头条焦点：开发了半个世纪，日本的“氢能社会”为何还没来？

当前局势引发的能源焦虑，为日本建立“氢能社会”的努力再添“一把火”。

2011年福岛核事故后，时任日本首相安倍晋三提出了“氢能社会”构想。相关分析认为，日本将氢能视为“脱碳社会的一张王牌”，在氢能领域野心勃勃，希望成为“全球首个氢经济体”，迈入“氢能社会”，并引领全球市场。

(资料图)

去年以来，日本加速了氢能的开发试验和社会应用。其进程有发展但也有不确定性，实现“氢能社会”将是“一山放过一山拦”。

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氢能开发走过半个世纪

日本对氢能的关注和开发，远早于“氢能社会”构想的提出。

20世纪70年代，高速增长的日本经济对国际石油高度依赖，但石油危机的爆发迫使日本采取一系列节能措施，并开始重视新能源，氢能作为一条技术路线受到关注。1973年，日本成立“氢能源协会”并出台了一系列计划，包括1974～1992年的“阳光计划”、1978～1992年的“月光计划”、1993～2002年的“新阳光计划”以及1992～2002年的“WE-NET计划”，涉及制氢技术、燃料电池和液化储氢的研发等领域。这些计划依托大学和企业开展，促进了有机化学氢化物法、液化储氢法等技术的发展。

丰田汽车公司也在1992年启动了氢燃料电池汽车的研发。但这一时期日本能源转型的重心是“核电+液化天然气（LNG）”，前者瞄准能源自立，后者较煤炭石油更为清洁。2011年福岛核事故震碎了日本的“核电梦”，天空亦出现了久违的黑色粉尘——重启煤电的排放物，日本能源自主与环境污染压力都随之而来。“氢能社会”构想就是这一背景下产生的。

2014年是日本氢能实用化的启动之年。这一年公布的“第四次能源基本计划”提出，“期待氢能在未来二次能源中发挥关键作用”，将氢能定位扩展到大规模发电；同年，日本又提出了“氢能与燃料电池路线图”，以及在2020年东京奥运会上实现“氢能社会”的具体措施和步骤；相应地，丰田汽车公司和本田汽车公司决定将燃料电池汽车投入市场，岩谷产业和JX日矿日石能源公司公布了加氢站的氢能售价。

2017年日本发布了“氢能基本战略”，计划到2030年实现每年30万吨的氢能产量，成本降至每标准立方米30日元（1日元约合0.05元人民币）；实现100万千瓦的发电装机规模，发电单价降至17日元/千瓦时；实现加氢站扩建至900所，氢燃料电池汽车、氢燃料电池巴士分别增至80万辆、1200辆，以及向530万家庭普及“家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）”；发展“可再生能源制氢”。

该战略提出了实现“氢能社会”的“3E+S”原则——首先保证能源稳定供给（Energy Security），在安全（Safety）的前提下，通过提高经济效率（Economic Efficiency）实现低成本能源供给，最大限度地追求环境适宜性（Environment）。“氢能基本战略”也成为日本“第五次能源基本计划”的一部分。2019年，日本又制定了“氢能燃料电池技术开发战略”，促进固体高分子燃料电池、固体燃料电池、氢能基础设施等研发。

随着“碳中和”成为国际热门话题，日本在氢能应用方面再次提速，于2021年将2020年底发布的“绿色增长战略”更新为“2050碳中和绿色增长战略”。

该战略将氢能作为14个重点发展领域之一，计划未来10年投入3700亿日元扶植氢能产业；到2030年实现氢能年供应量300万吨，2050年实现氢能年供应量达到2000万吨；推动氢能炼钢、水电解等技术发展；建设稳定的氨供应链，2030年前普及“20%氨、80%煤炭”混燃发电，2050年实现纯氨发电。同时，还出台了财政税收、绿色创新基金、国际合作等多方面配套措施。2021年发布的“第六次能源基本计划”提出，建立国际氢能供应链，推动氢能在制造业中的应用和生产方式转型，提升社会对氢能的需求。

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现实与目标的差距

多年的政策扶植，让日本在“氢能社会”普及方面较其他国家走得更远。最成功的案例是，ENE-FARM近年来的销量呈指数级增长。该设备售价目前已降至100万日元以下，较2009年面世时便宜了约2/3，且机身尺寸逐年变小、更易安装。截至2021年底，ENE-FARM累计销量已超过43.3万套，大大超出2017年“氢能基本战略”设定的“2030年30万套”目标。

ENE-FARM的工作原理是将天然气转化为氢气，氢气与氧气发生化学反应，为住宅供电、供热。日本资源能源厅数据显示，ENE-FARM发电的能源转化率为40%～55%，加上余热利用的综合转化率为80%～97%，远高于41%（包含电力输送损耗的火力发电转化率）。ENE-FARM在日本的普及得益于政府补贴，但更源于日本这一国家的特殊性——多为独立住宅，便于安装；电费较贵，可节省开支；灾害频繁，具备灾后应急功能。

其他领域的氢能应用，目前与政策设想还有一定距离。例如，加氢站的建设进度并不理想。从2014年启动到2022年5月底，共计161所加氢站投入使用，其中“首都圈”59家、“中京圈”48家、“关西圈”19家、“九州圈”14家，仅较2022年1月底新增4家。

