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日本吹响“氢能社会”集结号

国际新能源网  来源:中国能源报  日期:2019-05-15
   发展氢能议题已列入即将于今年6月召开的2019年G20峰会议程,2020年东京奥运会则是日本向国际社会展示其氢能技术发展成果的一场“氢能秀”,2025年大阪世界博览会更是真正检阅日本氢能社会建设成果的“大考”。日本着实有点焦虑,急于要在氢能源上拔得世界头筹。

  “氢能社会”是指以氢为主要能源的经济社会,氢能广泛应用于交通、建筑、工业和电力等各个领域。3月12日,日本经济产业省发布了新版《氢能与燃料电池路线图》,这是继2014年6月发布、2016年3月修订后的再度修订。新版路线图依据日本政府2017年12月制定的《氢能基本战略》、2018年7月制定的《第五次能源基本计划》、2018年10月首届国际氢能部长级会议发表的《东京宣言》所提出的目标和方针进行了大幅修订。

  与5年前相比,日本孤注一掷的氢能产业已不再孤独,越来越多国家加入发展氢能产业的大军,特别是氢能在中国受到热棒,让日本又喜又忧。喜的是氢能遭到很长一段时间的非议和沉寂之后成为全球市场追捧的“香饽饽”,而中国广阔的市场更是日本看中的一块大蛋糕;忧的是各国竞相展开氢能和燃料电池研发和投资,危及日本全球氢技术领跑地位,当前居高不下的成本更让日本市场普及进展缓慢,给日本建设“氢能社会”目标拖了后腿。

  发展氢能议题已列入即将于今年6月召开的2019年G20峰会议程,2020年东京奥运会则是日本向国际社会展示其氢能技术发展成果的一场“氢能秀”,2025年大阪世界博览会更是真正检阅日本氢能社会建设成果的“大考”。日本着实有点焦虑,急于要在氢能源上拔得世界头筹。因此,“降成本、促发展”成为此次修订的主基调。

  发力交通领域应用

  燃料电池汽车:自2014年12月投放市场以来,截至2018年12月仅售出2926辆,低于美国德州5000多台的保有量。距2020年实现4万台销售的目标仍有不少差距,要实现2025年的20万台和2030年的80万台市场目标还有点难。为此,必须大幅降低成本才有望实现既定目标。到2025年燃料电池电堆系统成本要从2万日元/kW降至0.5万日元/kW(注:10000日元约等于600元人民币左右),储氢系统要从目前的70万日元降至2030年的10—20万日元,燃料电池整车车价与同等级别混动车差价要从目前的300万日元减少到70万日元。最大功率密度要从目前的3.0kW/L提高到2030年的6.0kW/L,续航里程要从2020年650公里提高到2030年800公里。2025年还计划开发出普及型的燃料电池车型。

  燃料电池巴士:自2017年3月投入运营以来,截至2019年2月东京地区在运巴士有18台,2020年东京奥运会之前要达到100台,2030年要达到1200台。为此,2025年之前车价要减半,即从目前的1亿零500万日元降至5250万日元,2030年左右实现经济完全自立。

  燃料电池铲车:自2017年开始投放市场,截至2019年2月在各大机场与批发市场投运的铲车约150台,到2020年要达到500台,2030年要达到1万台。与此同时要积极扩大海外市场销售。

  日本还计划开发燃料电池卡车、船舶和列车等其它交通工具。目前,日本利用海上风电制氢运营的燃料电池船舶已经下海;燃料电池物流车已试制完成;燃料电池动力列车被德国抢了鲜,日本正在加紧追赶之中。此外,日本还计划将燃料电池技术推广应用到工业、宇航等领域。

  商业加氢站:自2013年开始建设以来,截至2019年3月共开放了103个。2020年要达到160个,2025年要达到320个。为此,到2025年要大幅降低加氢站的建设运维费和关键设备成本,其中建设费从3.5亿日元减至2亿日元,运维费要从3400万日元/年降至1500万日元/年,压缩机从0.9亿日元降至0.5亿日元,蓄压器从0.5亿日元降至0.1亿日元。2020年加氢站的机器装备将统一规格,以进一步挖掘降价空间。加氢站运维费中的人力成本占据35%左右,因此日本决定在东京奥运会之前设立无人值守的加氢站,今年8月前将完成相关法规、技术解决方案和安全措施的制定。

