日本承诺到2050年实现零碳排放，能否兑现取决于一种被许多人认为成本过高且不切实际的燃料的运用。一些专家说，若该计划成功，日本可能为全球氢能供应链奠定基础。
Phred Dvorak2021年6月24日10:15 CST 更新
作为世界第三大经济体的日本，一直依靠进口的石油、天然气和煤炭为其工业供能。
如今，日本正计划以氢能替代一大部分进口能源。长期以来，氢能一直被认为成本过高，效率过低，因而不切实际。日本的这一选择堪称全球对于氢能的最大赌注之一。
这一转向是日本在30年内彻底实现碳中和计划的关键一环。一些专家说，正如1970年代日本引领了液化天然气的使用一样，该计划若成功，还可能为全球氢能供应链奠定基础，最终使氢能成为一种独立的能源来源，进一步推动石油和煤炭的边缘化。
氢能之前曾经被大力宣扬，但还有很大的经济和技术挑战需要攻克。日本可能会采取一种长期逐步摆脱化石燃料的渐进方式，因此不会从一开始就迅速削减碳排放，其对外国能源的依赖也不会很快消除。该国计划在起步阶段使用主要依靠进口的化石燃料生产的氢气。
但是，与许多国家一样，日本意识到，仅靠太阳能和风能等可再生能源无法在2050年前实现零碳排放的目标。使用氢气供能的排放物是水蒸气，而非二氧化碳等被视作导致全球变暖主因的一些主要温室气体。在不便使用可再生能源的行业，可用氢能来替代化石燃料。
在截至2019年的两年里，日本政府用于氢能相关的研发预算增加了一倍多，达到近3亿美元，这还不包括私营企业投入研发的数百万美元。
去年12月，日本公布了一份初步路线图，要求到2050年，将氢和相关燃料在发电量中所占的比例从目前的几乎为零提高到10% ，并将相当一部分氢能发电用于航运或钢铁制造等。目前，日本政府正在拟定最终的能源计划，其中可能包含氢能开发的官方目标和成本估算。
此外，预计日本政府还将提供氢能补贴，同时抑制会产生碳排放的技术。日本的工业集团正在建造液化氢运输船、接收站和其他基础设施，以使氢能成为日常生活的重要组成部分。
日本最大的电力公司JERA Co.正计划通过将含氢化合物氨气加入燃煤发电来降低碳排放，该公司于今年5月与一家全球大型氨气制造商签署了谅解备忘录，以完善供应链。
日本各大企业集团正在寻找氨和氢的来源。日本邮船株式会社(Nippon Yusen Kabushiki Kaisha)等航运公司正在设计使用这些燃料的船只。
世界上第一艘液化氢运输船就停靠在日本西南部的神户港，这艘船长380英尺（合116米），船身漆有蓝色与黑色字母“ LH2”，正准备向5,600英里（合9,010公里）外的澳大利亚试航。
“真正具有颠覆意义的是，一旦日本取得突破，整个价值链都将为日本市场服务，我认为氢能会快速（在全球范围内）得到应用。”美国电力生产商NRG Energy inc.前首席执行官、JERA董事会成员大卫·克莱恩(David Crane)说。
氢具有多项关键优势。其一就是，现有发电厂或原本以煤炭、天然气及石油为动力的机器设备，只需加以改造就可以使用氢能。因此，在未来各国向新能源转型的过程中，价值数十亿美元的原有资产不会白白浪费。
此外，氢还能以燃料电池的形式存储，与同样大小的蓄电池相比，燃料电池能提供更多能量。因此氢能更适合需要远距离携带能源的飞机或船舶。
氢之于日本的另一大优势在于，该国在相关技术上可以占据领先地位，从而降低对中国的依赖。中国正崛起为主要的新能源大国，同时也是全球最大的太阳能电池板和蓄电池供应方。
日本能源经济研究所(Institute of Energy Economics)理事长丰田正和(Masakazu Toyoda)表示，现在 80%的太阳能电池板来自中国，对于未来的能源安全，“我们有些担忧”。丰田正和同时也是日本政府能源战略咨询委员会的委员。
