日本氢能战略的展望和课题──2050年实现碳中和的关键是电气化、氢化

Original AIpatent AIpatent 前沿研发信息介绍平台 2022-06-12

收录于合集

点击上方蓝色字体，关注我们

本文4749字，阅读约需12分钟

摘要：本文为日本国际环境经济研究所理事、主席研究员，并且被任命为经济产业省氢与燃料电池战略委员会委员的竹内纯子对日本氢能战略的展望和课题进行的重新整理，以及对于2050年实现碳中和的个人见解。

关键字：碳中和、日本氢能战略、电气化、氢能、氨、氢载体、绿色增长战略

2020年12月，日本经济产业省发布了《2050年碳中和绿色增长战略》。虽然该战略因涉及各方利益、无具体性，收到各种批评，但是笔者（文中均指竹内纯子）认为值得称赞的是，面对30年后实现碳中和这一巨大挑战，需要组合和发展所有相关技术，而该战略中明确提出将电力部门的脱碳化和非电力部门（部分燃料和原料，实际上是需求侧的对策）的“电气化、氢化”作为脱碳化的战略支柱。

特别重要的是，该战略强调了需求对策的重要性。鉴于此前的能源政策均偏向于供给对策，因此可以说该战略是一个重大的政策转换。笔者认为，供给侧和需求侧的对策就像是车的两个轮子，而此前对需求侧的讨论很少，因此笔者对于这种改变表示欢迎。

但今后必须要细分实现此战略的对策。笔者目前被任命为经济产业省氢与燃料电池战略委员会的委员，该委员会对氢能技术的相关企业进行了广泛的采访，包括其技术前景、成本预测、所需要的政策措施，并加快讨论，以期制定下一个能源基本计划以及修订氢基本战略。目前已有关于此战略的中期报告，在此，笔者对日本氢能战略的展望和课题进行了重新整理。

氢能技术对于日本的意义

在2020年12月25日日本政府发布的政府成长战略会议资料中，氢被描述为“广泛应用于发电、工业、运输等领域的碳中和关键技术”。大量的低碳化理论是指要同时全面推进需求侧的电气化和电力的低碳化。笔者在2017年9月发表的《能源工业向2050年Utility3.0的变局》（日本经济新闻出版社）中表示，在针对2050年减排80%这一目标的估算中，如果在陆地运输、家庭和民生部门以及工业中将全部未满100℃的热量电气化，并利用低碳电力（包括大规模水力在内的可再生能源以及核能）供给该电力需求的65%，就可削减72%左右的CO₂。但是，要实现2050年温室效应气体净零排放，必须使用氢作为火力发电的燃料，以提供难以电气化的高温热需求和调整力，同时必须使用氢代替作为石油化学工业和钢铁业等原材料的化石燃料。

另外，考虑到日本的可再生能源与其他国家相比成本高、且核发电的利用非常困难等因素，利用氢能的意义更大。期望在推进电气化和电力低碳化理论的同时，促进氢相关技术的开发和普及，并且通过在国际上普及日本企业多年一直致力于开发的氢相关技术，为日本的经济增长做出贡献。

现阶段，很多技术仍处于实证阶段，因此关于通过技术开发的推进预计能降低多少成本，目前还存在很多不确定性。但今后，所有的方案都会被逐一探讨。在2020年12月25日发布的《2050年碳中和绿色增长战略》^注1）（以下简称“绿色增长战略”）中，提出了14个重点产业，当然氢能也包含其中。在下一章，笔者将对包括当前绿色增长战略在内的日本政府氢能战略中应该注意的课题进行梳理。

作为氢能的氨

在绿色增长战略的“能源相关产业”中，同时列出了“燃料氨产业”和“氢能产业”。虽然氨和氢是不同的物质，但氨是由氢合成的，因此笔者认为基本上应该看作一种能源。

氢是地球上最轻的元素，是密度较小的气体，因此在运输和使用时需要一种被称为“载体”的物质。而氨既可作为氢的载体，又可作为燃料直接使用，极具便利性。而且，由于氨是化学肥料等的原料，在国际上已建立有供应链。燃料氨作为氢的能源载体，其基础设施比液氢完善，不仅适用于过渡期，还可成为具有可持续性的有用技术。

但是，由于氨是具有剧毒性的有害物质（有毒有害物质控制法），因此关于其使用也存在反对意见。不过，氨具有起燃温度高、火势蔓延慢等特点，因此在美国并没有将氨归类为易燃或易爆物质^注2）。氨具有强烈的臭味，但在安全性方面已经采取了充分的措施，笔者认为，在现有的多个氢载体中，氨在降低成本的前景和技术熟练度方面具有一定的优势，因此扩大其使用需求的可能性非常大。

