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摘 要：日本的目标是在2050年之前减少80%的温室气体排放，实现脱碳社会，为了实现这一目标，日本应该如何改变能源供需的结构呢？本文为日本国际环境经济研究所首席研究员塩沢文朗基于日本能源供需状况，对于日本产业领域中热能脱碳化的相关分析以及提出的解决方案。
关键字：脱碳化、电气化、氢能、能源需求结构、无碳能源、能源管理系统
日本的能源供需状况（2017年度）如图1所示。日本的目标是在2050年之前减少80%的温室气体排放，实现所谓的“脱碳社会”。为了实现这一目标，日本应该如何改变能源供需的结构呢？
图1 日本的能源供需状况（2017年度）
一次能源由化石能源、核能、以及包括水能在内的可再生能源构成，但是目前，日本约90%的一次能源依靠会排放CO2的化石能源。化石能源被转换成电力、燃气以及石油制品，或者直接用于产业（工业、农业等）、运输（汽车燃料等）、民生（家庭或办公场所的冷暖气设备、烹饪等），在其转换和消费过程中会排放CO2。不排放CO2的能源是核能和可再生能源（包括水能），而核能所占比例因核电站重启进展缓慢，仅为1%，可再生能源为8%。
在供给的一次能源中，除去部分损耗外，其中的43%用于发电，但由于发电效率的关系，最终以电力形式用于产业、运输、民生等各需求领域的部分仅占约4成，而剩余的57%以非电能的（其中大部分是热能1)）的形式消耗。
如上图，在日本，除损耗外的能源的近73%2)最终以热能的形式消耗，只有27%最终以电力形式消耗。关于热能消费，按领域来划分，产业领域占48%，运输领域占32%，民生领域占18%。
为实现日本能源系统的脱碳化，以及2050年前温室气体排放量减少80%的目标，必须大幅削减化石能源在能源供给中的比例，为此需要对当前的能源需求结构进行重大改革。而由于能源的使用方式不同，所需的能源种类也不同，因此仅靠改变能源供给无法实现能源需求结构的变革。
在以电能形式消费能源的领域，简单来说，通过电源的脱碳化能够实现该领域的脱碳化。但是，实现方案并不是“电源的脱碳化”说起来这么简单，笔者认为解决方案是1）最大限度地引入安全的核电和具有经济性的可再生电力，同时2）从海外以氢能的形式引入廉价可再生能源或无碳能源作为发电燃料。
简单而言，引入氢能的理由是，今后除非新建或改造核电站，否则到2050年几乎所有日本现有核电站都将达到使用年限，其发电能力将大幅减少。日本蕴藏的可再生能源无论在量上还是在品质上都是有限的，无法在确保一定经济性的同时满足必要的能源需求。虽然化石能源与CCS（碳捕获与封存）的组合是一种可行方案，但在日本国内建设、运营CCS的经济效益前景并不明朗。另外，日本很难像欧洲各国那样通过输电线和管道与邻国进行能源交换。
基于这样的现实情况，“在海外具有丰富可再生能源的地区，将廉价的可再生能源转化为氢，然后以可大量运输的氢能载体的形式引入日本”是日本确保大量可再生能源供应的有限的选择方案3)。
3.1 热能的消费情况
对于以热能形式消费能源的领域，其脱碳化方案也需要进行详细的研究。这是因为现在利用的热能大多来自化石能源的燃烧。如上所述，关于热能的消费分布，产业领域为48%，运输领域为32%，民生领域为18%。
其中，关于运输领域和民生领域所消费的热能，其脱碳化方向逐渐明朗。例如，对于汽车燃料，正在由燃油车向电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCV）转变；关于占家庭和办公场所大部分能源需求的冷暖气设备和烹饪用能源，正在通过引入空调、微波炉、IH加热器等由石油或燃气转变为电能。通过推进电力的脱碳化，有望实现这些领域能源需求的脱碳化。
3.2 产业领域热能消费的脱碳化方案
