FC EXPO前瞻丨日本氢能发展研究
截至2019年底，日本已部署ENE-FARM家用燃料电池29万套，成本从最初的300万日元降至当前不足100万日元，且无需补贴（PEFC）；燃料电池汽车生产超过12,000辆，出口8,000多辆，计划保有量2025年20万辆，2030年80万辆，2040年实现燃料电池车的普及；加氢基础设施约110座，计划2020年建成160座，2025年建成320座，2030年达到900座。
日本高度重视氢能产业的发展，提出“成为全球第一个实现氢能社会的国家”。政府先后发布了《日本复兴战略》、《能源战略计划》、《氢能源基本战略》、《氢能及燃料电池战略路线图》，规划了实现氢能社会战略的技术路线。2018年，日本召开全球首届氢能部长级会议，来自20多个国家和欧盟的能源部长及政府官员参加会议；并以2020年东京奥运会为契机推广燃料电池车，打造氢能小镇。在过去的30年里，日本政府先后投入数千亿日元用于氢能及燃料电池技术的研究和推广，并对加氢基础设施建设和终端应用进行补贴。日本氢能和燃料电池技术拥有专利数全球第一，已实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广。 2月26日，世界最大的氢能及燃料电池展览会——第十六届日本国际氢能源燃料电池展 (FC EXPO) 将在日本东京开幕。为了有助于大家更好地观展提前做足功课，联盟小氢特意整理了一份【日本氢能发展研究报告】，带大家看看日本的氢能“奋斗史”。
研究内容节选自2019年11月中国氢能联盟《第13届中日节能环保综合论坛氢能分论坛会议考察报告》。报告详细论述了日本氢能发展战略、氢能产业发展概况以及中日氢能发展比较分析。本文主要摘自第二部分日本氢能产业发展概况。☟
自上世纪90年代以来，日本政府先后投入数千亿日元用于氢能及燃料电池技术的研究和推广，并对加氢站等氢能基础设施建设和燃料电池汽车持续进行补贴。目前，日本氢能和燃料电池技术拥有专利数全球第一，家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）装机量全球第一，燃料电池汽车累计产销量全球第一，并在海外氢能供应链、液态储氢技术（低温液态和有机液体）、氢能发电技术领域处于全球领先地位。 日本已部署ENE-FARM家用燃料电池29万套，成本从最初的300万日元降至当前不足100万日元，且无需补贴（PEFC）；燃料电池汽车生产超过12,000辆，出口8,000多辆；加氢基础设施110多座。
日本希望通过东京2020年奥运会和残奥会向世界推介其在氢能领域的最新技术。以2020年东京奥运会为参考基点，预计氢能市场将达到5,903亿日元(约337亿人民币)。根据NEDO（全称The New Energy and Industrial Technology Development Organization，是日本新能源产业技术综合开发机构）的研究，到2030年，氢气市场将达到1万亿日元(约639亿人民币)，到2050年将达到8万亿日元(约5,112亿人民币)。
一 氢能研发支持
日本对于氢能产业的扶持覆盖了全产业链，重点体现在氢和燃料电池、家用燃料电池系统、燃料电池汽车、加氢站四个方面。仅2013至2018年，日本在氢能项目上就投入了近15亿美元，主要由经济产业省 (METI)提供，并通过 NEDO组织分配。
2019年，日本拨付总计630亿日元预算（包括补充预算）来推进氢和燃料电池相关技术的实际实现以及效率的提高。经济产业省 (METI)于2019年9月宣布了《氢燃料电池技术发展战略》，该战略确定了燃料电池、氢供应链和水电解技术领域十个优先实现的战略重点技术。
燃料电池技术：汽车燃料电池/固定式燃料电池/辅助机械和储氢相关系统；
供应链：大规模产氢技术/运输和存储技术/氢发电技术/加氢站；
电解技术与其他：电解水技术/其他工业用途/不连续创新技术。
二 氢能供应链
日本政府和企业正在积极探索使用不同的能源品种来建设氢能供应体系，国内以东芝福岛可再生能源制氢（FH2R）项目为代表，国外则以与澳大利亚、挪威等国的多边合作示范项目为代表。这些示范项目仍将需要解决关键技术验证，以提高将多种形式的氢气运往日本的效率和安全性，并最大限度地减少制氢和运输过程中的环境影响。
