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、清潔以及便于規模化存儲等特點。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,并梳理發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月日本政府發布“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。該戰略也闡明了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。
1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%。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。而氫能由于其能源高效性,清潔性以及制造源和制造方法多樣性,成為日本替代性能源選擇之一。
2有助于實現碳減排目標
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占總排放量的4成,但是基于目前日本發電依賴于煤電和核電,較低的可再生能源發電比例,實現這一目標挑戰較大。關于制氫路線,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. 日本關于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
1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。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]。
2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、水電富余或棄風、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,消納和儲存富余電力或峰段電力。
3氫能在使用階段沒有污染物排放
自然界中沒有純氫,需要通過其他能源輔助生產,從全生命周期來看,同樣要排放污染物和溫室氣體。氫能對環境的影響與制備、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。但從全生命周期看,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。
4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系,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,如空氣污染,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、并提高能源自給率,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占比過低的現狀,另一方面探尋利用水電解來制氫的低碳方式。(文/雍子惟,磐之石環境與能源研究中心)
標簽:日本 氫能 能源安全 碳減排