  开拓居民、工商业应用

  家用燃料电池:2009年日本率先推出以家用燃料电池为主的小型热电联产系统,普通家庭可节能25%,实现减排40%,综合效率达到95%以上。截至2019年1月,市场共售出27.4万台。价格从10年前的300多万日元降至今日的94万日元。2020年将实现经济自立,其中固体高分子型燃料电池(PEFC)售价由94万日元降为80万日元,固体氧化物型燃料电池(SOFC)售价由119万日元降至100万日元,2030年的市场普及目标要达到530万台,投资回收期限由7—8年缩短至5年。

  商用和工业级燃料电池:到2025年发电效率要达到55%以上,将来超过65%。发电成本要与标杆电价持平,其中低压设备成本为50万日元/kW,发电成本为25日元/kWh,高压设备成本为30万日元/kW,发电成本为17日元/kWh。使用寿命从目前的9万小时要增加到13万小时。

  氢燃料发电:替代火力发电的最佳低碳化选项是利用氢燃料发电。技术上首先从氢燃料与天然气混燃发电开始突破,开发利用余热进行甲基环己烷(MCH)、氨等氢载体的脱氢反应技术,高效脱氢工艺可进一步降低成本,与此同时加快脱硝燃烧器和非喷淋脱硝技术的开发。2019年内还要完成利用既有火电设备进行混燃发电的综合评估,包括混燃对火焰温度、火焰稳定性、氮氧化物、发电性能和发电设备以及环境的影响。2020年小型纯氢燃料热电联产的发电效率从26%增加到27%,到2030年要全面实现商业化氢燃料发电。2018年1月,日本已成功完成氢气与天然气混燃比例达到30%的发电试验,同年4月,又在全球率先实现了1MW级纯氢燃料热电联产项目的投运,与天然气混燃完全不受比例限制。

  注重制氢能力提升

  降低氢制备成本:目前氢制备成本偏高,远高于化石能源成本,化石能源市场的价格波动性较强,若以天然气价格(10美元/MMBtu)为例进行测算,相等热值的氢价目标应该定在13.3日元/Nm3。但2030年目标价位仍确定为30日元/Nm3,只有未来达到20日元/Nm3以下才真正具竞争性。

  化石能源制氢:构建国际化氢制备、储存和运输的产业供应链对于日本降低成本具有重要的意义。其中开发利用国外的化石能源与碳捕捉和封存(CCS)技术组合制备氢是实现零碳氢燃料供给的关键所在。2025年之前,利用澳大利亚褐煤制氢成本要从几百日元降至12日元/Nm3,液化氢罐容量从数千m增加到5万m3,从而大大提高氢储运的经济性。氢气液化能耗从13.6kWh/kg降至6kWh/kg,则可大幅降低液化环节的成本。与此同时还要降低CCS的成本,从目前的4200日元/t-CO2降至2000日元/t-CO2。

  可再生能源制氢:为防止弃风弃光和限电,大规模利用可再生能源富余电力制氢,即电转气(P2G)技术已为市场普遍看好。日本已在福岛建立了全球最大的单机10MW级的电解水装备示范项目,最大年产量为900t,所制氢气将用于2020年东京奥运村的供电和供热。但要真正全面推广P2G项目,降低成本和减少转化损耗是关键。到2030年,电解水装置成本要从20万日元/kW降至5万日元/kW,能耗从5kWh/Nm3减少至4.3kWh/Nm3。强碱型和固体高分子型(PEM)电解水装备各项指标计划见表1、2。

资讯13

  日本《氢能基本战略》提出了2030年氢能社会建设的基本目标和2050年实现氢能社会的宏伟愿景;日本《第五次能源基本计划》将氢能列入新能源范畴,且与可再生能源具有同等重要地位,氢制备成本目标要做到与油气等传统能源价格基本持平;日本主导的《东京宣言》则呼吁推动四方面的国际合作:一是,为加速氢制备成本和燃料电池汽车等氢能产品降价,各国要进行技术合作,加强法规和标准制定的协调;二是,为确保加氢站和储氢系统等相关设施的安全性,以及因地制宜建立氢能产业链,要积极推广和扩大氢能利用,推动各国联合研发;三是,为提高和分享对建设氢能社会的共识,调查和评估氢能的市场潜力、经济效果、CO2减排效果具有重要的意义;四是,为扩大氢能产业投资,要加强氢能教育和宣传活动,以提高社会接受度。此次新版路线图则设定了新的基础技术规格和各细分项目成本目标,并提出了实现该目标的必要措施,与此同时设立专家评估工作小组,对各领域最新进展进行评估和追踪。

  这一切标志着日本将举全国之力向“氢能社会”建设目标挺进。(周杰 作者系国际清洁能源论坛(澳门)秘书长,武汉新能源研究院研究员)
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