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摘 要：日本的目标是在2050年之前减少80%的温室气体排放，实现脱碳社会，为了实现这一目标，日本应该如何改变能源供需的结构呢？本文为日本国际环境经济研究所首席研究员塩沢文朗基于日本能源供需状况，对于日本产业领域中热能脱碳化的相关分析以及提出的解决方案。
关键字：脱碳化、电气化、氢能、能源需求结构、无碳能源、能源管理系统
日本的能源供需状况（2017年度）如图1所示。日本的目标是在2050年之前减少80%的温室气体排放，实现所谓的“脱碳社会”。为了实现这一目标，日本应该如何改变能源供需的结构呢？
图1 日本的能源供需状况（2017年度）
一次能源由化石能源、核能、以及包括水能在内的可再生能源构成，但是目前，日本约90%的一次能源依靠会排放CO2的化石能源。化石能源被转换成电力、燃气以及石油制品，或者直接用于产业（工业、农业等）、运输（汽车燃料等）、民生（家庭或办公场所的冷暖气设备、烹饪等），在其转换和消费过程中会排放CO2。不排放CO2的能源是核能和可再生能源（包括水能），而核能所占比例因核电站重启进展缓慢，仅为1%，可再生能源为8%。
在供给的一次能源中，除去部分损耗外，其中的43%用于发电，但由于发电效率的关系，最终以电力形式用于产业、运输、民生等各需求领域的部分仅占约4成，而剩余的57%以非电能的（其中大部分是热能1)）的形式消耗。
如上图，在日本，除损耗外的能源的近73%2)最终以热能的形式消耗，只有27%最终以电力形式消耗。关于热能消费，按领域来划分，产业领域占48%，运输领域占32%，民生领域占18%。
为实现日本能源系统的脱碳化，以及2050年前温室气体排放量减少80%的目标，必须大幅削减化石能源在能源供给中的比例，为此需要对当前的能源需求结构进行重大改革。而由于能源的使用方式不同，所需的能源种类也不同，因此仅靠改变能源供给无法实现能源需求结构的变革。
在以电能形式消费能源的领域，简单来说，通过电源的脱碳化能够实现该领域的脱碳化。但是，实现方案并不是“电源的脱碳化”说起来这么简单，笔者认为解决方案是1）最大限度地引入安全的核电和具有经济性的可再生电力，同时2）从海外以氢能的形式引入廉价可再生能源或无碳能源作为发电燃料。
简单而言，引入氢能的理由是，今后除非新建或改造核电站，否则到2050年几乎所有日本现有核电站都将达到使用年限，其发电能力将大幅减少。日本蕴藏的可再生能源无论在量上还是在品质上都是有限的，无法在确保一定经济性的同时满足必要的能源需求。虽然化石能源与CCS（碳捕获与封存）的组合是一种可行方案，但在日本国内建设、运营CCS的经济效益前景并不明朗。另外，日本很难像欧洲各国那样通过输电线和管道与邻国进行能源交换。
基于这样的现实情况，“在海外具有丰富可再生能源的地区，将廉价的可再生能源转化为氢，然后以可大量运输的氢能载体的形式引入日本”是日本确保大量可再生能源供应的有限的选择方案3)。
3.1 热能的消费情况
对于以热能形式消费能源的领域，其脱碳化方案也需要进行详细的研究。这是因为现在利用的热能大多来自化石能源的燃烧。如上所述，关于热能的消费分布，产业领域为48%，运输领域为32%，民生领域为18%。
其中，关于运输领域和民生领域所消费的热能，其脱碳化方向逐渐明朗。例如，对于汽车燃料，正在由燃油车向电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCV）转变；关于占家庭和办公场所大部分能源需求的冷暖气设备和烹饪用能源，正在通过引入空调、微波炉、IH加热器等由石油或燃气转变为电能。通过推进电力的脱碳化，有望实现这些领域能源需求的脱碳化。
