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另一方面,为了达到减少温室气体排放的目标;
第三,通过发展氢能源相关的技术,可以有效维护日本在世界上的技术强国和经济强国的良好形象。
因此,日本政府将发展氢能源技术作为一项基本国策,因为这事关日本的能源安全。
1、政府主导
日本政府在新能源开发过程中始终发挥着主导作用。
首先是由政府牵头相关机构制定新能源技术开发计划,并不断调整确定各个时期的重点领域的技术开发研究项目。
1974年,上世纪第一次石油危机后,日本通商产业省工业技术院(产业技术综合研究所的前身)就开始启动“阳光计划”,把太阳能、地热、煤炭、氢能源等4个领域作为石油替代能源的重点进行开发研究。
1980年,日本又成立新能源综合开发机构(现新能源及产业技术综合开发机构),把煤炭液化技术、大规模深部地热开发的勘探及开采技术、太阳能发电等方面的技术作为重点推动开发的项目。
1981年,启动“月光计划”,重点推动燃料电池的开发研究。
1993年,日本又把阳光、月光计划进行整合出台“新阳光计划”,把原来各自独立推进的有关新能源、节能和地球环境3个领域的技术开发进行综合性推进。
2001年把新阳光计划的研究开发主题项目化,并征求产业界、学术界的意见对项目实施情况进行严格的评估,以此来推动新能源的开发推广。
其次是政府定期发布“长期能源供需预测报告”,向社会提供有关将来能源供需构成信息。
长期能源供需预测报告的作用主要有三个方面,一是向国民提供能源供求趋势和国家政策走向信息;
二是对国家政策进行检查和评估;
三是对能源供应结构进行定量分析预测。
日本政府的这些做法使企业和技术研发部门能及时明确国家的政策走向并积极与政府合作开发与政策取向一致的新技术和新设备,同时也使国民及时了解国家的能源形势和政策走向,约束和规范自身的能源消费行为。
2、法律先行
石油危机对日本经济的冲击迫使日本政府把新能源开发臵于事关国家安全的高度来认识,因此首先通过制定法律来推动实施。
1980年,日本制定了《石油替代能源开发及引进促进法》,1992年又对该法进行了修改。
根据该法日本政府制定替代能源的发展目标、制定优惠政策鼓励和促进新能源技术开发及推广普及的具体措施。
为保证替代能源发展目标的实现,1997年又制定《新能源利用促进特别措施法》,该法进一步明确了相关主体在推动新能源利用方面的作用,规定对使用新能源的单位予以金融支援。
2002年,日本政府又通过政令对新能源法进行了补充,把生物能、冰雪能等也列入了新能源的范畴,进行开发推广使用。
2003年4月开始生效实施的《电力企业利用新能源特别措施法》规定,电力企业有义务使用一定量的新能源发电(主要包括太阳能、风能、地热、中小水力发电、生物能等5种),经济产业省按各电力企业的电力销售量每4年核定一次电力企业应该使用的新能源发电量。
2008财年的目标值为74.7亿千瓦时已完成,2010年122亿千瓦时、2014年160亿千瓦时。
电力公司还可以通过从其他电力企业购买新能源发电等方式来完成应承担的义务量。
日本在不断修改完善法律的同时,也对新能源的定义和范畴不断进行调整。
在日本,最早的新能源主要是指核电、煤炭、天然气等石油替代能源。
现在,日本新能源的概念和范畴是2006年确定的,主要是指可再生能源中,那些有必要在技术研发、推广普及等方面予以支援的能源,具体包括风力发电、太阳能发电、太阳热利用、地热发电、1000kW以下的中小水电、生物热利用(含工厂废液、废料等)、生物燃料制造、雪冰热量利用、海水及河流等其它水源热利用等。
此外,电动汽车、天然气汽车、甲醇汽车、燃料电池以及利用废热发电等也在支援之列。
据日本综合能源资源调查会的数据,日本新能源占一次性能源供应量的比例已经将在2020年到达8.2%、2030年将上升到11.1%的水平。
3、2015年日本氢能源补贴预算概况
14年8月,日本经产省的一份文件称,正为新财年申请2064亿日元(约121亿元人民币)节能预算,较上一财年增加了32%。
其中氢能源相关项目的预算将从2013年的165亿日元倍增至401亿,预算主要包括加氢站建设补贴,氢能源汽车购臵补贴和家用燃料电池的安装补贴等。