在占热能消费48%的产业领域中，制造业约占95%。在制造业领域中，由于制造工艺需要高温热量；工业炉、锅炉等燃烧设备、蒸汽发生器等供热设备都是大型的；此外还需要廉价的热能，因此现在的热源大多使用化石能源作为能源。由此可以看出，这些热源的脱碳化并非易事。
国际上越来越认识到探讨产业热能领域脱碳化方案的重要性，近期，几家研究机构整理了关于这一问题的研究调查报告。
例如，ICEF（Innovation for Cool Earth Forum）在2019年12月发行的调查报告4)中分析了产业领域中热能的使用情况，介绍了每个产业所需热能的特征、作为低碳热源的能源种类和特征等。该调查结果的部分内容如图2和表1所示。
图2 无碳能源的温度供给特性
图2表明，对于在产业领域中使用的热能，需要基于其用途所需的条件来考虑脱碳化方案。在考虑这些问题的基础上，该报告列举了产业和热能领域脱碳化的有力选择，即利用电力和氢能作为热能来源（表1）。
澳大利亚也发表了关于产业领域热源脱碳化方案的研究成果。根据化石能源消费量较多的各产业工艺的能源需求特点，对在这些工艺中使用可再生能源（生物、地热、氢、太阳能能源），以及利用电力进行热供给（包括热泵）等的可能性及其效果进行了分析。
此外，引人关注的一点是在这项研究中，除了上述分析外，还结合澳大利亚国内各产业的布局状况和可再生能源资源等的地域分布，探讨了澳大利亚工业整体的脱碳化方案。虽然日本产业结构和能源需求结构均与澳大利亚不同，这一分析结果并不适用，但是在与日本共通的产业领域，脱碳效果显著的对策是电热利用与氢能利用，这与上述ICEF的报告内容一致。
下面，将对日本产业领域中大量消费的热能的脱碳化方案进行分析。
图3示出日本各领域的CO2排放量，在产业领域中，排放量较多的是钢铁业（1.67亿吨）、陶瓷土石（0.66亿吨）、化学（0.65亿吨），这三个产业排放的CO2量占据产业领域总排放量的60%以上。因此，首先介绍一下这些CO2排放量较多的产业的脱碳化方案。
图3. 日本各领域的CO2排放量
4.1 钢铁业
钢铁业的高炉工序的总CO2排放约为1.2亿吨，占钢铁业CO2总排放量的70%。在高炉工序中，从高炉排放的CO2约为9000万吨，从铁矿石烧结工序排放的CO2约为2000万吨，从煤炭炼焦工序排放的CO2约为500万吨。除高炉工序外，转炉工序的CO2排放量约为500万吨，压延及钢管工序的CO2排放量约为2000万吨。
关于钢铁业CO2排放量的削减方案，提出了氢能的利用和工艺的电气化作为技术方法。其中，针对最大的CO2排放源——高炉的CO2减排，考虑利用氢作为主要的脱碳化方法。例如，正在讨论引入氢燃料用于高炉的高温加热，以及以氢代替煤焦炭来还原铁矿石等。
在氢能利用方面，根据日本钢铁联盟描绘的路线图，到2030年左右利用焦炉废气中的氢作为高炉的热源（同时通过CCS除去由此生成的CO2），到2050年左右利用不使用煤炭的无碳氢进行氢还原制铁。另外，在电力方面，今后如果能够获得廉价无碳电力，考虑将电力作为其他工序的热源。
日本钢铁联盟对这种制造工艺的转换进行了经济性分析，估算出氢能利用方案下所需的氢目标价格是7.7¢（美分，约合人民币0.5元）/Nm3-H2。另外，假设今后日本在全球钢铁产量中所占的份额不会发生变化，则根据该分析可以推算出日本需要700万吨/年的氢。在电能方面，每生产1吨粗钢需要3400kWh的电力，估算出需要与传统工艺竞争，则电力成本为4日元（约0.22元）/kWh。
日本政府发布的“氢能源基本战略”7)中提出，氢的目标价格是在2050年为20日元（约1.12元）/Nm3-H2，以向发电领域的引入为中心，目标引入量约为1000万吨H2。考虑到这一点，作为引入氢能的条件，实现钢铁行业提出的氢目标量和氢价格并非易事。另外，电力能源方面也面临同样的情况。
4.2 水泥制造业