日本的“水素”熱情

史川軒

日本東京都中央?yún)^(qū)晴海有一片圍海而成的土地，一個(gè)名為HARUMI FLAG的在建項(xiàng)目引人矚目，項(xiàng)目由三井、三菱、住友等日本知名財(cái)團(tuán)旗下的地產(chǎn)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，這里將成為2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)的奧運(yùn)村所在地。奧運(yùn)會(huì)結(jié)束后，內(nèi)部設(shè)施拆除后會(huì)重新裝修向外出售，成為一個(gè)5600戶(hù)家庭、12000人口的大型社區(qū)。

東京奧運(yùn)村共有5種主力戶(hù)型，大體有62-106平方米，售價(jià)在0.6億-1.3億日元左右（約合380-820萬(wàn)元人民幣）。HARUMI FLAG的光環(huán)不只是奧運(yùn)，日本許多知名公司將此打造為新技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)。

其中一項(xiàng)是氫能源的使用，松下與東京燃?xì)夂献鳎瑫?huì)為每戶(hù)家庭搭載家用燃料電池ENE.FARM，打造全日本首個(gè)全戶(hù)搭載“燃料電池+蓄電池+智能HEMS （家庭能源管理系統(tǒng)） ”的社區(qū)，許多家庭可實(shí)現(xiàn)電力自給;松下還計(jì)劃在公用部分提供4處純氫燃料電池，并在區(qū)域內(nèi)修建氫管線(xiàn)，向街區(qū)和車(chē)輛提供氫。

在日本，氫能源稱(chēng)為“水素”，視為未來(lái)核心的能源戰(zhàn)略。根據(jù)2017年2月制定的“氫能源基本戰(zhàn)略”，日本計(jì)劃在2030年實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電的商業(yè)化，推進(jìn)可大量生產(chǎn)、運(yùn)輸氫的全球性供應(yīng)鏈建設(shè)。其實(shí)，日本的產(chǎn)業(yè)界已更早行動(dòng)起來(lái)，多項(xiàng)成果已落地，商業(yè)化全球領(lǐng)先。

松下的新家電

松下在東京奧運(yùn)村推出的ENE.FARM，是日本的家庭用分布式氫燃料電池項(xiàng)目，其運(yùn)作原理是，從家用天然氣中提取氫，然后，將氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，用于發(fā)電，且產(chǎn)生的熱能以熱水形式回收，供家用以及取暖使用。

傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)電的能源利用率只有41%，ENE.FRAM系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)電能、熱能的綜合利用，將能源利用率提升到97%。據(jù)測(cè)算，利用該設(shè)備，一戶(hù)普通家庭一年可減少1.4噸溫室氣體的排放。

在地震多發(fā)的日本，維持一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電力供應(yīng)，有很多現(xiàn)實(shí)價(jià)值。目前，松下家用燃料電池設(shè)備的發(fā)電功率為0.7kW，足夠一般家庭使用，如有多余的電能，可上網(wǎng)售電。

據(jù)松下智能能源系統(tǒng)事業(yè)部的河村典彥介紹，日本一般電價(jià)約為1度電25日元，家庭燃料電池的發(fā)電，1度電成本約為20日元，同時(shí)產(chǎn)生大量熱水，這樣直接取代了熱水器，綜合考慮下來(lái)，按照每臺(tái)設(shè)備100萬(wàn)日元計(jì)，一般10年左右即可收回投資。

公開(kāi)資料顯示，日本對(duì)于家用燃料電池的興趣可追溯到1999年，并于2005年啟動(dòng)一個(gè)大型家用燃料電池示范項(xiàng)目。截至2009年，試點(diǎn)期間累計(jì)銷(xiāo)售分布式燃料電池系統(tǒng)只有約5000套，其后，日本政府開(kāi)始提供補(bǔ)貼，銷(xiāo)量節(jié)節(jié)攀升。