3.2 产业领域热能消费的脱碳化方案
在占热能消费48%的产业领域中，制造业约占95%。在制造业领域中，由于制造工艺需要高温热量；工业炉、锅炉等燃烧设备、蒸汽发生器等供热设备都是大型的；此外还需要廉价的热能，因此现在的热源大多使用化石能源作为能源。由此可以看出，这些热源的脱碳化并非易事。
国际上越来越认识到探讨产业热能领域脱碳化方案的重要性，近期，几家研究机构整理了关于这一问题的研究调查报告。
例如，ICEF（Innovation for Cool Earth Forum）在2019年12月发行的调查报告4)中分析了产业领域中热能的使用情况，介绍了每个产业所需热能的特征、作为低碳热源的能源种类和特征等。该调查结果的部分内容如图2和表1所示。
图2 无碳能源的温度供给特性
图2表明，对于在产业领域中使用的热能，需要基于其用途所需的条件来考虑脱碳化方案。在考虑这些问题的基础上，该报告列举了产业和热能领域脱碳化的有力选择，即利用电力和氢能作为热能来源（表1）。
澳大利亚也发表了关于产业领域热源脱碳化方案的研究成果。根据化石能源消费量较多的各产业工艺的能源需求特点，对在这些工艺中使用可再生能源（生物、地热、氢、太阳能能源），以及利用电力进行热供给（包括热泵）等的可能性及其效果进行了分析。
此外，引人关注的一点是在这项研究中，除了上述分析外，还结合澳大利亚国内各产业的布局状况和可再生能源资源等的地域分布，探讨了澳大利亚工业整体的脱碳化方案。虽然日本产业结构和能源需求结构均与澳大利亚不同，这一分析结果并不适用，但是在与日本共通的产业领域，脱碳效果显著的对策是电热利用与氢能利用，这与上述ICEF的报告内容一致。
下面，将对日本产业领域中大量消费的热能的脱碳化方案进行分析。
图3示出日本各领域的CO2排放量，在产业领域中，排放量较多的是钢铁业（1.67亿吨）、陶瓷土石（0.66亿吨）、化学（0.65亿吨），这三个产业排放的CO2量占据产业领域总排放量的60%以上。因此，首先介绍一下这些CO2排放量较多的产业的脱碳化方案。
图3. 日本各领域的CO2排放量
4.1 钢铁业
钢铁业的高炉工序的总CO2排放约为1.2亿吨，占钢铁业CO2总排放量的70%。在高炉工序中，从高炉排放的CO2约为9000万吨，从铁矿石烧结工序排放的CO2约为2000万吨，从煤炭炼焦工序排放的CO2约为500万吨。除高炉工序外，转炉工序的CO2排放量约为500万吨，压延及钢管工序的CO2排放量约为2000万吨。
关于钢铁业CO2排放量的削减方案，提出了氢能的利用和工艺的电气化作为技术方法。其中，针对最大的CO2排放源——高炉的CO2减排，考虑利用氢作为主要的脱碳化方法。例如，正在讨论引入氢燃料用于高炉的高温加热，以及以氢代替煤焦炭来还原铁矿石等。
在氢能利用方面，根据日本钢铁联盟描绘的路线图，到2030年左右利用焦炉废气中的氢作为高炉的热源（同时通过CCS除去由此生成的CO2），到2050年左右利用不使用煤炭的无碳氢进行氢还原制铁。另外，在电力方面，今后如果能够获得廉价无碳电力，考虑将电力作为其他工序的热源。
日本钢铁联盟对这种制造工艺的转换进行了经济性分析，估算出氢能利用方案下所需的氢目标价格是7.7¢（美分，约合人民币0.5元）/Nm3-H2。另外，假设今后日本在全球钢铁产量中所占的份额不会发生变化，则根据该分析可以推算出日本需要700万吨/年的氢。在电能方面，每生产1吨粗钢需要3400kWh的电力，估算出需要与传统工艺竞争，则电力成本为4日元（约0.22元）/kWh。