(1)家用燃料电池导入补贴:
150亿日元
日本从2009年开始,作为世界首个国家,开始推广家庭用燃料电池。
目前已有10万户日本家庭安装了家用燃料电池系统,而日本政府的目标是希望将这一数字扩大到530万,也就是日本家庭总数的十分之一。
预算补贴对象包括:
家用燃料电池的购买者和佳通燃料电池的生产者。
家用燃料电池的规格需符合以下条件:
发电功率在0.5-1.5kW;
低位发热标准下的综合转换效率在80%以上;
热水容量在50L以上。
(2)氢气供给设备制造业发展补贴:
110亿日元
加氢设施的建设,是氢燃料电池汽车和氢内燃机汽车推广的基础和前提,而目前来看,加氢设施(以车用加氢站为例)的建设成本过高,2014年底或2015年初,丰田的氢燃料电池汽车就将推向市场,在车用氢能源产业发展的早期,需要政府在加氢设施的建设、营运方法的确立和加氢设施的活用上给予一定的经费支持。
(3)燃料电池应用高新技术开发和产业化补贴:
40亿日元
固体高分子燃料电池(PEFC)和固体酸化物燃料电池(SOFC)的普及和用途多元化,以及高效率、高耐久度、低功耗的燃料电池技术的实现,都需要在燃料电池技术本身实现突破。
1)基础技术开发
高效率、高耐久度、低功耗的实现需要降低贵金属催化剂的消耗,或者非贵金属催化剂和电解质等产品技术的研发;
膜电极接合体(MEA)和MEA构成材料的设计技术、反应过程中的物质移动现象的解析和控制技术、燃料电池的评价和解析技术的研发;
针对SOFC耐用性的提高和功耗的降低的快速评价方法。
2)产业化技术开发
燃料电池组件,例如电极触媒、电解质、MEA等大规模生产的方法和质量管理等技术的研发;
PEFC的估计所涉及的技术开发;
民用&
产业用SOFC在产业化早期进行的实证研究。
3)新一代技术开发
新型燃料电池技术的研发,燃料电池多元化应用的产业实践和推广,燃料电池的低功耗化等新型技术。
(4)氢气应用技术研发补贴:
45亿日元
这块预算的主要用途包括以下三个方面:
保证氢燃料电池汽车能够以世界最快的速度在2014年内投放市场,确保日本在燃料电池汽车领域的国际竞争力,特别是相关标准的制定和相关标准在国际的推广;
加快燃料电池汽车和氢能源相关产业发展、燃料电池汽车相关产业竞争力的提高、氢气制备和运输、燃料电池汽车价格的降低等技术的研发;
紧密跟踪欧美等海外氢能源技术的发展情况,促进居民接受氢能源技术和设施等促进产业化落地等工作。
(5)未来推进海外废氢进口事业的补贴:
38亿日元
家用燃料电池普及顺利推广,燃料电池汽车市场投放进度在预期之内,未来氢气发电也非常值得期待,可以看到,氢能源的用途正在逐渐扩大。
而氢能源应用规模的扩大,氢气来源的稳定就显得十分重要。
特别是考虑到未来的氢气电站对氢气的需求量,日本国内目前的氢气产量是远远不够的,因此从国外(例如中国)进口作为工业副产品的未被利用的氢气就是一种非常好的解决国内氢气不足的办法。
因此,氢气的大规模应用和氢气的制备、运输和储存技术息息相关,需要政府给予支持,主要包括:
液化氢气运输船技术(液氢运输船国际标准的争夺);
海外工业废氢进口所涉及的氢气运输和储存技术(低温液化,高压灌装,储氢材料等);
大型氢气电站技术的产业化等
二、家用燃料电池加速普及中
1、能源综合利用率高,有效节能减排
将燃料电池技术集成在热电联产中能够将多余热能回收用于住宅或者工厂,产生的热量可用于集中供暖或供应热水,这种装臵叫家庭用小型热电联产(CHP),是氢燃料电池在固定式领域的重要用途之一,此外,还包括备用电源、大型电站等各种固定位臵的使用方式。
这种家用小型CHP是日本目前普及率最高的氢能源装臵。
不过这种装臵并不是直接采用氢气进行发电,而是将LNG或者LPG先重整制成氢气,之后通入燃料电池进行反应发电,并将反应的余热用来加热水。
日本目前市场上使用最广泛的燃料电池的能源综合利用效率在80%以上,松下和东芝2014年4月开始推出的新款产品,其能源综合利用效率已经达到了90%以上。
虽然这些产品主要是针对日本的一户建住宅形式,不过松下目前也推出了可供大型公寓楼使用的燃料电池CHP产品。
燃料电池的使用,可以有效减少二氧化碳的排放,以4人的一户建家庭为例,使用700W的燃料电池CHP之后,一年的二氧化碳排放量较使用前降低了49%,约有1.6t,相当于112棵杉树(50年树龄,直径26cm,高22m)全年的吸收量。
