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来源:Ministry of Economy, Trade and Industry (METI)
氢能特点:高效、清洁、生产过程的高能耗
1.氢能是高效率能源
单位质量的热值来看,氢气是汽油的三倍,是高能量密度的燃料。虽然氢气的体积能量密度不高,现在成熟储氢技术70MPa下的氢气体积能量密度约为汽油的三分之一,如果低温液态储氢和储氢合金技术能够有突破,体积能量密度有望提高1.5-2倍[2]。氢能源既可以通过传统热机也可以通过燃料电池利用,燃料电池具有更少的能量损失,能量利用效率更高[3]。
2.氢能具有规模化储存的优势
氢能作为二次能源,可以集中式、大规模、长时间储存,如果广泛应用可替代部分石油和天然气,也可以在风电、光电、水电富余或弃风、弃光、弃水较多的地区,以及城市电网峰、谷时段电力负荷差异较大的城市和地区,消纳和储存富余电力或峰段电力。
3.氢能在使用阶段没有污染物排放
自然界中没有纯氢,需要通过其他能源辅助生产,从全生命周期来看,同样要排放污染物和温室气体。氢能对环境的影响与制备、运输、储存的各个环节相关,可选择的技术路径也很多。虽然商业上还没有形成成熟的产业链,但有研究表明:在大规模运输条件下,氢气运输环节的碳排放与能耗较小。氢气的主要能耗来自生产过程[4]。化石燃料制氢的燃料电池车与传统汽油车相比,氢燃料电池车可能有一定的节能减排优势。但从全生命周期看,用可再生能源电解水制氢才能带来显著的环境和碳减排的效益。
4.制氢过程的高能耗
目前主要工业制氢方法有化石燃料制氢、从工业副产物提取氢气、可再生能源制氢等,目前来看,化石燃料制氢相对经济成本更低。但随着未来可再生能源的更大发展,可再生能源制氢的成本应具有竞争力。
从日本发展氢能和燃料电池的战略路线图(图1)和日本大规模进口氢气的计划(图2)来看,氢能将主要依赖进口。比如,在澳大利亚用煤气制氢,再将氢气运输回日本。这种方式虽然减少了日本本国的碳排放量,但是增加了澳大利亚减排的压力。当然这也与碳捕获技术有密切的关系,如果有大规模成本有效的碳捕获技术的应用,也许碳减排的目标可以实现,但是化石能源使用过程中造成的其他环境影响,如空气污染,不容忽视。因此,高耗能、高碳排放的氢气生产会对全球碳减排和应对环境挑战带来巨大挑战,需要进一步探讨和研究较为清洁的制氢方式。下一篇氢能系列的文章中也将对制氢方式的能耗和碳排放进行说明。
图2.日本大规模进口氢气的计划
来源:Innovation Norway
结语
日本的能源系统转型需要首先考虑如何满足其能源安全的需求,这涉及到如何多样化其能源供给、并提高能源自给率,同时在履行气候承诺的压力下,日本开始发展深度脱碳的能源系统。氢能被视为日本能源系统变革过程中的重要一环。日本将氢能发展提升到国家能源战略层面,以保障其国家能源安全和实现2030年减排目标,但其目前的制氢路线主要依靠化石燃料制氢,而大规模碳捕获技术的运用仍有不确定性。因此,日本需要加快发展太阳能、风能等可再生能源,一方面改变能源结构中可再生能源占比过低的现状,另一方面探寻利用水电解来制氢的低碳方式。
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