表1 氢载体的特点

出自：日本经济产业省氢与燃料电池战略委员会中期总结

另外，在氢能产业中，列出了液氢的运输船，但氨气运输船的技术难度较小。关于氨，有卸货后热分解氨使之脱氢的技术，所以需要从运输的角度进行比较，选出合理性更高的方式。

此外，从⑦船舶产业（绿色增长战略中14个产业之一）中用于实现碳中和的相关产业来看，氨作为船用燃料也备受期待^注3）。当然，和陆地运输一样，船舶燃料也应该做到适材适所，若是超过500吨的货船或集装箱船等船舶，普遍认为使用氨作为燃料是可行的。如若这样，燃料氨作为“过渡期的燃料”会给人一种不协调的印象。如果不能从上游（供给侧）到下游（需求侧）来判断技术优势的话，整个政策就无法成为高效的碳中和战略。不管怎样，在绿色增长战略的实施阶段，应该认真研究氢能源的整体利弊。

如何降低成本

能源政策相关人员普遍认为，能源归根到底只是一种手段，其受成本支配。笔者经常在媒体上看到“虽然存在成本问题”这样轻描淡写的表述，但实际上成本是左右需求者使用与否的极其重要的因素。即便只是增加了一点点的成本，也能成为阻碍引入的充分理由。笔者试图通过比较日本在2017年在世界范围内率先发布的氢能战略和2020年发布的EU氢能战略^注4），考虑一种降低成本的途径。

在日本于2017年制定的氢能战略中，在第1阶段（2017年～），通过普及固定式燃料电池和FCV来扩大氢能的利用；在第2阶段（2020年代后半期～），促进氢能发电和大规模供给系统的建立；在第3阶段（2040年左右），建立无CO₂供氢总系统。在初期阶段，从消费者身边导入氢能技术。

但是，欧盟去年发布的氢能战略的构想是，在第1阶段（2020～2024年），推进石油精炼、化工业等现有产业的能源绿色化并扩大部分商用车（公交车等）的需求；在第2阶段（2025～2030年），扩大部分钢铁行业和运输部门（卡车等）的需求；在第3阶段（2030～50年），实现其他运输部门（航空和船舶等）和所有产业的氢能利用，完成向可再生能源氢的转换。第1阶段的具体内容是，“在该阶段，需要扩大包括大型（最大100MW）电解设备在内的电解设备的制造规模。这些电解设备可以安装在大型炼油厂、钢铁厂、化学联合厂等现有需求中心的附近”。

日本率先开发固定式燃料电池和FCV等与消费者日常生活相关的氢能技术，并利用其优势，但是，要想快速降低制氢成本，最快的方法可能是先促进BtoB的大规模利用，而后再扩大到BtoC。在运输方面，欧洲考虑利用现有的燃气管道，有可能很大程度上抑制氢能源物流方面的额外投资。在日本，正在讨论一种与欧洲不同的方法，即为有效利用燃气管道，优先考虑碳循环甲烷（甲烷化甲烷）。需求侧的很多设备可直接利用，因此可以抑制需求侧的额外投资，但是在碳循环中，只要燃烧甲烷就仍然会排放CO₂。政府和相关团体必须努力确保在国际标准中认可碳循环甲烷是不排出CO₂的燃料。

除此之外，日本今后为了在降低氢成本的国际竞争中脱颖而出，需要从现在就开始部署战略。

如上一章所述，有必要通盘考虑氢能源从上游（供给侧）到下游（需求侧）的整体利用。重要的是利用现有基础设施运输氢能源，这一点在氢与燃料电池战略委员会的中期报告中已被深刻地意识到。例如，在发电领域利用氢和氨的话，现有的大多数燃气轮机发电设备可以继续使用，关于导入标准热量制以增加甲烷化合成甲烷等在现有燃气管道中的注入量的问题，经济产业省在“面向2050年的燃气事业现状研究会”^注5）上进行了讨论。目前，有必要同时探讨燃气管道的利用（氢的混合）和现有化石燃料需求的转换，例如，将来在工业领域，通过将燃气管道用作氢管道来实现沿海地区的高端化等。如不扎扎实实地推进每一个探讨，降低成本将永远无法实现。

图1 绿色增长战略各领域的实施计划

出自：《2050年碳中和绿色增长战略》

如何制氢？

氢可以通过很多方式制得，包括利用零排放电力的水电解，在石油精炼厂和钢铁厂等产生的副产氢（目前日本国内生产的副产氢约为193.2万吨/年左右），以及化石燃料的改质等。参照IEA的“The Future of Hydrogen”的整理可知， “Black Hydrogen”是指通过煤炭制造的氢气，“grey Hydrogen”是指通过天然气制造的氢气，“brown Hydrogen”是指通过褐煤制造的氢气。“Blue Hydrogen”虽然是通过化石燃料制造的氢气，但是会通过碳捕获、利用与封存（CCUS）抑制CO₂排放，“Green Hydrogen”是通过由可再生能源产生的电力制造的氢气。