截至2019年6月，全日本已累計(jì)售出超過(guò)30萬(wàn)臺(tái)，松下一家售出16萬(wàn)臺(tái)，占據(jù)一半市場(chǎng)份額。日本政府有更加雄心勃勃的計(jì)劃，2030年，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)累計(jì)530萬(wàn)臺(tái)的目標(biāo)，屆時(shí)，將有10%的家庭會(huì)引入這種設(shè)備，并可能成為一種新的標(biāo)配電器。

松下也以不斷的技術(shù)迭代提升設(shè)備性?xún)r(jià)比，2009年起，10年時(shí)間推出了6代產(chǎn)品，每隔2年進(jìn)行一次改型設(shè)計(jì)，改進(jìn)功能和可用性，燃料電池系統(tǒng)價(jià)格快速下降，已由之前超過(guò)300萬(wàn)日元/臺(tái)降低到100萬(wàn)日元/臺(tái)，安裝面積從3.9平方米下降到1.5平方米，這樣，政府補(bǔ)貼額度得以不斷下降，從2009年的140萬(wàn)日元/臺(tái)降至2018年的4萬(wàn)日元/臺(tái)，直至2019年完全取消，完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

河村典彥告訴《21CBR》記者，家用燃料電池一般使用在兩個(gè)場(chǎng)景：一是新建住宅的裝修;二是原有住宅的翻修，尤其需更換熱水器時(shí)，很多人會(huì)選擇這種新設(shè)備。

松下的燃料電池計(jì)劃并不限于家用，其已公開(kāi)宣布，計(jì)劃在2021年4月上市純氫燃料電池。家用燃料電池需配備從天然氣中提取氫的裝置，而純氫燃料電池則直接使用氫，其特點(diǎn)是相對(duì)小型化，與蓄熱水裝置組合起來(lái)，可利用熱水實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，也能通過(guò)安裝多臺(tái)支持大功率，應(yīng)用于加氫站和小型商業(yè)設(shè)施，幫助其實(shí)現(xiàn)電力自足，未來(lái)，晴海項(xiàng)目也將配備相關(guān)設(shè)施。

目前，松下已在多地開(kāi)始純氫燃料電池的測(cè)試，比如位于橫濱綱島的ENEOS氫氣站，其純氫燃料電池利用氫氣站的氫氣進(jìn)行發(fā)電，為附設(shè)的氫展廳“Suiso terrace”提供電力，設(shè)備輸出功率為5kW，足夠展廳使用。

“氫化”交通

在日本，豐田、本田、ENEOS等公司則在交通領(lǐng)域推動(dòng)氫的使用，關(guān)鍵應(yīng)用是燃料電池汽車(chē)（FCV）和加氫站。

氫具有很高的能量密度，釋放能量足以使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，且氫與氧氣在燃料電池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只生成水，沒(méi)有污染。豐田、本田均已推出高續(xù)航里程的氫燃料電池汽車(chē)，將車(chē)載儲(chǔ)氣罐中儲(chǔ)存的氫氣，以車(chē)載燃料電池發(fā)電后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電動(dòng)汽車(chē)，代表車(chē)型是豐田的MIRAI和SORA（巴士），本田車(chē)型為Clarity Fuel Cell，性能大體與MIRAI保持在同一水平，兩者也是全球少數(shù)能量產(chǎn)的氫能源車(chē)。

豐田在FCV的推進(jìn)上尤為積極，豐田汽車(chē)社長(zhǎng)豐田章男曾形容：“氫燃料汽車(chē)是豐田未來(lái)非常關(guān)鍵的一部分。”MIRAI也是最具代表性的氫能源車(chē)。

MIRAI一詞在日語(yǔ)里是“未來(lái)”的意思，在2014年開(kāi)始量產(chǎn)銷(xiāo)售，現(xiàn)在日本國(guó)內(nèi)普及約3200輛，燃料電池是該車(chē)的核心技術(shù)之一，其新型燃料電池組的體積功率密度為3.2kW/L，電池組體積縮小到37L，重量減小到56公斤，車(chē)內(nèi)的兩個(gè)儲(chǔ)氫瓶可承受 700 個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，且其氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)化率高，較當(dāng)今全球能源轉(zhuǎn)化率最高的內(nèi)燃機(jī)效率高出兩倍不止。而且，F(xiàn)CV的使用不只無(wú)碳，也無(wú)大氣污染物。