中国氢能联盟调研考察了东芝氢能综合应用中心，详细了解其福岛可再生能源制氢项目进展、H2one供氢综合系统、可再生能源制氢加氢站以及H2REX纯氢燃料电池系统。 福岛可再生能源制氢项目作为东京奥运会供氢基地，利用10MW光伏作为电源，通过6MW的PEM电解槽实现年900吨供氢能力。但该项目当前仅考虑将氢通过长管拖车供应至加氢站，与欧洲同等规模P2G相比尚未开展天然气掺氢等规模化消纳途径。原因在于，一方面由于多山的地形，日本的天然气管道系统有限，且城市间的交互更少。这意味着，即使能够生产足够数量的氢也不能轻易地通过管道进行分配；另一方面，日本管道的技术规格相比欧洲管道，只允许较低的掺氢混合浓度。
三 加氢基础设施
燃料电池系统应用在很大程度上依赖于商业化加氢设施数量。根据最H2 stations最近发布的第12次全球加氢站评估报告显示，截止2019年底，全球共有在运加氢站432座，日本已部署114座，是全球加氢站密度最高的国家。据日本一般社团法人氢供给利用协会（HySUT）表示，上述加氢站集中在东京(关东)、名古屋(中部)、大阪(关西)和福冈(九州)四个区域。其中，已知的110座加氢站中，17座具备现场制氢能力，53座为站外制氢，剩余39座为移动站。
在日本，加氢站在布局、建设、检验、安全距离等方面受到《高压气体安全法》的监管。该法规明确了高压气体的生产、储存、消耗、处置、销售和运输。监管机构为经济产业省 (METI)。国土交通省（MLIT）是《建筑标准法案》的监管机构，该法案规定加氢设施的位置取决于使用区域，如住宅区、商业区或由城市规划确定的专属工业区。《消防服务法》规定了加氢站安装的人力资源管理系统。监管机构是火灾和灾害管理局（FDMA）。
日本主要通过政府高额补助和企业联合开发两种方式来加快加氢站战略布局，补贴由“下一代汽车振兴中心（Next-Generation Vehicle Promotion Center，NEV）具体管理和发放。接受补贴的加氢站供氢能力需要按世界标准设计，补贴的上限因供应能力不同而不同。
备注：上表为2016年标准，每年的上限标准有增加的趋势。补贴额度取补贴对象所用经费的1/2和其补贴上限二者中最低的额度，但移动式和箱式加氢站的补贴额度取补助对象所用经费和其补贴上限二者中最低额度。
2018年2月，丰田汽车等11家公司成立了日本加氢网络公司(JHyM)，以快速推动加氢网络建设和氢能汽车普及。JHyM计划从2018至2021年在日本建设80座加氢站点，截至目前已建成33座加氢站。JHyM还与日本燃料电池商业化会议(FCCJ)和氢供应和利用技术协会(HySUT)合作，通过解决设备标准化和法规修订等问题来降低成本。2019年，随着新一批12家公司加入，该组织扩容至23家单位。
四 综合应用
(一）交通运输
日本交通运输业的碳排放量占全国总排放量的19%，其中汽车(乘用车和卡车)占比85%。日本的目标是到2030年，随着清洁能源汽车的普及（50-70%）至少减少25%的排放量。丰田汽车领导了日本燃料电池汽车的发展，率先推出了第一辆燃料电池汽车、叉车和巴士。丰田元町燃料电池汽车工厂是其Mirai当前唯一生产基地，生产能力约为3000辆/年。自2014年底以来，累计生产11,442辆，完成出口约7,900辆，国内销售约3,500多辆。2019年9月，丰田汽车推出第二代Mirai概念车，预计2020年秋推向市场。丰田汽车的目标是2020年将其全球燃料电池汽车年销量增加到3万辆，其中日本本土约1万辆。为此，丰田汽车正在建设两个新的生产线，一个是扩大燃料电池堆的生产规模，另一个是在现有的工厂中建造一条新的生产线来生产车载储氢罐。在该厂区内，丰田汽车配套建设了3座加氢站，约72辆燃料电池叉车，目标是到2020年左右达到180辆。
在技术合作方面，丰田和宝马自2013年以来一直在燃料电池技术上进行合作。2015年和2018年，丰田汽车两次宣布分批免费开放其燃料电堆、氢气罐和燃料基础设施的专利许可，以刺激国内外制造商开发低成本燃料电池汽车技术。2017年2月，丰田汽车向东京销售首批5辆燃料电池巴士。该车是丰田与旗下的客车和卡车子公司日野汽车(Hino Motors)合作开发，并于2018年3月升级为最终版本Sora。丰田的目标是在2020年东京奥运会时交付超过100辆Sora。此外，丰田正与卡车制造商肯沃斯(Kenworth)合作，在洛杉矶港建立一支由10辆燃料电池重卡组成的示范运营车队。目前，肯沃斯在华盛顿州的装配厂已经生产了首批4辆样车，续航里程超过500公里，其中，肯沃斯提供底盘和驾驶室、电机、变速器、冷却系统以及燃料电池汽车整体集成，丰田提供燃料电池组、氢罐以及电机所需的相关组件和电源控件。
