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看韩国、欧洲和日本如何发展氢能?

2019-08-13 09:24
科技新时代
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日本政府公布《氢能利用进度表》

日本是最重视氢能利用的国家,提出要在全球率先实现“氢社会”,以摆脱能源困境,确保能源安全。继2017年12月出台《氢能基本战略》后,日本政府又于2019年3月公布《氢能利用进度表》,旨在明确至2030年日本应用氢能的关键目标。主要包括:到2025年,使氢燃料电池汽车价格降至与混合动力汽车持平;到2030年,建成900座加氢站,实现氢能发电商业化,并持续降低氢气供应成本,使其不高于传统能源。

自使用化石能源以来,能源资源几乎为零的日本始终处于极其被动的境地,氢能产业的美好前景使日本看到了根本摆脱这一困境的曙光,甚至期待未来能占据该产业链顶端,成为能源出口国。2017年12月,日本发布《氢能基本战略》,提出率先在全球实现“氢社会”。为实现这一目标,2019年3月,日本政府汇总并公布了旨在活用氢能的进度表,旨在为普及氢能应用提供助力。该进度表主要从氢能应用、氢能供应和全球化氢能社会三大维度展开。

(一)氢能应用

目标:到2025年,全面普及氢能交通,并进一步扩大氢能在发电、工业和家庭中的应用。

首先,在交通运输领域:

(1)氢燃料电池汽车。日本交通运输行业的二氧化碳排放量约占全国总排放量的20%,其中汽车(轿车、货车等)占85%。因此,要降低交通运输行业的二氧化碳排放量,就要降低从轿车到卡车、公共汽车等大型汽车的二氧化碳排放量。较之蓄电池,氢能的单位重量及单位体积的能量密度较大,因此在大型或远距离运输时,氢燃料电池汽车比纯电动汽车更具优势。为此,日本提出:

在氢燃料电池轿车方面,到2025年其年产量应达到20万台,到2030年应达到80万台。要缩小氢燃料电车轿车与混合动力轿车的价格差,到2025年使二者价格相当。要降低氢燃料电池轿车主要要素的成本,到2025年使氢燃料电池系统的价格由目前的2万日元/千瓦降至0.5万日元/千瓦(当前日元对人民币汇率:1日元约合0.06元人民币),使储氢系统的价格由目前的70万日元降至30万日元。

在氢燃料电池公共汽车方面,计划2020年达到100台,2030年达到1200台。另外,2020—2025年间要实现氢燃料电池公交车价格减半,由目前的1.05亿日元降至5250万日元,到2030年要开发出氢燃料电池无人驾驶公交车。

在氢燃料电池卡车方面,日本厂商已着手开展小型卡车实证研究。对于大型卡车,要进行近距离(200公里左右,高压气罐)、远距离(500公里左右,液氢罐)运输相关氢燃料电池技术开发,并于2020年制定具体方案。

(2)加氢站。加氢站是普及氢燃料电池汽车的重要一环。日本自2013年起着手完善商用加氢站,并于2018年成立了日本加氢站网络公司(JHyM)。截至2018年底,日本共设立了100座商用加氢站。到2025年,日本计划设立320座加氢站,到2030年进一步增至900座。2025—2030年间还计划设立无人运营加氢站。另外,到2025年,加氢站建设及运行费用应大幅下降,其中建设费应由目前的3.5亿日元降至2亿日元,运行费应由目前的3400万日元/年降至1500万日元/年;相关设备成本也应大幅下降,其中氢压缩机应由目前的0.9亿日元降至0.5亿日元,蓄压器应由目前的0.5亿日元降至0.1亿日元。

其次,在电力领域:

日本电力行业的二氧化碳排放量占全国总排放量的40%,未来要转变为以可再生能源为主力电源的能源系统。除天然气等火力发电方式外,利用氢能发电的成本较低,二氧化碳排放量较低,是一种极具潜力的清洁能源。日本计划到2030年实现氢能发电的商业化。

其中,氢燃料电池发电技术是氢能发电领域最重要的技术之一,具有发电效率高、体积小、余热可有效利用等优点。氢燃料电池发电是小规模分布式发电,不仅可实现与大型火力发电厂同等水平的发电效率,还不需要大规模投资。

