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，一個名為HARUMI FLAG的在建項目引人矚目，項目由三井、三菱、住友等日本知名財團旗下的地產(chǎn)公司聯(lián)合開發(fā)，這里將成為2020年東京奧運會的奧運村所在地。奧運會結(jié)束后，內(nèi)部設施拆除后會重新裝修向外出售，成為一個5600戶家庭、12000人口的大型社區(qū)。

東京奧運村共有5種主力戶型，大體有62-106平方米，售價在0.6億-1.3億日元左右（約合380-820萬元人民幣）。HARUMI FLAG的光環(huán)不只是奧運，日本許多知名公司將此打造為新技術試驗場。

其中一項是氫能源的使用，松下與東京燃氣合作，會為每戶家庭搭載家用燃料電池ENE.FARM，打造全日本首個全戶搭載“燃料電池+蓄電池+智能HEMS （家庭能源管理系統(tǒng)） ”的社區(qū)，許多家庭可實現(xiàn)電力自給;松下還計劃在公用部分提供4處純氫燃料電池，并在區(qū)域內(nèi)修建氫管線，向街區(qū)和車輛提供氫。

在日本，氫能源稱為“水素”，視為未來核心的能源戰(zhàn)略。根據(jù)2017年2月制定的“氫能源基本戰(zhàn)略”，日本計劃在2030年實現(xiàn)氫能發(fā)電的商業(yè)化，推進可大量生產(chǎn)、運輸氫的全球性供應鏈建設。其實，日本的產(chǎn)業(yè)界已更早行動起來，多項成果已落地，商業(yè)化全球領先。

松下的新家電

松下在東京奧運村推出的ENE.FARM，是日本的家庭用分布式氫燃料電池項目，其運作原理是，從家用天然氣中提取氫，然后，將氫氣與氧氣發(fā)生化學反應，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)則可以實現(xiàn)電能、熱能的綜合利用，將能源利用率提升到97%。據(jù)測算，利用該設備，一戶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，維持一個相對獨立的電力供應，有很多現(xiàn)實價值。目前，松下家用燃料電池設備的發(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，同時產(chǎn)生大量熱水，這樣直接取代了熱水器，綜合考慮下來，按照每臺設備100萬日元計，一般10年左右即可收回投資。

公開資料顯示，日本對于家用燃料電池的興趣可追溯到1999年，并于2005年啟動一個大型家用燃料電池示范項目。截至2009年，試點期間累計銷售分布式燃料電池系統(tǒng)只有約5000套，其后，日本政府開始提供補貼，銷量節(jié)節(jié)攀升。

截至2019年6月，全日本已累計售出超過30萬臺，松下一家售出16萬臺，占據(jù)一半市場份額。日本政府有更加雄心勃勃的計劃，2030年，計劃實現(xiàn)累計530萬臺的目標，屆時，將有10%的家庭會引入這種設備，并可能成為一種新的標配電器。

松下也以不斷的技術迭代提升設備性價比，2009年起，10年時間推出了6代產(chǎn)品，每隔2年進行一次改型設計，改進功能和可用性，燃料電池系統(tǒng)價格快速下降，已由之前超過300萬日元/臺降低到100萬日元/臺，安裝面積從3.9平方米下降到1.5平方米，這樣，政府補貼額度得以不斷下降，從2009年的140萬日元/臺降至2018年的4萬日元/臺，直至2019年完全取消，完全實現(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場景：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，很多人會選擇這種新設備。

松下的燃料電池計劃并不限于家用，其已公開宣布，計劃在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，其特點是相對小型化，與蓄熱水裝置組合起來，可利用熱水實現(xiàn)熱電聯(lián)供，也能通過安裝多臺支持大功率，應用于加氫站和小型商業(yè)設施，幫助其實現(xiàn)電力自足，未來，晴海項目也將配備相關設施。

目前，松下已在多地開始純氫燃料電池的測試，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行發(fā)電，為附設的氫展廳“Suiso terrace”提供電力，設備輸出功率為5kW，足夠展廳使用。

“氫化”交通

在日本，豐田、本田、ENEOS等公司則在交通領域推動氫的使用，關鍵應用是燃料電池汽車（FCV）和加氫站。

氫具有很高的能量密度，釋放能量足以使汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)，且氫與氧氣在燃料電池中發(fā)生化學反應只生成水，沒有污染。豐田、本田均已推出高續(xù)航里程的氫燃料電池汽車，將車載儲氣罐中儲存的氫氣，以車載燃料電池發(fā)電后驅(qū)動電動機運行的電動汽車，代表車型是豐田的MIRAI和SORA（巴士），本田車型為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。

豐田在FCV的推進上尤為積極，豐田汽車社長豐田章男曾形容：“氫燃料汽車是豐田未來非常關鍵的一部分。”MIRAI也是最具代表性的氫能源車。

MIRAI一詞在日語里是“未來”的意思，在2014年開始量產(chǎn)銷售，現(xiàn)在日本國內(nèi)普及約3200輛，燃料電池是該車的核心技術之一，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，車內(nèi)的兩個儲氫瓶可承受 700 個大氣壓的壓強，且其氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)化率高，較當今全球能源轉(zhuǎn)化率最高的內(nèi)燃機效率高出兩倍不止。而且，F(xiàn)CV的使用不只無碳，也無大氣污染物。