日本政府发布的“氢能源基本战略”7)中提出，氢的目标价格是在2050年为20日元（约1.12元）/Nm3-H2，以向发电领域的引入为中心，目标引入量约为1000万吨H2。考虑到这一点，作为引入氢能的条件，实现钢铁行业提出的氢目标量和氢价格并非易事。另外，电力能源方面也面临同样的情况。
4.2 水泥制造业
水泥制造业的脱碳化是一项非常困难的任务。这是因为在从水泥原料石灰石生成中间产品熟料（生石灰）的过程中，石灰石中所包含的碳酸钙会释放出大量的CO2。水泥制造业的整个工艺过程会排放约4000万吨的CO2，其中由碳酸钙排放的CO2占55%，即2600万吨。剩下的35%（1400吨）在以煤炭为燃料在炉窑中烧结石灰石而生成熟料的过程中排放（来自煤炭），另外的10%（400万吨）在粉碎石灰石的过程以及在熟料中加入石膏并用电力粉碎以制成水泥产品的过程中排放（来自电力）。
从方法论上来说，对于来自煤炭和电力的45%的CO2排放，可以通过引入无碳电力和无碳燃料实现脱碳化8)，但是由水泥原料石灰石排放的CO2只能通过CCS来去除。然而在日本应用CCS技术时，在技术和成本方面存在很大的障碍。
4.3 化学产业
在日本，石油化学的代表性工艺——石脑油裂解和蒸馏中排放的CO2占化学产业总体排放量的60%9)。石脑油裂解炉需要800~900℃的高温热源，目前正在研究利用氢作为石脑油裂解炉的燃料和裂解炉的电气化。实际上，世界上最大的化学公司BASF10)为了实现石脑油裂解工艺的脱碳化，正在尝试开发利用可再生能源电力的电炉进行热裂解的方法11)。
一般而言，在化学工艺中，化学物质的合成、分离、分解等利用热能。为削减这些过程所需的能量，一直在进行新型催化剂与合成方法、膜分离等的新型分离技术的开发。在化学技术领域，通过此类研究开发，今后有望实现工艺的创新。对此，可以参考欧洲化学工业联盟（CEFIC）委托德国的智囊团机构Dechema完成的报告。该报告分析了到2050年削减欧洲化学产业85%的CO2排放量所需的工艺创新的可能性12)。因此，有必要加速开发这种有助于脱碳化的创新型合成、分离、分解技术和工艺。
在开发这些新技术的同时，重要的是对未利用热量的有效利用。除小部分工艺外，大部分化学产业的工艺都需要200℃以下的热能，但如后文所述，目前，大部分200℃以下的热能都以未利用热的形式排出。因此，在化学产业中进一步利用热泵技术非常重要。
此外，化学行业也开始开发创新技术（化学循环技术），以通过CO2的有效利用和废弃塑料的再利用制造乙烯和丙烯等基础化学品，再作为化学产品原料进行利用。在这项技术开发中，关键是催化剂和工艺的开发，但是为了实现这种化学循环，原理上需要大量的氢。例如，要想将回收的CO2转化为甲醇，并由甲醇制造出600万吨乙烯（相当于日本每年的乙烯产量），则每年需要5100万吨原料CO2，将这些CO2转化为甲醇时需要700万吨氢。而且，通过电解水制氢时，需要3500亿kWh/年的电力，相当于年耗电量的三分之一。
4.4 其他的产业工艺
接下来，针对其他产业领域中使用的热能，分析其脱碳化的可能性。
日本的一次能源年供给量约为20EJ（艾焦：1018焦耳）（=约5.6万亿kWh），但是其中的约6成没有得到有效利用，作为未利用的热能被释放到环境中13)。
未利用热能创新应用技术研究协会（TherMAT）在2019年对包括电力行业在内的15种制造业的未利用热能和能源利用状况进行了调查，其结果已对外公布14)。
图4. 产业领域未利用的废气热量及其温度区域
根据该结果可以推算，包括电力产业在内的15种制造业每年排放的未利用废气热能合计为743PJ（皮焦：1015焦耳）。这相当于日本2017年度最终能源消费量（13.5EJ）的约6%。