2、日本氢能发展战略氢燃料电池部分
日本目前已经制定了详细的氢燃料电池发展普及战略,其中最重要的部分是针对家用燃料电池。
如下图所示,日本的目标是在2020年完成140万台家用燃料电池的落地,到2030年完成530万台,达到日本家庭总数的十分之一,并且从2030年开始在部分地区导入不需要重整装臵、直接使用氢气的纯氢燃料电池,氢气采用就近输送。
日本从2009年开始推广燃料电池到现在,已经取得了10万台的销量,而随着技术的进步和成熟,家用燃料电池的成本和售价也在循序下降,单个燃料电池CHP系统的售价从2009年的303万日元下降到2024年的149万日元,降幅超过50%。
三、加氢站大规模开建,氢燃料电池汽车上市遇抢购
1、氢燃料电池车的普及对日本意义重大
日本是一个岛国,自然资源十分匮乏,原油几乎全部依靠进口,从石油制品的终端使用量来看,数据表明运输部门的消耗占到了日本全部石油制品的20%以上(2012年数据)。
因此,解决交通运输领域的能源消耗问题,将极大的有利于解决整个国家的石油依赖问题。
日本的研究数据表明,当燃料电池汽车的普及率达到600万台,也就是占到全日本家用轿车的10%,那么交通运输部门的二氧化碳排放量将降低9%。
2、加氢站是氢燃料电池汽车普及的前提
加氢站之于氢燃料电池汽车就像充电桩之于纯电动汽车,没有硬件基础设施,那氢燃料电池汽车的普及就无从谈起。
日本在这方面做得非常好,一边是氢燃料电池车量产的顺利进行,另一边同时进行加氢站的建设。
根据前文所述的氢燃料电池发展战略,日本计划于2015年在关西地区、九州北部、中京地区和首都地区完成100座加氢站的建设任务,并通过高速公路将这四大核心区域连接起来,打造氢能源利用的先行标杆。
目前已建成的有4座,正在建设中的有41座。
加氢站统一采用70MPa的高压氢,对一个固定式加氢站来讲,每个的成本约在4-5亿日元(均值4.6亿日元)。
其中最贵的是压缩机,其次为土木工事费用。
3、氢燃料电池汽车上市遇抢购
14年一季度,纳斯达克上市的两家做燃料电池系统的公司PLUG和BLDP,在订单驱动下出现暴涨。
不过从产品来看,主要使用在搬运设备叉车上,而真正能用到家用轿车上,还是要看日本。
简单从专利数量来看,全球60%的燃料电池专利基本掌握在日本的公司和研究机构手中。
14年12月15日,丰田正式在日本发售氢燃料电池汽车,售价723.6万日元(约合人民币40万元),日本政府会对每辆汽车补贴202万日元,消费者只需支付约521.6万日元(约合27万元人民币)。
虽然这个价格对大多数日本家庭来说,仍然属于高端家用车的范畴,但是从实际销售情况来看,得到了消费者的热烈追捧。
新车开售后不久,丰田就宣布收到1000辆的订单,远高于预期的400辆,丰田也将提升3倍产能(原产能为1000辆/年),显示了市场对氢能源汽车的极大热情。
新款氢燃料电池汽车性能卓越,续航能力强,燃料电池最大功率在100kW以上,功率密度达到3kW/L以上,单次加氢只需3分钟,且续航里程可达到700km,能够完美的满足人们日常出行的需要。
对比本田和丰田新推出的氢燃料电池车也可以看出,日本的氢燃料电池汽车市场已经形成了统一的技术标准。
实际上,丰田、本田和日常已经形成了氢燃料电池车的联盟,通过氢燃料电池车的标准化,间接的要求加氢设施、其他零部件等和他们的车相一致。
4、日本氢能发展战略氢燃料电池汽车部分
同家用燃料电池一样,日本政府同样为氢燃料电池汽车的发展制定了详细的规划。
目标是:
到2020年使得终端燃料氢气的价格下降到和化石燃料相同甚至以下,到2025年,相似车型的氢燃料电池车和传统的化石燃料车在价格上能够有较强的竞争力。
四、氢气的制备、储存和运输
1、制备:
废氢利用→化石燃料改质→可再生能源电解→光解
氢的规模制备技术已较为成熟,可通过天然气重整、石油催化裂解等技术实现,大规模制氢已基本不成问题。
从日本目前的氢气制备情况来看,主要是通过利用工业废氢和化石燃料改质来制取氢气,中期目标是利用可再生能源(风力、光伏、地热)发电进行水电解制氢,从长远看,它还可利用太阳能光解或生物制氢等技术加以解决。