在推進車輛氫動力化的同時，全日本已開設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)略路線圖”，2030年目標普及80萬FCV，到時將有約900座氫站。

目前，占據(jù)國內(nèi)燃油市場50%份額的JXTG能源集團（ENEOS為其核心品牌），其氫站網(wǎng)絡在全國居首，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、單獨型和移動式。為保證氫站的穩(wěn)定供應，2016年3月，JXTG在日本橫濱的本牧事業(yè)所開設了氫生產(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，一輛車加氫只要3-5分鐘，MIRAI一次加滿約需氫5公斤，每公斤氫的售價為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。

當然，氫氣在交通領域的大規(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，需要進一步延長續(xù)航距離，并且投放大眾消費車型。以MIRAI為例，2018年的車輛價格高于700萬日元（約為46.6萬元人民幣），比一般混合動力車（HV）車高出300萬日元。日本計劃到2020年左右，將兩種車的成本差距縮小到180萬日元，2025年進一步縮至70萬日元。

就氫站而言，降低氫供應成本，降低建設和運營成本也是當務之急。在訪談中得知，目前，一個氫氣站的建設成本高達4億-5億日元，是一般加油站的4-5倍。JXTG正致力于氫氣供應商設備的小型化，立求在2020年后半葉實現(xiàn)氫站完全商業(yè)化運營，屆時將充分利用起13000座的加油站網(wǎng)絡，進行整合運營。

萬事俱備

日本發(fā)展氫氣的熱情，與其國情密切相關。

日本能源奇缺，尤其福島核電事故后，更加倚重進口的化石能源，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%來自化石能源，主要為進口，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，日本須在2030年前降低26%，到2050年下降80%。日本曾一度將太陽能視作重要的解決路徑，然而，太陽能穩(wěn)定性天然較弱，沖擊電力網(wǎng)絡，多家電力公司其后宣布停止收購太陽能。

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，易于長期存儲和運輸。

重要的是，氫能源暗含著一種零排放的能源解決路徑。比如，借力太陽能、風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行調(diào)節(jié)，將過剩的可再生能源轉(zhuǎn)為氫儲能，再通過電網(wǎng)轉(zhuǎn)為可控的電能。松下在日本山梨已經(jīng)開展相關實證測試，其太陽能面板獲取電能，用來水電解制氫，儲存的氫氣可經(jīng)其純氫燃料電池發(fā)電，實現(xiàn)可再生能源的平滑使用。

氫氣在安全層面的問題也基本得以解決，氫氣本身擁有易揮發(fā)、不易爆炸的特性，在運輸途中的危險性非常小。日本在壓縮后裝入“儲氫瓶”，以電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動截止閥、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及泄漏問題，大幅降低汽車劇烈碰撞時氫氣爆炸的可能。

在氫氣站的安全性方面，JXTG等公司已有10年以上的技術實證和經(jīng)驗，為保證氫氣的利用，利用氫的擴散性進行開放設計，確保與場地邊界和公路等的距離，用各種設備檢測器監(jiān)控氫泄漏、溫度、壓力等指標，防范地震、火災等異常情況。日本行業(yè)協(xié)會甚至在2018年5月，制定了“自助充填指導方針”，比如，在綱島ENEOS加氫站，用戶可自助在氫站加氫。

為加速氫氣事業(yè)的開展，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JHyM）”，聯(lián)手打造全球第一個框架，促進在日本全境部署加氫站，確立的基礎目標是2020年新建160個氫氣站，普及約4萬輛FCV，JHyM的生態(tài)圈在不斷擴大，現(xiàn)在已有23家公司參加，遍及基礎設施、汽車制造、金融投資三大領域。

可以說，日本氫能源開發(fā)利用已萬事俱備，漸成星火燎原之勢，并在全球居于領先地位。比如，豐田公司的燃料電池專利數(shù)量居世界首位，其專利涉及從制氫到整車裝備的所有環(huán)節(jié)，截至2018年9月，包括在建的氫氣站以內(nèi)，日本也以134座、34%的全球占比遙遙領先。雖然汽車電池路線之爭尚未有定論，但其潛力不容小覷。

同時，政府正在快速推進相關產(chǎn)學研的聯(lián)合行動。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)略路線圖”，日本擬在車輛價格、開發(fā)新一代充填機（緩和冷卻設備）、提高密封材料和軟管的耐用性、以遠程監(jiān)控實現(xiàn)氫站運營自動化、在氫站使用低成本鋼材等領域持續(xù)努力，以更快速度加快商業(yè)化步伐，提高產(chǎn)業(yè)競爭力。

2020年東京奧運會也將成為日本展示氫能源技術的重要舞臺，包括松下的ENE.FARM家用燃料電池，氫能源將會用于奧運相關的多個場景，而HARUMI FLAG奧運村項目將有望成為展示氫技術的樣板小區(qū)。