其中，电力行业占35%，钢铁业和化学产业各占14%，陶瓷土石产业占6%，这四种产业约占未利用废气热能总量的7成。
从温度区域来看，钢铁业等部分产业会产生500℃以上的废热，而大部分废热都处于200℃以下的温度区域，占未利用热能总量的76%（图4）。尤为需要注意的是，由电力行业排放的处于100~149℃温度区域的大量未利用热能（达到总废热量的25%）、以及由清洁工厂排放的处于约200℃温度区域的大量未利用热能（占总体6%）都以废气的形式被排放。
图5是稍早的调查，与图4不同，其分析了各不同产业所需热量的温度区域和由该产业排放的热量的温度区域。从图中可以看出，除了钢铁和石油化学产业之外，大多数产业所需的热能温度区域都在180℃以下15)。
图5. 产业部门的热需求利用温度与废热温度
从这样的实际情况中可以得到一些关于有效利用未利用热能的启示。
首先是实现钢铁业等产生的高温未利用热能的有效利用。
其次，如上文所述，对180℃以下的废热有大量的潜在需求，而大量200℃以下的热量直接以废气的形式排放而未被利用，因此要实现其有效利用。
作为实现这一目标的技术手段，重要的是利用热泵技术。至于其效果大小，根据稍早前的估算显示，通过导入热泵有望使日本的CO2排放量减少约1成左右16)。
关于热泵技术的适用领域，受制冷剂（热介质）、储热材料等材料方面的限制以及热交换器、压缩机的效率和设备尺寸等限制，技术上可以利用165℃以下废热的热泵已经实现商业化，同时，NEDO正在开发可以利用200℃以下废热的热泵。
虽然热泵技术在技术上可行，但由于一些原因使未利用热能的高效利用进展缓慢。
原因之一是经济性，即目前还未发现通过未利用热能的利用来削减CO2排放的经济性价值，因此导入热泵所需的成本负担成为导入热泵技术的阻碍。
除了经济方面的问题外，还有目前能源系统结构的原因：
（a）未利用热能的温度和形态多样，且广泛分散；
（b）需求侧和供给侧热能的“质”和“量”在时间或空间上不一致。
为了构建脱碳社会，必须解决这种结构性问题。
关于（b）空间问题，如前所述，电力行业会排放出大量温度低于200°C的未利用热能。另外，清洁工厂（排放量比电力行业少）也会排放相当多的未利用热能（图4）。到目前为止，这类设施都被设置在远离一般产业和人口聚集地的地区，但是从构建脱碳社会的角度来看，有必要重新考虑这些产业的选址。
为了克服前述（a）和（b）问题，重要的是“通过热工艺的电气化导入IoT技术，由此推进跨越时间、空间的能源管理”、“构建能源管理系统”等。为此，必须实现管理所必需的生产工艺之间、以及区域内不同能源相关领域之间的数据协同。通过这样的数据协同，能够实现跨物理空间和时间的能源高效利用，从而产生价值，并有望在能源管理中导入市场机制。
在“空间”方面，除了目前为止各工厂必定进行的各制造工艺的能源管理外，考虑跨领域（包括工厂内的制造部门、动力部门和环境处理部门等）的能源管理也非常重要。不仅如此，今后还需要考虑跨企业的能源管理、地区和企业合作的能源管理等跨工厂、企业框架的合作。对于地区而言，需要考虑地区的能源管理，例如产业在“空间”中的位置。
另外，在“时间”方面，需要考虑能源供应、储存时间的调整，以及工厂内各工艺间的能源需求时间的调整、工厂和能源需求大的设施之间的作业时间和运转模式的调整等方面。
图6（应用于组装工序）和图7（应用于跨行业合作或产业共生）示出这种方法的几个例子。
图6. 能源管理（组装工序的应用例）
图7. 能源管理（跨行业合作的应用案例）
另外，在图7所示的丹麦Kalundborg Symbiosis的跨行业合作中，从其产业构成中包括了电力、废弃物处理产业可以看出，其产业布局考虑了未利用热能的有效利用，这一点值得关注。