国际能源署(International Energy Agency)在5月份表示，如果全球要在2050年前实现净零碳排放，除了太阳能和风能之外，还需要发展氢能。根据其路线图，若是以“技术上最可行”的方式实现这一目标，氢及相关燃料届时预计将占到总能源结构的13%，而每年的投资可能超过4,700亿美元。
在美国，一些州和企业正在投资氢能供应站等氢能项目，但这类投资仍较为零散，难成体系。
欧盟在去年发布了自己的氢能战略，预计到2050年对该行业的投资将达到数千亿美元。包括荷兰皇家壳牌集团(Royal Dutch Shell PLC)和英国石油公司(BP PLC)在内的多家欧洲石油公司都在支持新的氢能项目。空中客车公司(Airbus)今年也公布了制造三架氢动力飞机的计划。
至于亚洲其他地区，包括现代集团(Hyundai)在内的多家韩国企业财团3月宣布，到2030年将投资380亿美元进行氢能相关投资。中国则计划在2022年初为北京冬季奥运会提供数百辆氢燃料巴士。
发展氢能的一个主要难题是，氢气本身在自然界中并不大量存在，这意味着必须通过水或化石燃料等化合物获取氢气。制氢过程需要能源，而生产纯氢所消耗的能量要比以氢为燃料所产生的能量更高。
最常见的制氢方法是从天然气或煤炭中获取氢气，这一过程也会产生大量二氧化碳。长远目标是使用来自可再生能源的电力来“绿色”制氢，但现阶段成本较为高昂。
如何储存和运输氢气也是一个难题。氢气这种气体非常轻，在常温下需要占据大量空间，必须进行压缩或液化处理才能进行有效运输。然而氢气要冷却到零下253摄氏度才会变成液体，只比绝对零度高大约20度。
日本用氨来生产氢气这一大胆设想，有可能成为世界上最重要的尝试之一。氨是氮和氢的化合物，不会排放二氧化碳，能够解决氢生产的一些问题。虽然生产成本较高，但与纯氢相比，氨的运输、储存和交易等都更容易。不仅如此，氨已经在世界范围内大批量生产，主要用于肥料。
批评人士称，用这种方法来生产氢和相关燃料并不值得。据估计，目前在日本，用纯氢发电的成本约为天然气或太阳能的八倍，更是比煤炭高出九倍多。
绿色和平组织(Greenpeace)也对日本的氨发电计划发出严厉抨击，该组织在3月份的一份分析中得出结论，认为日本的做法是“昂贵的漂绿”，因为这种做法仍会产生温室气体排放，并且比用可再生能源发电的成本更高。
大众汽车公司(Volkswagen)估计，氢动力汽车的能耗是普通电动汽车的三倍。特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)称将氢燃料电池用作汽车动力的做法是愚蠢的。
但日本的环境状况意味着它的选择有限。该国使用的能源有近90%来自进口，而建造太阳能或风能电场的空间又很有限。2011年海啸导致福岛核电站损毁后，日本关闭了大部分核电站；公众仍然在很大程度上反对核能。
去年12月，日本经济产业省(Ministry of Economy，Trade and Industry)公布了零碳排放路线图，呼吁进口数百万吨的氨。
“这是一项巨大的努力，”负责领导氨战略的日本经济产业省石油、天然气和矿产资源部负责人南亮(Ryo Minami)说，“日本正开启一项世界其他国家从未尝试过的工作。”
虽然日本从1970年代就开始大力宣扬氢能，但商业化进程却十分缓慢。数年前，日本政府资助了一个由东京天然气公司(Tokyo Gas Co.)前副董事长村木茂(Shigeru Muraki)领导的研究项目，此后人们的态度开始发生变化。村木茂建议先使用氨，待技术成熟后再使用纯氢进行发电。
村木茂的团队发现，氨可在现有煤炭和燃气热电厂中燃烧，这些发电厂提供了日本目前四分之三的电力。尽管燃烧会排放氧化亚氮这种温室气体，但日本工程师已经努力降低排放，并表示其余部分可以过滤掉，不会释放出来。
村木茂表示，日本公用事业公司可以先通过化石燃料获得氨，然后设法捕捉或抵消这一过程中排放的二氧化碳。随着需求增长和价格的下降，他们可以转而使用“绿色”氨。
