氢能的重要性

本文将围绕氢能对日本的重要性进行说明。这也是日本内阁府在战略性创新创造项目（SIP）中进行能源载体的制造、运输以及利用技术开发的背景。

SIP“能源载体”总结报告连载，点击链接即可回顾前文内容：

氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（一）

.....（持续更新中）

1、日本面临的能源和环境制约

日本以“脱碳社会”为目标，计划在2050年之前削减80%的二氧化碳排放，但目前日本约90%的一次能源供给依赖于化石燃料。因此，未来大部分能源必须转化为不排放二氧化碳的能源。

为了对能源的转换策略进行更详细的探讨，在日本国际环境经济研究所的评论文章——“日本将如何实现‘脱碳社会’？”^注1）中，以电力领域为例，探讨了2050年之前实现二氧化碳减排80%所需的日本能源供需的大致结构。

由该文章可知，以下三点十分重要：

①为了实现2050年二氧化碳减排80%的目标，需要将化石燃料电源的比例降至日本电源构成的20%左右；

②今后，除非能够新建或重建核电站，否则即使所有已建和在建的核电站都重新启动/运行，且运行60年法定设备寿命，到2050年，核能发电的比例也将降至电源构成的15％左右或更小；

③因此，可再生能源电源在电源构成中的比例将增至65％以上，并且根据核电站的运行状况，有可能增至更高水平。

2、日本国内引入可再生能源的可能性

那么，日本国内存在多少可成为电力源的可再生能源呢？先从结论来讲，日本国内的太阳能和风能^注2）在量和质上都有限制，因此无法在确保一定经济性的同时提供必要的电力量。

仅从资源量看，日本似乎也有一定量的可再生能源。在前面提到的评论文章中以下表的形式记载了环境省的调查结果——“日本国内太阳能和风能的可引入量”，从该表中的“各方案的可引入量”来看，在一定的经济刺激下，太阳能和风能的发电量似乎已经足够。（表中的“各方案的可引入量和发电量”的最大值总和达到18000亿kWh（＝1447+1107+6740+8534kWh），这足以满足2050年日本所需的发电量（预估约为10000亿kWh）。）

（表）日本国内太阳能和风能的可引入量

但是，这种理解存在一些问题。

首先，如“方案”栏所示，已无法继续在经济上为太阳能和风能的引入提供高水平的经济激励。众所周知，2012年以后，日本为了扩大可再生能源的引入，根据可再生能源的全量固定价格收购（Feed In Tariff：FIT）制度，通过给予极高水平的经济激励（2012年，将太阳能的采购价格定为约40日元（约2.37元）/kWh，风能的采购价格定为22-55日元（约1.31-3.26元）/kWh）来促进这些可再生能源的引入。（也就是说，给予40日元（约2.37元）/kWh的经济激励意味着，如果将这一切所需的全部费用视为二氧化碳减排措施的费用，那么减排1吨二氧化碳需要花费约8万日元（约4738元）^注3）。）

FIT制度的引入推进了以太阳能为中心的可再生能源的大量引入，但是该制度的运行导致国民负担逐年增加，2019年度购买额达到3.6兆日元（约2122亿元），征税总额达到2.4兆日元（约1415亿元）（若除以日本人口，则每人每年约20000日元（约1179元））。因此，为了减轻大幅增加的国民负担，日本国内关于引入可再生能源的政策已被重新调整，以期未来使可再生能源“克服电力市场的成本竞争，实现自主引入”^注4）。已经在收购时采取了引入投标制和逐年降低采购价格等措施，上表中的“2019年后的购买条件”从2019年开始已被应用。尤其是关于太阳能，仅通过这些购买条件无法保证项目的盈利，因此很难预测未来的引入将如何进行。

另一方面，风能仍以海上风能为中心，在其采购价格方面给予了很大的经济激励，但是，减少这些过分的经济激励只是时间问题。此外，关于海上风能的建设和安装，除了这些经济性问题之外，还存在风力发电设备的位置限制、对电力系统的连接限制、以及实施环境评估导致的计划实现的不确定性等不易解决的问题。因此，虽然海上风能发电的潜力很大，但是上表中“各方案的可引入量”的实现性存在很大的不确定性。

除此之外，太阳能和风能在使用中存在发电量根据日照条件和天气等发生变化导致发电量不稳定等无法避免的问题。因此，当可再生能源的发电比例超过一定水平时，可通过安装蓄电设备等来减轻波动，以确保电力系统的“调整力”，若不能维持电力系统的稳定，则需要采取抑制可再生能源发电的输出等措施。这种蓄电设备的成本在现阶段非常高，而且还会反映到电力成本上。

3、氢能的重要性

如上所述，日本若要在2050年之前实现二氧化碳减排80%的目标，必须大幅度提高可再生能源的比例，但是日本国内的可再生能源无法在确保一定经济性的同时稳定地供应所需能源。

但是，世界上许多地区都拥有大量廉价的可再生能源。例如，在日本，2017年太阳能发电成本的实际值为17.7日元（约1.05元）/kWh，2020年目标值为14日元（约0.83元）/kWh（2030年目标值为7日元（约0.41元）/kWh），而海外的太阳能发电成本为2美分（0.13元）/kWh。立足于这一现实以及日本面临的能源和环境限制，日本需要考虑从海外可再生能源丰富的地区大量引入廉价的可再生能源。而且这些地区广泛分布在政治稳定地区，因此几乎无需担心能源安全。