使用生物质和核电制造的氢气在颜色上没有区别。这可以说是极其欧洲的想法。近年来，欧洲对氢利用的关注度快速提高的现实背景是，随着以风力发电为中心的可再生能源的导入，有必要开发一种吸收剩余电力的方法。但是，并不是所有国家已处于这种状况或能达到这种状况。

日本环境省发布的“日本可再生能源导入潜力”^注6）中表示，日本存在着现在电力需求最大2倍左右的潜力。虽说这只是一个估算，但关于作为主要潜力的海上风力，根据可再生能源海域利用法对目标海域进行详细分析后发现，我们只能期待环境省表示的潜力中的约20%^注7）。为了增加日本国内的可再生能源，有必要提出一种创新性想法，例如，将专属经济水域广泛用作风力发电场等。

当然，考虑到在成本效果上直流输电的有利距离是有限的，而且日本的电力设备暴露在海洋上会有安全保障方面的风险，因此并不能草率地推荐该方法。但是必须意识到，日本在2050年实现碳中和的难度要比其他国家高，因此必须考虑适合日本自身的方法。至少应该意识到，氢能战略的最终形式，即获得大量利用可再生能源的剩余电力是相当困难的，需要花费大量时间。

如此一来，在日本2017年发布的氢能战略中，平等对待蓝氢和绿氢是大前提，此外，需要面对如何处理与可再生能源同等重要的零排放电力——核能。简而言之，与欧洲、美国等相比，更应该严格地权衡利用核能的风险和气候变化的风险。

很多政府相关人员都在苦恼如何在目前正在重新评估的能源基本计划中描述核能，但是如IEA和EU所表明的那样，如何在考虑氢能的情况下定位核能也是一个因素。

应该也有读者已注意到，这里的表述是“核能”，而非“核能发电”。核能狭义地指电力公司的技术，但核能发电仅仅是利用核能产生的热，即利用核能的热量使水沸腾，然后利用水蒸气驱动发电机运转。氢也可通过水电解来制得，如果能够供给高温热量，则也可通过水的热分解直接制氢。此方式为利用高温燃气炉直接制氢。换句话说，核能既可以产生电，也可以产生氢这样的气体能量。日本内阁“战略性创新创造项目（SIP）”等的讨论中明确了很多存在的技术性课题，但是如果要推进为实现碳中和社会的电气化和氢化，有必要脱离现有概念的束缚讨论日本的能源政策，包括作为燃气事业的核能利用。

如果仅仅陈述对新技术的期待，那只不过是把课题推迟到了未来。面向2050年碳中和，不仅仅需要学术界和工业界提供广泛的知识，同时还需要政府做好思想准备。

总结

很多氢相关技术还处于实验和实证阶段。例如氢还原制铁也是技术之一，多多少少有些报道和构想还比较领先。作为碳密集型产业的钢铁产业可能备受来自金融界的强烈期待亦或压力，或者从很多日本海外钢铁公司经常听到技术马上就要实现了。日本的报道也有此倾向^注8），但是必须意识到，要把在小规模实证设备上验证成功的技术转移到商业设备的规模需要相当长的时间。在此过程中会出现大大小小各种各样的课题，这些课题也需要关注并妥善解决。例如氢还原制铁技术可能会引发争相抢夺高纯度铁矿石的问题。如果采用高炉，铁矿石中的杂质会溶解形成矿渣漂浮在表面，如果采取直接还原，杂质无法溶解，因此不能除去杂质。因此，需要相当高纯度的铁矿石。类似这种课题也亟待解决。

但是，总体来说，为实现碳中和这一目标，必须利用氢能技术，日本也有领先于其他国家开展氢能技术开发的优势。日本政府以创造跨领域创新为目的而制定的内阁府“战略性创新创造方案（SIP）”中，从第1期（2014～18年）开始氢就作为主要主题。私营企业长年从事研发的例子也很多。笔者期待今后能够着重于氢能技术的开发和普及，以代替化学燃料满足占最终能源消耗约7成的燃料直接燃烧的需求。还有全球领先的例子，例如山梨县米仓山和福岛县浪江町等。

这样大规模的社会变革自然会存在很多课题。将2050年碳中和作为日本的成长战略，笔者期待新的氢能战略。

注释：

注1）：

https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/suiso_nenryo/pdf/019_01_00.pdf

注2）：《碳中和实施战略电气化与氢和氨》（能源论坛社）

注3）：去年6月，伊藤忠商事株式会社宣布已与新加坡法人VOPAK Terminal Singappore Pte Ltd（世界上屈指可数的石油、化学制品物流销售公司）达成协议，将共同研究在新加坡建立氨燃料的进口供应链。

https://www.itochu.co.jp/ja/news/press/2020/200612.html

注4）：

https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301

注5）：

https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/2050_gas_jigyo/index.html

注6）：