村木茂把这个想法告诉了经济产业省的南亮等政府官员。难题在于，产业要形成规模才可能降低氢或氨的价格，但现阶段还没有大型消费者出现。
这就是JERA入局的原因。这家电力生产商是福岛核电站运营商东京电力公司(Tokyo Electric Power Co. )因核事故灾难陷入财务困境后成立的。2019年，东京电力公司和另一家大型公用事业公司将旗下热电厂资产转移到JERA，使其拥有了能够供应日本约三分之一电力的发电设施。
JERA战略部门负责人奥田久秀(Hisahide Okuda)表示，JERA计算过，将日本的电力完全转换为可再生能源意味着必须重建电网，这是一项耗资巨大且费时的工程。不过，现有电网所能支持的可再生能源可以满足该国一半的电力需求。
为了实现全部脱碳的目标，奥田久秀把目光转向了氨，并说服了持怀疑态度的董事会成员。10月，JERA 公布将其燃煤电厂转变为氨煤混合使用的计划。
在横滨，重工业制造商IHI公司正在对燃气轮机进行改造，以使其能够燃烧氨气混合物。
你所要做的就只有更换燃烧器，IHI高级研究员内田正弘(Masahiro Uchida)指着主涡轮机室顶部的一个青铜色汽缸说道。IHI也已经找到了改造燃煤锅炉的方法，并希望在澳大利亚、马来西亚和日本等国家销售。
JERA和IHI正在开启一项由政府资助的试验，在JERA最大的一家燃煤电厂燃烧含20%氨气的混合物。JERA表示，如果进展顺利，希望到2030年在旗下所有燃煤电厂推广这项技术，然后逐步提高氨的使用比例，减少碳排放。
为完成这项试验，需要大幅增加氨的供应。根据JERA的初步测试，每年需要氨约50万吨，大概相当于日本目前消耗量的一半。据日本经济产业省和一个顾问小组预测，到2050年，日本每年可能消耗氨3,000万吨和氢2,000万吨，而目前全球氨的交易总量仅为2,000万吨左右。
至于如何解决氨的供应问题，这项任务落到了三菱公司(Mitsubishi Corp.)和三井公司(Mitsui & Co.)等公司头上，日本目前使用的大部分燃料和化学品都由这些公司负责进口。
最大的挑战是价格。政府官员和行业高管估计，如果公用事业公司在燃料中混入20%的氨，发电成本将比仅燃烧煤炭高出约24%。行业高管表示，在有政府支持和激励的情况下，这样的差价是可以承受的。
目前，三井正在讨论在沙特阿拉伯新建大型氨厂的可能性，该集团认为这是成本最低的获取氨的方式。三菱正在与北美、中东和亚洲的潜在供应商进行商谈，同时还在与日本航运公司探讨建造更大型氨运输船的相关事宜。
航运公司日本邮船株式会社正寻求获得建造一艘大型氨气运输船的初步批准，这艘船还将以氨为燃料，该公司希望能够在2028年前交付。
与此同时，各家公司也在进行投资，希望能早日实现纯氢的使用。包括丰田汽车(Toyota Motor Corp.)在内的日本汽车、卡车和重型设备制造商正在推动生产更多的氢动力汽车。到目前为止，高昂的价格和加氢站的匮乏限制了氢气的应用。
川崎重工(Kawasaki Heavy Industries Ltd.)正在开发处理液化氢所需的技术，包括双层不锈钢制成的储存罐和管道，两层罐体之间采用真空隔热。
今年4月的一个大风天，世界上第一艘液化氢运输船正准备前往澳大利亚南部进行首航，日本政府在那里建设了一个用煤制氢的试点项目。
储氢罐安装在滑块上，这样一来，即使储存的氢因温度发生变化，罐体的膨胀和收缩也不会破坏将其固定在船上的支撑物。甲板上方交错的管道也被设计成有一系列直角而不是直线延伸，这样能够承受膨胀和收缩。
川崎重工还在远离海岸的地方建造了一个球形储氢罐，它可能成为日本第一个液化氢装卸接收站。
“我们正进入一个（氢能开发的）关键时期。”川崎重工负责氢能项目推进的执行官员西村元彦(Motohiko Nishimura)说，“最低限度来说，我们的工作就是要证明这一切在技术上是可行的。”