2、储存和运输:
车用高压氢,进口和电站选液化或储氢材料
相比上游的制备和下游的应用环节,氢能源产业的困难还在于氢气的储存。
一般来讲,氢气的储存有3种方法,包括高压、低温液化和储氢材料。
(1)国内车用加氢网络建设:
选择70MPa高压氢气
从我们这次调研的情况来看,日本在发展氢燃料电池汽车和加氢网络建设上选择了高压氢的技术路径。
我们认为这主要是由于日本车企在碳纤维方面有着世界领先的技术,因此他可以利用碳纤维缠绕技术大幅提高气瓶的耐压性能。
氢燃料电池汽车之所以采用70MPa的高压氢从一定程度上来说,与日本三大车企本田、丰田和日产的主导的标准制定有着一定的关系。
需要注意的是,即将量产的氢燃料电池汽车和正在建设的加氢站所采用压力标准也都提高到了70MPa,虽然压力提高了一倍,但是安全性能仍然有保证,例如加氢过程就不需要手持的氢气泄露检测仪,因为加氢枪头自带检测功能。
我们在“氢气相关产品研究开发支持中心”所看到的压强最大的储氢罐是99MPa,容积为300公升,售价约为800万日元(目标在3年内成本下降到80万日元),如下图所示。
而实际上,在99MPa压力下,储氢罐的容积可以做到500公升。
对于一个大型加氢站来讲,至少需要24个这种类型的大型钢瓶。
(2)氢气进口和氢气电站建设:
液化或利用储氢材料
对车用氢能来讲,日本本国通过废氢利用、化石燃料改质、利用电网富余电力进行制备,在氢燃料电池汽车没有大规模普及前,这些氢气基本可以满足需要。
然而当氢燃料电池汽车大规模普及、氢气电站大规模发电时,日本本土制备的氢气就难以满足市场需要了,这就需要从海外进口氢气。
在涉及这种远距离大量氢气运输的情况时,采用高压氢就不是一种很好的办法了。
日本目前正在研究的有两种方式,一种是液化氢气运输船,另一种则是有机液态储氢材料。
对于第一种方式,氢气需要在-253℃液化,低温液化储氢技术的能量密度比高压氢气高5倍以上,储氢量大。
但是氢气的深冷液化十分困难,而且高能耗(约占储氢能量的25%~45%),另外液化需要极其特殊储罐,高昂的成本也制约着规模化利用。
不过以川崎重工为代表的日本重工业企业正在积极研发相关技术和设备,力求作为世界上第一家生产出液态氢运输船的公司,使相关标准成为国际标准。
川崎重工利用LNG船的设计和建造的丰富经验,并以此为基础研发了液化氢储存系统。
液态氢是一种易挥发的液化天然气,所以必须改装封闭系统。
目前,川崎重工已经获得NK批准,设计和建造一艘安装该封闭系统的液化氢运输船。
这艘叠加型储罐的液态氢运输船货容量为1250立方米。
为了尽量减少液态氢热渗透,其货物维护系统将使用一个类似于“热水瓶”双壳真空绝热系统。
支持船体结构的安全壳是采用热传导非常低并且结构强度非常高的新开发的复合材料组成。
圆顶室已被添加到该储罐上,只提供一个进行储罐内部检查的孔,这将类似于双层绝缘系统。
川崎重工已经开发了两型液态氢运输船设计备选方案:
两个球型储罐和多个球型储罐船舶,货运能力均为2500立方米,船体均为双面壳和双层底壳,以尽量降低搁浅或者碰撞发生的事故风险。
货舱为全覆盖,以防止安全壳外部损伤和露天。
对于第二种方式,目前储氢材料主要可分为物理吸附类材料、金属合金氢化物材料、复合化学氢化合物材料、液态有机储氢材料等。
不过,基本上所有的储氢材料或多或少都在储氢量、催化剂、反应温度、成本等方面存在一定的不足,最终导致难以大规模应用。
考虑到运输、流通和使用的方便,能够在常温常压下储存大量氢气的有机液态储氢材料会是一个非常好的选择,按照日本的标准这种材料的储氢质量分数最好在6%上下。
千代田化工建设公司正在积极推进这项技术的实证研究。
3、日本氢能发展战略氢气的制备、运输和储存部分
按照日本氢能发展战略中对氢气的制备、运输和储存部分的规划,日本要在2020年代后半段正式建立海外未利用废氢进入日本的供应系统,2030年开始以氢气作为原料的发电站将会大规模建设,氢能产业链一体化的行程并顺利运转,氢气价格有望加速下降。
最后,到2040年,在日本将氢气的使用和二氧化碳的回收结合起来,正式建立起“二氧化碳回收——氢气供给”的可再生能源循环系统。