按此速度，日本只能在2030年完成最新政策目标1000家加氢站的1/３。

再如，燃料电池汽车的销售也不理想。丰田公司2014年推出了第一代“未来（MIRAI）”燃料电池轿车，但由于售价高、基础设施缺乏，销量一直不佳。

2020年推出的第二代“未来（MIRAI）”赶上“碳中和”热，才在2021年实现了5600余辆的销量，占其累计销量的一半以上，但距离实现2030年全球200万累计销量的目标尚远。

这些现象反映出日本“氢能社会”构想的底层逻辑和技术路线存在缺陷，而这些缺陷往往被氢能的优秀化学特征掩盖。氢能是二次能源，在社会应用中的区位与同为二次能源的电能更相近，与石油天然气稍远。

日本设想的理想型“氢能社会”的能源系统，是用可再生能源产生的氢能替代电能，形成分散式的氢能储运和应用系统，完全改变现有的能源系统结构。这种替代受众多客观条件约束，相较电能存在大容量和长时间储存难的问题，在一些情况下效能未必优于电能。

退而求其次，用氢能替换生产生活场景中的石油天然气也存在一些障碍。

例如，氢能的储运条件不如石油天然气，所以才有“氢转氨”技术路线的出现；“灰氢”“蓝氢”并未根治碳排放问题，却凭空增加了成本；社会对“绿氢”的热情，与石油天然气价格正相关；日本本土缺乏新能源制“绿氢”的客观条件，“绿氢”也和石油天然气一样依赖进口。

因此，按照“第六次能源基本计划”，日本2030年利用氢和氨产出的电能仅占其能源消耗的1%，微乎其微。

目前日本有5座核电站恢复运转，日本首相岸田文雄7月14日表示“指示最多使9座核电站运转”，以保障通货膨胀下冬季电力稳定供应。

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不断拓展氢能应用场景

面对全球“氢能热”，日本正努力克服困难和不确定因素，拓展更符合市场规律的氢能应用场景，但多数应用是对原有天然气技术的升级，与理想“氢能社会”还有一定距离。

一是开发氢内燃机汽车。

丰田公司社长丰田章男多次表示：“敌人是碳，不是内燃机。”从2021年开始，丰田采用拉力赛方式测试氢内燃机汽车。测试车以两厢“卡罗拉”为原型，底盘离地13厘米，搭载液氢，理论续航里程较燃料电池汽车增加一倍，成本反而更低。“未来，液氢储存器可以做到又平又小，甚至可以与底盘融合，更具商业前景。”

丰田章男说。氢内燃机汽车可以继续使用燃油喷射系统和涡轮增压器，更符合原有汽车供应链厂商的利益。目前，美国汽车零部件公司博格华纳正在为日本的相关客户提供技术支持。

二是开发氢能火车、船舶和飞机技术。

东日本旅客铁路公司（JR东日本）正在开发使用氢燃料电池和蓄电池的混合动力列车“云雀（HYBARI）”，已于2022年3月在南武线试运行，预计2030年投入使用，以替代部分线路上的柴油火车。

洋马控股计划2023年推出船用氢燃料电池系统。三井机械正在冈山县玉野市建设大型船用氢燃料发动机的试验设施，预计2023年6月完工，该设施可产生20兆帕高压氢气，每小时供给1000立方米。川崎重工已完成全球首个船用氢燃料锅炉的基本设计，计划在2025年左右投入实际应用。东芝正在开发新一代电动飞机核心部件，可供搭载数十人的中型飞机使用，目标是2030年前实现商业化。其子公司东芝能源系统已开发出2000千瓦原型机，大小只有同样功率普通电机的1/10。川崎重工正在开发氢动力飞机的关键部件，如燃烧器、储氢箱，计划2040年实用化。关西3家机场将与空客合作，共同研究机场氢基础设施的规划设计。

三是开发氢能作业机械。

日本最大农机厂商久保田，计划2023年在欧洲市场推出小型电动拖拉机，2025年面向欧美开发出中大型氢燃料电池拖拉机。洋马控股计划2025年推出电动农机，并考虑在中大型农机上使用氢能动力。小松制作所将与康明斯合作开发采矿卡车氢燃料电池，目标是2030年实现商业化。

四是探索氢气发电技术。

三菱重工正在开发核电制氢技术，并计划2030年推出仅靠氢气即可发电的大型涡轮机，目标是2030年脱碳业务实现3000亿日元销售额。川崎重工计划2026年在冲绳具志川火力发电站启动“氨、煤混燃”发电试验。

五是试验氢能的工厂应用。

2022年4月，松下在滋贺县草津市的工厂安装了99台5千瓦可调节功率的燃料电池，体积与小型自动售货机差不多，配合570千瓦光伏发电使用，目标是成为“全球首个利用可再生能源驱动的氢燃料工厂”，同时积累“工厂能源管理系统”技术。日本制铁和JFE钢铁正在建设小型氢气炼铁试验机，预计2024～2025年开始试验。神户制钢正在兵库县高砂市试验“氢气供应控制系统”，寻找稳定供氢、减少浪费的方法。

六是构建国际氢能供应链。今年2月，川崎重工和岩谷产业完成了液氢海运试验——澳大利亚褐煤转化的2吨液氢，用川崎重工建造的液氢运输船，长途跋涉9000千米到达日本神户机场岛的“Hytouch神户”——世界首个液化氢装卸基地。这是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的示范项目，计划2023年后开始新的验证试验。此外，三菱重工已参与美国犹他州氢能发电项目，三井物产有意同阿联酋阿布扎比国家石油公司开展液氢运输合作，东洋工程亦有意在印尼生产“绿氨”。

来源：环球杂志作者：刘云

关键词： 氢燃料电池 燃料电池 能源系统