日本发展氢能的原因：国家能源安全和碳减排目标

2017年12月日本政府发布“氢能基本战略”，提出了氢能应用战略步骤和目标。“氢能基本战略”旨在实现氢能平价生产，建立涵盖从生产到下游市场应用的整个供应链，除了燃料电池车还包括氢能发电、燃料电池船运、化工生产行业氢气替代天然气等应用。该战略也阐明了日本大力发展氢能的原因，归结起来主要是能源安全、环境保护、节约能源以及促进相关产业发展。下文就主要有两点，一是能源安全考虑多样化能源供给、提高能源自给率；二是构建深度脱碳的能源系统，实现减排目标。

保障国家能源安全

日本的一次能源极度匮乏，工业生产和日常生活的能源都大量依靠进口。目前日本约94%的一次能源依赖从海外进口的化石燃料，大约87%的石油主要从中东地区进口。加上日本福岛核电站事故的影响，核能在能源结构中的角色在弱化，日本能源自给率只有6%-7%[1]。为实现能源安全，提升产业竞争力，日本加快了发展可替代性能源的步伐。而氢能由于其能源高效性，清洁性以及制造源和制造方法多样性，成为日本替代性能源选择之一

有助于实现碳减排目标

日本在巴黎协定中制定了到2030年减少26%的碳排放（与2013年的排放量相比较）的目标。其中电力部门的排放占总排放量的4成，但是基于目前日本发电依赖于煤电和核电，较低的可再生能源发电比例，实现这一目标挑战较大。关于制氢路线，日本现阶段主要是从化石燃料制氢，“氢能基本战略”提出到2030年要确立国内可再生能源制氢技术，构建国际氢能供应链，长期目标是利用碳捕获（CCS）技术实现平价化石燃料（如褐煤）的脱碳制氢和可再生能源制氢。因此，结合碳捕获技术和可再生能源制氢技术，氢能成为日本实现碳减排目标的重要途径。

图1. 日本关于氢能和燃料电池的战略路线图

来源：Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)

氢能特点：高效、清洁、生产过程的高能耗

氢能是高效率能源

单位质量的热值来看，氢气是汽油的三倍，是高能量密度的燃料。虽然氢气的体积能量密度不高，现在成熟储氢技术70MPa下的氢气体积能量密度约为汽油的三分之一，如果低温液态储氢和储氢合金技术能够有突破，体积能量密度有望提高1.5-2倍[2]。氢能源既可以通过传统热机也可以通过燃料电池利用，燃料电池具有更少的能量损失，能量利用效率更高[3]。

氢能具有规模化储存的优势

氢能作为二次能源，可以集中式、大规模、长时间储存，如果广泛应用可替代部分石油和天然气，也可以在风电、光电、水电富余或弃风、弃光、弃水较多的地区，以及城市电网峰、谷时段电力负荷差异较大的城市和地区，消纳和储存富余电力或峰段电力。

氢能在使用阶段没有污染物排放

自然界中没有纯氢，需要通过其他能源辅助生产，从全生命周期来看，同样要排放污染物和温室气体。氢能对环境的影响与制备、运输、储存的各个环节相关，可选择的技术路径也很多。虽然商业上还没有形成成熟的产业链，但有研究表明：在大规模运输条件下，氢气运输环节的碳排放与能耗较小。氢气的主要能耗来自生产过程[4]。化石燃料制氢的燃料电池车与传统汽油车相比，氢燃料电池车可能有一定的节能减排优势。但从全生命周期看，用可再生能源电解水制氢才能带来显著的环境和碳减排的效益

制氢过程的高能耗

图2.日本大规模进口氢气的计划

来源：Innovation Norway

结语

日本的能源系统转型需要首先考虑如何满足其能源安全的需求，这涉及到如何多样化其能源供给、并提高能源自给率，同时在履行气候承诺的压力下，日本开始发展深度脱碳的能源系统。氢能被视为日本能源系统变革过程中的重要一环。日本将氢能发展提升到国家能源战略层面，以保障其国家能源安全和实现2030年减排目标，但其目前的制氢路线主要依靠化石燃料制氢，而大规模碳捕获技术的运用仍有不确定性。因此，日本需要加快发展太阳能、风能等可再生能源，一方面改变能源结构中可再生能源占比过低的现状，另一方面探寻利用水电解来制氢的低碳方式。

尾注：

[1]日本急于发展氢能的原因，能源界，Link：http://www.nengyuanjie.net/article/21862.html

[2]氢燃料电池和锂电池比较分析-氢燃料电池和锂电池分析，电子发烧友，Link：http://www.elecfans.com/yuanqijian/dianchi/20171123584423_2.html

[3]氢能源系列报告之一：产业化迎来真实导入期，信达证卷http://stock.stockstar.com/JC2018080600001029.shtml

[4]眸哲萱，郝瀚，刘宗巍，赵福全.车用氢能全生命周期碳排放综述，2018中国汽车工程学会年会论文[J].p2134-p2138。

作者：雍子惟   编辑：赵昂、林佳乔、袁雅婷