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日本“氢能社会”发展战略与现状梳理

时间:08-24 00:00 阅读:4707次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源:全球技术地图(ID:drc_iite)

作者:张欢欢

日本政府在《能源基本计划》中将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景,希望通过氢燃料电池实现氢能在家庭、工业、交通甚至全社会领域的应用,从而实现真正的能源安全以及能源独立。

氢能专题系列(一)《未来能源主角:氢能发展历程与产业链梳理》中,我们详细探索了氢能源被誉为“终极能源”的原因、性质、发展进程以及产业链情况。

作为专题系列的第二篇,本文将关注世界氢能发展的领头羊——日本,探讨日本建设“氢能社会”的历史进程、发展战略、发展现状以及现实意义。

一、历史进程

1973年10月,第四次中东战争导致第一次石油危机爆发。世界各国强烈感受到能源安全对国家乃至世界经济政治以及社会生活的重要性。同年,日本成立“氢能源协会”,以大学研究人员为中心开展氢能源技术研发。

1981年,日本启动了燃料电池的开发。相比于美国13年前(即1968年)就已经实现了氢能源技术的应用(将强碱性燃料电池应用于阿波罗号宇宙飞船上),日本在氢能源技术利用的起步阶段落后了一大截。

1990年代,丰田、日产和本田汽车制造商启动燃料电池车的开发,同时三洋电机、松下电器和东芝公司也启动了家庭燃料电池的开发。燃料电池车和家用燃料电池发展至今,也成为了日本市场应用最广泛,世界范围内技术最领先的产品。

 

资料来源:《国际石油经济》

谈到日本的氢能源发展,就不能不提NEDO机构。NEDO,全称The New Energy and Industrial Technology Development Organization,名为日本新能源产业技术综合开发机构,是日本最大的公立研究开发管理机构,承担着日本的一部分经济产业行政业务,主要目标是负责解决能源和环境问题以及促进科技产品的转化。

日本政府对氢和燃料电池的技术开发支持主要以向NEDO投入专项科研经费为主。据悉,2010年至2015年间,NEDO共接受政府投入高达529.8亿日元。

NEDO对燃料电池的研究从1981年开始,主要包括磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体高分子燃料电池(PEFC)。除燃料电池之外,NEDO还进行氢能源利用相关的技术开发,并以东京、名古屋、大阪和福冈为中心,在2015年建成约100座加氢站。此外,NEDO也对氢发电技术以及制氢、储氢、运氢等与氢全产业链相关的新技术进行研究和开发。

二、发展战略

1、国家战略

日本主要的国家战略有《日本再复兴战略》、《能源基本计划》和《氢能/燃料电池战略发展路线图》。

2013年,安倍政府推出的《日本再复兴战略》,把发展氢能源提升为国策,并启动加氢站建设的前期工作。在第4次《能源基本计划》中,日本政府将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景。

2014年,在日本经济贸易产业省成立的氢能/燃料电池战略协会对外公布的《氢能/燃料电池战略发展路线图》中,详细描述了氢能源研发推广的三大阶段以及每个阶段的战略目标:

第一阶段是从当前到2025年,快速扩大氢能的使用范围;

第二阶段是2020年中期—2030年底,全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统;

第三阶段从2040年开始,确立零二氧化碳的供氢系统。

 

此外,日本政府为促进燃料电池的普及使用,对燃料电池车购买、家庭用燃料电池系统以及加氢站建设均进行补贴。截至2014年12月,日本政府共计为家庭用燃料电池系统以及燃料电池补贴投入766.9亿日元。

2.企业战略

 

除了政府之外,日本企业对燃料电池的建设也十分积极。

2015年10月15日丰田汽车对外公布《丰田环境挑战2050》。丰田计划,于2020年以后,丰田燃料电池车(FCV)在全球的年销量达到3 万辆以上;在燃料电池大巴(FCB)方面,于2016年内以东京为中心引进 FCB,为2020年东京奥运会及残奥会预备 100多辆FCB;此外,2050年全球新车平均行驶过程中CO2排放量与2010年相比,削减90%。

 