在推進(jìn)車(chē)輛氫動(dòng)力化的同時(shí)，全日本已開(kāi)設(shè)109處氫氣站，根據(jù)日本經(jīng)產(chǎn)省執(zhí)行的“氫和燃料電池戰(zhàn)略路線(xiàn)圖”，2030年目標(biāo)普及80萬(wàn)FCV，到時(shí)將有約900座氫站。

目前，占據(jù)國(guó)內(nèi)燃油市場(chǎng)50%份額的JXTG能源集團(tuán)（ENEOS為其核心品牌），其氫站網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)居首，已在四大城市圈布局41座，占比接近四成，其中分成加油站一體型、單獨(dú)型和移動(dòng)式。為保證氫站的穩(wěn)定供應(yīng)，2016年3月，JXTG在日本橫濱的本牧事業(yè)所開(kāi)設(shè)了氫生產(chǎn)發(fā)送中心，以液化石油氣為原材料，大規(guī)模集中制取氫氣。

記者在橫濱綱島ENEOS加氫站看到，一輛車(chē)加氫只要3-5分鐘，MIRAI一次加滿(mǎn)約需氫5公斤，每公斤氫的售價(jià)為1080日元（約合人民幣68元），可行駛600公里，平均每公里燃料成本在0.5元人民幣左右。

當(dāng)然，氫氣在交通領(lǐng)域的大規(guī)模商用依然面臨很多挑戰(zhàn)。

比如 FCV本身量產(chǎn)化和低成本化的課題，需要進(jìn)一步延長(zhǎng)續(xù)航距離，并且投放大眾消費(fèi)車(chē)型。以MIRAI為例，2018年的車(chē)輛價(jià)格高于700萬(wàn)日元（約為46.6萬(wàn)元人民幣），比一般混合動(dòng)力車(chē)（HV）車(chē)高出300萬(wàn)日元。日本計(jì)劃到2020年左右，將兩種車(chē)的成本差距縮小到180萬(wàn)日元，2025年進(jìn)一步縮至70萬(wàn)日元。

就氫站而言，降低氫供應(yīng)成本，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本也是當(dāng)務(wù)之急。在訪(fǎng)談中得知，目前，一個(gè)氫氣站的建設(shè)成本高達(dá)4億-5億日元，是一般加油站的4-5倍。JXTG正致力于氫氣供應(yīng)商設(shè)備的小型化，立求在2020年后半葉實(shí)現(xiàn)氫站完全商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，屆時(shí)將充分利用起13000座的加油站網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整合運(yùn)營(yíng)。

萬(wàn)事俱備

日本發(fā)展氫氣的熱情，與其國(guó)情密切相關(guān)。

日本能源奇缺，尤其福島核電事故后，更加倚重進(jìn)口的化石能源，其能源自給率迅速下降，從2010年的19.9%降至2012年的6%。

目前，日本一次能源約94%來(lái)自化石能源，主要為進(jìn)口，這不止危及能源安全，也加劇了日本的減排壓力。按照《巴黎協(xié)定》，以2013年二氧化碳排放量為基準(zhǔn)，日本須在2030年前降低26%，到2050年下降80%。日本曾一度將太陽(yáng)能視作重要的解決路徑，然而，太陽(yáng)能穩(wěn)定性天然較弱，沖擊電力網(wǎng)絡(luò)，多家電力公司其后宣布停止收購(gòu)太陽(yáng)能。

發(fā)展氫能源的好處則是多方面的，不僅限于環(huán)保減排。比如，氫能生產(chǎn)方法多樣，最簡(jiǎn)單的方法是電解水，也能以煤炭焦化或氣化的方法制取，ENE.FARM則是用天然氣制氫，可穩(wěn)定供給，保證能源安全，且能源密度約為一般電池的7倍，易于長(zhǎng)期存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