向产业领域和热能的能源管理中引入IoT有一个明显的优点，那就是可以更高效且有效地利用资源（能源、原料）。但是，为此需要采取以下措施并克服以下的问题。
技术课题包括确保构建能源管理系统所需的数据协作系统的基本设计（灵活性、冗余性、运行规则）和系统稳健性（信息安全性、隐私性）；经济课题包括确保经济性（初期投资、运营经费、投资收益的判断）；社会课题包括确定合理的合作范围等。
这些课题基本上应该由民间企业克服，但在推进数据协同系统的基本设计的标准化和制定基础规则方面，以政府为主导的公共部门应发挥主要作用。另外，这些措施需要各行各业的众多企业的共同努力，因此需要建立示范系统，以表明构建该系统的优点大过克服课题的困难，从而促进民间企业的积极行动。
特别是，由于与企业制造工艺相关的能源使用情况等信息通常涉及企业机密或专有技术，因此民间主体很难建立自主合作关系。因此，在各合作主体之间关于合作范围、边界、合作相关调整规则等方面的调整与明确合作带来的外部利益，以及合作主体间的（包含外部利益的分配）利害调整等方面，作为政策制定方的政府或第三方机构需要积极进行干预和调整。
在前文中，已经对产业领域以及在该领域大量消费的热能的脱碳化方案进行了概述。图8示出其脱碳化方案。
图8. 能源供需的脱碳化实现方案
首先是扩大氢能的作用。产业领域所需的高温热源和大型制造设备的热源等的脱碳化，将由以气体或液体燃烧的氢能来实现。此外，钢铁业高炉工艺的脱碳化和化学产业中CO2的有效利用与塑料的回收再利用、其他化学品制造工艺的低碳化等也需要大量的氢。这样一来，以氢为代表的氢能17)将在产业领域的脱碳化中发挥巨大的作用。
其次，在产业领域中，电气化也在不断发展，电能的作用也将不断增大。
电能也能用于产业中需要热能的领域。电炉（电阻炉、电磁炉、弧炉等）、电锅炉等利用电能的设备，根据热工艺中所需的热温度、化学性质、可控性以及成本，正在代替利用化石能源的燃烧器而被引入。实际上，已开始开发将化学工艺中经常使用的热分解和蒸馏工艺的热源转换为电能的技术。
另外，通过利用电能的热泵技术来有效利用废热，由此可以大幅度提高能源的利用效率。
而且电能是可控性和（在一定距离内）运输性优异的二次能源，因此通过能源系统的电气化，可以应用IoT来实现精密、且跨“时空界限”的能源管理，从而大幅改善整个能源系统的能源利用效率。
而且，由来自海外的无碳氢能发电产生的无碳电力将在电能的脱碳化过程发挥重大作用。在脱碳社会中，氢能在能源供给方面也将发挥重要作用。
笔者认为，“有助于脱碳化的新能源技术”要想成为推动社会经济体系变革（即实现脱碳化社会）的技术，应具备以下条件：
①. 对能源系统的脱碳化产生规模影响；
②. 可以在10~20年的时间内实现社会化应用；
③. 社会应用时的成本具有经济性；
④. 应用的新能源系统有助于实现从能源获取、使用到废弃的全价值链的脱碳化。
鉴于以上条件，前文所记载的关于产业领域热能脱碳化的方案只是一个草图，尚未对其脱碳效果进行量化分析，也基本没有设计成本分析。
虽说距离2050年还有30年，但能源系统的变革势在必行，各技术的社会实用都需要很多时间，所以留给我们的时间不多了。希望本文的论述能给今后探讨此课题带来启发。
参考文献及注释：
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翻译：肖永红
审校：贾陆叶
李 涵
统稿：李淑珊
●日本资源能源厅：推进开发由CO2和氢制造的“合成液体燃料”，旨在2040年实现商业化
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