日本新能源产业的技术综合开发机构NEDO对日本氢能源未来供需情况的研究表明,到2015年国内氢能产业或将出现供大于需,需求约为152亿Nm3,而供给约为270亿Nm3~330亿Nm3。
而2030年基本达到供需平衡,需求约为179亿Nm3~399亿Nm3,供给约为360亿Nm3~420亿Nm3。
五、投资策略和相关公司简况
1、第一梯队:
以控股形式直接切入氢能源产业核心环节
(1)富瑞特装:
目前唯一突破氢能产业关键储氢难题的公司
江苏氢阳能源有限公司是富瑞特装、武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司、程寒松教授、张家港氢力新能源有限公司共同出资组建,主要从事氢能源领域内的技术研发、技术转让、技术咨询及相关技术服务。
目前公司主要项目是一种常温常压有机液态储氢材料的研发和产业化,项目由程寒松教授领军,程教授是该领域全球知名专家之一,根据公开资料,相关技术已经完成初试,一旦技术得以产业化成功,那么将突破制约氢能源产业发展的最大瓶颈——氢气的储存和运输问题,实现氢气储存和运输的成本和安全问题同时解决。
根据公司公告,在第五期出资到位后,富瑞特装将持有氢阳能源51.97%的股份,处于绝对控股地位,一旦这种储氢材料产业化成功,将打开氢能源产业的发展空间,引发新能源领域的一次巨大的变革。
(2)三环集团:
燃料电池隔膜板生产厂商,可用于固体氧化物燃料电池
燃料电池隔膜板是由掺杂氧化锆粉体并加入一定有机组份,经球磨、成型和烧结后形成的具有一定尺寸及形状的陶瓷功能片。
燃料电池隔膜板主要应用于高温固体氧化物燃料电池系统中,其作用是作为燃料电池的电解质。
公司燃料电池隔膜板产品自2012年开始量产,2013年实现营业收入21477.45万元,占比10.63%,实现营业利润9886.23万元,占比10.92%,14年上半年实现营收10197.22万元,占比9.38%,实现营业利润4021.02万元,占比8.06%。
2、第二梯队:
以参股等形式间接进入到产业链核心环节
中科同力化工材料有限公司和新源动力股份有限公司是国内从事氢燃料电池,这两家公司均未上市,但是公司股东中却有上市公司,他们有望间接受益氢燃料电池的行业反转。
(1)同济科技、江苏阳光、复星医药
上海中科同力化工材料有限公司是中国科学院上海有机化学研究所、上海同济科技实业股份有限公司以及上海神力科技有限公司等共同组建。
公司主要致力于研制和生产国产质子膜燃料电池汽车核心部件——质子膜,质子膜燃料电池已经同济大学研制成功并投放市场。
同济科技持有中科同力36.23%的股份。
上海神力科技有限公司,专门从事质子交换膜燃料电池产品研发与产业化的高科技民营企业。
上海神力科技在国家科技部,上海市政府重点培育与支持下,通过承担与完成国家“九〃五”重点攻关计划、“十〃五”863及“十一〃五”863重大攻关计划燃料电池发动机课题,已成为中国领先的燃料电池技术研发与产业化规模最大的高科技公司,拥有完全自主知识产权的燃料电池技术并达到国际先进水平。
公司主要产品为燃料电池系统以及关键部件。
上海神力科技有限公司股东:
江苏阳光、复星医药分别参股上海神力科技有限公司31.04%和5.23%。
(2)上汽集团、长城电工、南都电源、新大洲
新源动力股份有限公司主要从事质子交换膜燃料电池及组件的研制生产,被国家授予“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”,是目前国内燃料电池领域规模最大的企业。
新源动力股东:
上汽集团、长城电工、南都电源、新大洲A分别持有新源动力34.2%、9.0%、8.1%和3.4%的股权。
3、第三梯队:
氢燃料电池产业链相关,包括电池和整车生产两块
(1)燃料电池部分
①氢气供应:
华昌化工
氢燃料电池的燃料:
氢气,至关重要,如何安全储存运送氢气,更是成为重要课题。
华昌化工产品硼氢化钠便是一种可能的贮氢材料,其单位质量的释氢量非常高,储运使用安全,有可能作为氢燃料电池的即时供应氢源。
②电解质:
三爱富、巨化股份
各类电池的电解质各不相同:
AFC(氢氧化钾),PAFC(磷酸盐基质),MCFC(碳酸锂、碳酸钠、碳
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