重要的是，氫能源暗含著一種零排放的能源解決路徑。比如，借力太陽(yáng)能、風(fēng)能及海洋能等可再生資源發(fā)電，以電制得氫氣，將氫用作中間載能體進(jìn)行調(diào)節(jié)，將過(guò)剩的可再生能源轉(zhuǎn)為氫儲(chǔ)能，再通過(guò)電網(wǎng)轉(zhuǎn)為可控的電能。松下在日本山梨已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)實(shí)證測(cè)試，其太陽(yáng)能面板獲取電能，用來(lái)水電解制氫，儲(chǔ)存的氫氣可經(jīng)其純氫燃料電池發(fā)電，實(shí)現(xiàn)可再生能源的平滑使用。

氫氣在安全層面的問(wèn)題也基本得以解決，氫氣本身?yè)碛幸讚]發(fā)、不易爆炸的特性，在運(yùn)輸途中的危險(xiǎn)性非常小。日本在壓縮后裝入“儲(chǔ)氫瓶”，以電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助安全裝置，已有效地解決氫氣存儲(chǔ)及泄漏問(wèn)題，大幅降低汽車(chē)劇烈碰撞時(shí)氫氣爆炸的可能。

在氫氣站的安全性方面，JXTG等公司已有10年以上的技術(shù)實(shí)證和經(jīng)驗(yàn)，為保證氫氣的利用，利用氫的擴(kuò)散性進(jìn)行開(kāi)放設(shè)計(jì)，確保與場(chǎng)地邊界和公路等的距離，用各種設(shè)備檢測(cè)器監(jiān)控氫泄漏、溫度、壓力等指標(biāo)，防范地震、火災(zāi)等異常情況。日本行業(yè)協(xié)會(huì)甚至在2018年5月，制定了“自助充填指導(dǎo)方針”，比如，在綱島ENEOS加氫站，用戶(hù)可自助在氫站加氫。

為加速氫氣事業(yè)的開(kāi)展，支持氫氣站本身的商業(yè)化，2018年2月，豐田、日產(chǎn)、JXTG等11家公司宣布聯(lián)合成立“Japan H2 Mobility（下稱(chēng)JHyM）”，聯(lián)手打造全球第一個(gè)框架，促進(jìn)在日本全境部署加氫站，確立的基礎(chǔ)目標(biāo)是2020年新建160個(gè)氫氣站，普及約4萬(wàn)輛FCV，JHyM的生態(tài)圈在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在已有23家公司參加，遍及基礎(chǔ)設(shè)施、汽車(chē)制造、金融投資三大領(lǐng)域。

可以說(shuō)，日本氫能源開(kāi)發(fā)利用已萬(wàn)事俱備，漸成星火燎原之勢(shì)，并在全球居于領(lǐng)先地位。比如，豐田公司的燃料電池專(zhuān)利數(shù)量居世界首位，其專(zhuān)利涉及從制氫到整車(chē)裝備的所有環(huán)節(jié)，截至2018年9月，包括在建的氫氣站以?xún)?nèi)，日本也以134座、34%的全球占比遙遙領(lǐng)先。雖然汽車(chē)電池路線(xiàn)之爭(zhēng)尚未有定論，但其潛力不容小覷。

同時(shí)，政府正在快速推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合行動(dòng)。根據(jù)日本經(jīng)產(chǎn)省2019年3月修訂的“氫和燃料電池戰(zhàn)略路線(xiàn)圖”，日本擬在車(chē)輛價(jià)格、開(kāi)發(fā)新一代充填機(jī)（緩和冷卻設(shè)備）、提高密封材料和軟管的耐用性、以遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)氫站運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化、在氫站使用低成本鋼材等領(lǐng)域持續(xù)努力，以更快速度加快商業(yè)化步伐，提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)也將成為日本展示氫能源技術(shù)的重要舞臺(tái)，包括松下的ENE.FARM家用燃料電池，氫能源將會(huì)用于奧運(yùn)相關(guān)的多個(gè)場(chǎng)景，而HARUMI FLAG奧運(yùn)村項(xiàng)目將有望成為展示氫技術(shù)的樣板小區(qū)。