三、发展现状

目前,日本的燃料电池在商业化应用方面世界领先,主要有家庭用燃料电池热电联供固定电站、业务用/产业用燃料电池以及燃料电池车。

1.家用热电联产系统ENE-FARM

日本家用热电联产系统ENE-FARM是一种燃料电池在家庭中高效利用的能源系统。它通用天然气重整制取氢气,再将氢气注入燃料电池中发电,同时用发电时产生的热能来供应暖气和热水,整体能源效率可达90%。

 

与传统发电系统相比,ENE-FARM可以将大型热力发电厂很难利用的废热有效的加以利用,从而大幅度的提高能源利用效率;与可再生能源(太阳能、风能等)发电系统相比,ENE-FARM不受天气限制,可在任意时间发电。此外,ENE-FARM安装在家里,不依赖现有电网,可在大规模停电时应急使用,并且几乎没有输电损失。

 

日本家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM)制造商主要有爱信精机、松下、东芝三家。三家公司产品发电效率均可达40%,总效率高达90%以上,耐用时间超过8万小时,启动时间只需1-2分钟,可按需求并网使用。据悉,用户使用ENE-FARM系统每年可节省的照明和取暖费用约6万元。

 

在销量方面,2014年ENE-FARM全球销量11万套,售价149万日元(大约8.7万人民币)。2017年5月,ENE-FARM全球销量突破20万套。对此,日本政府提出在2030年之前实现约相当于日本一成家庭的530万套的销售目标。

 

2.业务用/产业用燃料电池

业务用/产业用燃料电池与家庭用燃料电池工作原理相似,都是通过在燃料电池中氢气和氧气发生化学反应来发电,不同的是业务用燃料电池更多的是将城市煤气作为燃料制取氢气。

业务用燃料电池的输出功率从几千瓦到几兆瓦都有,通常使用的燃料电池种类有磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

 

3.燃料电池车

日本燃料电池车商业化较为成功的主要有丰田本田两家厂商。

丰田FCV燃料电池4座商业车MIRAI于2014年12月在日本上市。该车百公里加速时间约为10秒,最大续航里程超过482英里(约700公里),补充氢燃料3分钟。2015年产700辆,2016年产2000辆,预计2020年达年产3万辆。丰田计划在2025年前让燃料电池车售价降至约2万美元。 

丰田FCV燃料电池车MIRAI

本田FCV燃料电池5座商业车Clarity于2016年3月在日本上市,其最大功率为100kW(136PS),最大续航里程将达到700公里,补充氢燃料仅需3分钟。 

本田FCV燃料电池车Clarity

氢燃料电池车相比传统汽车来讲,价格较贵。日本政府为促进氢能源的普及,对每位购买燃料电池车的消费者提供补贴。就2016年的市场情况来看,丰田的Mirai车售价670万日元/辆,补贴202万日元/辆;本田Clarity Fuel Cell车售价709万日元/辆,补贴208万日元/辆。

 

在销量和加氢站建设方面,2016年,日本氢燃料电池车销量1000辆,已建成100座加氢站。2026年,政府计划完成200万辆氢燃料电池车的销售目标以及1000座加氢站的建设目标。

 

四、现实意义

在《未来能源主角:氢能发展历程与产业链梳理》中,我们从氢能生命周期的角度分析出氢能的特点:

(1)来源广,不受地域限制;

(2)是非常优秀的储能介质;

(3)对大气污染小,甚至可做到零污染;

(4)用途广泛,既可用于发电发热,还可用于大中规模储能以及交通燃料。

无论是电力、燃油还是氢能,都是由自然界中的一次能源转化而来的二次能源。它们作为能够使能源在社会生活中以商品的形式输送以及应用的载体,其配置比重深刻的影响着能源应用结构,同时也与本国的能源分布、获取方式、地域人口等特点密不可分。

日本作为一次能源极度匮乏的国家,既不具备大规模修建光伏风电水电的条件,在福岛核电站事故后,核能的推进也是阻力重重,这种能源主要依赖于进口的现状使得其能源安全问题以及地缘政治的风险一直备受关注。而日本人口密度大、地域面积小,对氢能的运输以及加氢站的建设都比较有利。

因此,日本政府在《能源基本计划》中将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源,并提出建设“氢能社会”的愿景,希望通过氢燃料电池实现氢能在家庭、工业、交通甚至全社会领域的应用,从而实现真正的能源安全以及能源独立。

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