牵头编制国家氢能中长期发展规划，制定中国特色的氢能产业发展路线图。

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〔本文受国家留学基金委“国际清洁能源拔尖创新人才培养项目2018”支持〕

（伊文婧，国家发展和改革委员会能源研究所）