在商业和工业用氢燃料电池发电领域,2017年日本厂商已正式将固体氧化物型氢燃料电池(SOFC)投入市场。到2025年,结合余热利用技术,实现电网平价(是指一种电力技术使其发电成本与现有电力成本持平的能力)。其中,低压发电的设备资本性支出应降至50万日元/千瓦,发电成本应降至25日元/千瓦时;高压发电的设备资本性支出应降至30万日元/千瓦,发电成本应降至17日元/千瓦时。另外,还要提高固体燃料电池的发电效率和耐久性。到2025年,发电效率要超过55%,未来则要超过65%,耐久性则要由目前的9万小时增至2025年的13万小时。

在家用氢燃料电池发电领域,早在2009年日本就已将家用燃料电池装置投入市场,领先世界。截至2019年1月底,已普及27.4万台。到2030年,日本则计划达到530万台。同时,到2020年要将固体高分子型氢燃料电池(PEFC)价格降至80万日元,将固体氧化物型氢燃料电池(SOFC)价格降至100万日元。

第三,工业生产领域:

在工业生产过程中,氢气经常作为副产物生成,这些副产物可以回收后作为原料使用,该方法有望在未来的氢能供应链中成为氢能供应来源。另外,在工业生产过程中利用氢能能够减少二氧化碳排放。因此,未来日本将从供应氢能和利用氢能两大维度出发,研究工业生产使用氢能对二氧化碳减排的重要影响,并对生产过程中不排放二氧化碳的氢能应用及供应潜力开展调查。

(二)氢能供应

目标:加快研发,以技术迎接未来氢能社会。具体为:到2030年,使氢气价格降至30日元/标方,未来应进一步降至20日元/标方,确保其价格不高于传统能源。

当前,氢气制备主要通过两种方式:一是通过煤、天然气等化石能源制氢(如煤气化制氢);二是通过风能、太阳能等可再生能源电力制氢(如水电解制氢)。

在化石能源制氢方面,为到2030年使氢气供给成本降至30日元/标方,基于日本与澳大利亚合作的褐煤制氢项目,日本计划2020—2025年间实现以下基础技术目标:在制造环节,降低褐煤气化的制氢成本,由数百日元/标方降至12日元/标方;在存储和运输环节,提高氢气液化效率,由13.6千瓦时/千克降至6千瓦时/千克,增大液氢罐容积,由数千日元/立方米降至5万日元/立方米;在碳捕集与封存环节,降低二氧化碳分离回收相关技术成本,由4200日元/吨降至2000日元/吨。

在可再生能源制氢方面,日本相关技术要达到世界最高水准。其中,到2030年,水电解制氢装置成本要由目前的20万日元/千瓦降至5万日元/千瓦,耗能量要由目前的5千瓦时/标方降至4.3千瓦时/标方。另外,还要开发新技术,提高水电解装置的效率及耐久性,并以福岛氢能源研究站为示范区进行实证。

(三)全球化氢能社会

目标:以日本为主导开展国际合作,实现全球化氢能社会。

日本《氢能基本战略》中就将“国际化”设为重要举措之一,提出日本要构建从氢气制造到存储、运输和利用的全供应链技术,并将其打包推向全世界;在国际氢能经济和燃料电池伙伴计划等政府层面的国际框架中,积极宣传日本的措施;引领国际标准制定。

为此,日本于2018年10月发布《东京宣言》,提出要协调各国的氢能发展举措及标准制定;共享有关氢能安全性及供应链的信息,推动国际共同研发;调查氢能应用潜力,减少二氧化碳及其他污染物质的排放;开展普及教育,推广活动,提高公众对氢能的接受度。后续举措将包括:比较美国、德国、法国等国的氢能发展规划及重点举措;共享日本氢能供应链实证成果,让澳大利亚等资源丰富的国家参与其中;利用2020年日本将举办奥运会、残奥会,2025年将举办大阪世博会等契机,宣传最先进的氢能技术;开展创新型技术研发。

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