此外，丰田还与东日本铁路公司(JR East)合作，探索在铁路和汽车之间建立以氢为基础的移动伙伴关系——在东日本铁路公司拥有的土地上建造加氢站，为当地交通引进燃料电池汽车和燃料电池巴士、以及燃料电池技术在铁路运输上的应用。JR East宣布从2021年开始投入40亿日元测试燃料电池列车，力图在2024年实现商业化。丰田与日本渔业研究与教育厅(FRA)合作，在2019财年开发一艘由氢燃料电池提供动力的渔船，用于长崎县后藤岛链的一个金枪鱼养殖场，该船将在2022年进行测试。氢气将利用来自Toda公司在福岛附近建造的海上风力发电场的富余电能通过电解水的方式生产。
（二）发 电
1、家用燃料电池热电联产系统(ENE-FARM)
为在2030年前实现温室气体减排目标，日本必须减少住宅和商业部门的排放。与2013年相比，到2030年，政府的目标是在住宅领域减排39%，在商业领域减排40%。日本对家用燃料电池系统研发始自上世纪90年代，2005-2008年间经济产业省 (METI)通过资助大型固定燃料电池示范项目，在日本安装了近3,000个家用燃料电池热电联产系统(ENE-FARM)。通过该系统一次能源使用减少约23%，二氧化碳排放减少38%，同时也可成为应对自然灾害的重要应急电源。2009年ENE-FARM系统正式开展商业化运营。截至目前，日本国内ENE-FARM系统产销31.4万套，已部署(并获得补贴) ENE-FARM系统约29万套。随着系统规模增加，PEFC的平均单位安装成本下降了69%，售价SOFC的平均单位安装成本下降了51%。
该补贴为动态补贴，每年ENE-FARM的补贴根据其成本在变化。在2019年，当PEFC到达目标价格（80万日元）后，固定补贴不再发放，而SOFC的目标价格为100万日元，2019年补贴为8万日元。此外，在已建成的建筑物、公寓大楼、寒冷地区以及燃料为低压气体的地区，安装PEFC和SOFC机组还可获得3万日元的额外奖励。一些地方政府还为安装ENE-FARM提供额外配套补贴。日本原定目标是到2020年累计安装ENE-FARM系统140万台，目前看显然无法实现。修订后计划到2030年实现530万套的安装目标，占居民户数的10%。当前，日本的ENE-FARM厂商主要有松下和爱信，早先的制造商Eneos和东芝已经停止生产。其中，松下正在通过欧洲的锅炉制造商联盟拓展海外市场，但放量尚存在诸如欧日天然气中的杂质不同以及监管差异等一系列的挑战。
2、氢燃烧发电
日本氢燃烧发电主要通过氢气和天然气的混合燃烧以及纯氢燃烧发电，这两种技术是由NEDO和川崎重工以及三菱日立所主导。氢燃烧过程中面临一系列的技术难题，如燃烧温度高于天然气(燃烧室的过热点)，导致氮氧化物排放增加;火焰传播速度高于天然气，火焰熄灭距离较短，会导致结构烧尽和回火。对此，川崎重工开发了一种纯氢燃料的干式低NOx燃烧技术，在这种技术中，氢以小剂量供应，在“微火焰”中实现100%纯氢燃烧。2018年，三菱日立成功在700MW机组内测试使用30%的氢气与天然气混合发电。试验结果表明，利用新开发的用于氢气燃烧的专用燃烧器，即使将氢气与天然气混合也能达到稳定燃烧。作为NEDO项目的一部分，测试是在三菱日立的高砂工厂使用实际压力燃烧测试设备进行的。其中，20%氢气的混合燃料可以在没有任何技术改进的情况下使用。神户港氢热电联产系统示范工厂于2017年12月建成，该系统配备了一台1.7 MW的氢燃气轮机，以及一个综合能源管理系统(EMS)，该系统综合管理以氢和天然气为燃料的电和热，从经济和生态角度优化控制供应。相关测试证明，使用氢气和天然气的混合物、纯氢以及纯天然气作为燃料均可使发电机稳定运行。
以上素材均来源于中国氢能联盟
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