但是，日本四面环海，不像欧洲各国那样与邻国连接有输电线路和管道，因此必须考虑将可再生能源引入日本的运输手段。

在世界范围内，广泛存在于大量地区的可再生能源是太阳能和风能，通常将其转化为电能和热能使用。然而，电能和热能难以远距离大量运输。可以实现远距离大量运输的能源形态是化学能，而作为化学能的氢，可以从地球上丰富的水和可再生能源中获取。也就是说，以氢为代表的氢能将成为可再生能源的运输手段。

氢能可以作为剩余可再生能源的蓄能手段，也可以作为可再生能源的地产地消手段。但是考虑到上述日本所处的状况，引入氢能对于日本来说最大的意义是，它也是一种可以从拥有丰富的可再生能源资源的地区大量引入可再生能源的一种手段。

此外，氢能可以用作火力发电燃料，因此不会因使用可再生能源而引起重大问题，即不会因发电量的波动而导致电力系统的“调整力”不足。而且，可以为火力发电的低碳化作出贡献，火力发电是一种发电手段，可以提供随着日本国内可再生能源引入的扩大而需要的调整力功能。

氢能的另一个巨大潜力是其可以转化为零碳热能。在日本，总能源消耗的约75%用于热，25%用于电力^注6）。这些热能的约30％用于汽车燃料，约20％用于家庭和商业部门的热水和供暖，这些领域的脱碳化可以通过在技术上推进电气化并扩大低碳电源来实现。另一方面，剩下的约50％热能用于为工业领域提供热源，而且其中绝大部分为以化石燃料为能源的热源，因此燃料转换是脱碳的重要措施。由于氢能可以用作零碳燃料，因此其有望在工业领域的热源脱碳化中发挥重要作用。

即，氢能的重要性在于可以发挥以下作用：

①从海外大量引入可再生能源的手段

②在确保系统“调整力”的同时，使包括日本国内可再生能源在内的可再生能源的引入扩大成为可能的手段

③工业领域、热能领域的脱碳化手段

这些就是氢能对日本如此重要的原因。

4、关于“氢能”经常出现的“疑问”

此处将探讨关于氢能经常出现的疑问。

代表性的“疑问”是，由于氢能是二次能源，不能成为确保一次能源供给的根本解决办法，并且在氢能的使用中会重复进行能源转换（例如，由可再生能源制造氢能，然后在使用时再将氢能转化为电能或热能），因此从制造到利用的能源利用效率很低。

但是，从量的观点来看，作为氢能来源的可再生能源几乎是无穷尽的，因此利用效率低并不是一个重要问题。此外，关于效率问题，为了降低氢能成本，提高从制造到利用阶段的能源利用效率十分重要，但更重要的是，在利用阶段的能源成本是否处于可以与其他零碳能源竞争的水平。从制造到利用的能源利用效率的高低并不是能源选择的实际决定因素。

除此之外，氢不仅体积能量密度小，而且易燃。易燃易爆的氢难以大量运输和储存，因此谋求大量的氢能利用是不现实的。SIP“能源载体”项目表明，可以通过能源载体来克服此问题。

【补充】

到目前为止，“氢能”一词的使用稍微有些模糊。实际上，似乎没有关于“氢能”的学术定义。资源能源厅将“氢能”定义为“使用时不排放CO₂的能源”^注7）。

氢能的代表性物质是氢，但是其他氢化合物也含有氢能。例如，氨（NH₃）也是一种氢化合物，使用时“不排放CO₂”，因此也属于氢能。另外，以天然气（主要成分为甲烷（CH₄））等为代表的化石燃料也是氢化合物，但分子中除氢外还有碳（C），使用时会排放CO₂，因此不属于氢能。

此外，IEA（国际能源机构）在其关于氢能的全面研究报告“The Future of Hydrogen”中，将应被视为氢能讨论对象的物质称为“Hydrogen based fuels”^注8）。

注释：

注1）“日本将如何实现‘脱碳社会'？”（2019年7月2日）。

注2）在可再生能源中，以较大规模存在的是太阳能和风能。地热能和生物质能也是重要的可再生能源，但其规模并不足以满足日本的能源需求。此外，水力发电仍占日本发电量的8％左右，但是由于可开发的水力发电资源大部分已经被开发，因此难以提供更多的发电量。

注3）可以通过以下计算得出：

目前，日本每kWh电力的CO₂排放量约为0.0005吨，因此为了使其减为零，每kWh将花费40日元（约2.36元）的成本，这意味着减少1吨的CO₂排放需花费40/0.0005日元，即8万日元（约4716元）。此外，导入FIT制度的目的主要是通过扩大可再生能源设备和机器的需求来大幅降低其价格，并降低日本国内的可再生能源价格，其目的并不是直接减少CO₂排放，然而日本的可再生能源价格并未像预期那样下降，而且由于与中国和欧美企业的竞争，日本许多与可再生能源相关的产业处于困境。

注4）“FIT制度的彻底修改和可再生能源政策的重构”2019年4月22日，资源能源厅资料

注5）顺便一提，为了通过电解水制氢，每Nm³的氢需要4-5kWh（至少3.54kWh）的电力（Nm³为0℃ 1气压下的体积）

注6）此外，如上所述，虽然电力在能源消耗中的权重约为25％，但到目前为止一直以电力为中心进行探讨的原因是，从减少二氧化碳排放量的角度来看，考虑到发电损失，用于发电的一次能源消耗量约占一次能源供应量的45％，而且电力被广泛用于工业、家庭和商业等领域。

注7）

https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/advanced_systems/hydrogen/about/

注8）若对“Hydrogen based fuels”感兴趣，请参阅“The Future of Hydrogen”的第1章第33页。

氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（二）—SIP“能源载体”的成果