日本和世界的燃煤發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

日本電源開發(fā)株式會社(J-POWER)氣候變化高級顧問 中山壽美江(Sumie Nakayama)

日本和世界的燃煤發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

日本電源開發(fā)株式會社(J-POWER)氣候變化高級顧問 中山壽美江(Sumie Nakayama)

日本政府計(jì)劃，到2030年煤電、核電和天然氣發(fā)電在總發(fā)電量中的比例分別為26%、22%和27%。由于日本民眾對于逐步重啟核電站充滿擔(dān)憂，因此電力部門更多地選擇建立高效低排放的燃煤電廠。本文闡述了日本的能源政策以及選擇煤炭背后的原因。此外，文中還探討了未來煤炭對于亞洲國家的重要性，以及日本促進(jìn)國內(nèi)外潔凈煤技術(shù)發(fā)展的途徑。

一、日本的燃煤發(fā)電

如圖1所示，歷史上日本的能源供需經(jīng)歷了兩次重大變革。一是1970～2010年間對石油依賴程度的下降;二是2011年福島核電站事故后核電的突然消失。20世紀(jì)70年代，日本嚴(yán)重依賴于石油資源(占比約70%)，在此期間的石油危機(jī)嚴(yán)重威脅到了日本的能源安全。因此，日本政府被迫實(shí)施了更穩(wěn)定的新能源政策，開始推廣煤炭、液化天然氣和核能。這種多樣化能源政策將日本對石油的依賴度從70%降至2010年的8%(圖1中的紅色部分)。然而，2011年日本大地震引發(fā)的福島核危機(jī)深刻地改變了日本的核電政策以及能源發(fā)展走向。日本關(guān)停了國內(nèi)所有核電站(51座)。在引進(jìn)全球最嚴(yán)格的新安全標(biāo)準(zhǔn)(必須在重啟核反應(yīng)堆之前實(shí)施)后，日本于2012年建立了核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)(Nuclear Regulation Authority, NRA)。

2015年，日本政府制定了新的能源政策，公布了到2030年的能源供應(yīng)與需求目標(biāo)[1]。該政策旨在實(shí)現(xiàn)能源安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全的協(xié)調(diào)發(fā)展。到2030年發(fā)電組成預(yù)計(jì)為：核電22%、煤炭26%、液化天然氣27%、石油3%、其他可再生能源22%。日本政府要確保實(shí)現(xiàn)60%左右的基荷電力，以保證供電的穩(wěn)定性。燃煤發(fā)電將貢獻(xiàn)56%的基荷電力，此外還有核能、水力、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能。

如今，重啟現(xiàn)有核反應(yīng)堆的時(shí)間比預(yù)期長。包括福島第一核電站在內(nèi)的7座核電站將被永久關(guān)閉，有39座核電站可能會再次投入運(yùn)行。新核電標(biāo)準(zhǔn)的評估可能需要兩年時(shí)間。NRA正在評估有關(guān)30個(gè)核反應(yīng)堆電站的意見書，截至目前，僅有5個(gè)核反應(yīng)堆電站通過了評估。由于重啟核反應(yīng)堆的時(shí)間延長，一些地區(qū)的電廠可以尋求替代能源來增加基荷發(fā)電。此外，日本政府持續(xù)放松對電力市場的管制，并鼓勵新建電廠使用更具成本效益的能源資源。因此，幾個(gè)新的燃煤發(fā)電項(xiàng)目已提上日程，其中一些已經(jīng)開始建設(shè)。圖2展示了日本不同能源類型的份額，其中燃煤發(fā)電裝機(jī)容量為40GW，占總量的16%。

圖1 日本1970—2014年間的發(fā)電組合歷史趨勢以及到2030年的目標(biāo)[1,2]

圖2 2014年日本不同能源的裝機(jī)容量[2]

圖3 2014年日本燃煤電廠主要業(yè)主[3]

日本燃煤電廠主要為10個(gè)地區(qū)的電力公司和電源開發(fā)株式會社(J-POWER)。圖3描述了日本燃煤發(fā)電的總發(fā)電量和不同公司的份額。

J-POWER于20世紀(jì)80年代成立，是一家國有電力批發(fā)商，并根據(jù)政府政策推廣進(jìn)口煤發(fā)電，是日本最大的煤電運(yùn)營商。

煤炭和核能的價(jià)格低于天然氣，因此煤電和核電是日本最佳的基荷電力能源選擇。進(jìn)口液化天然氣包含液化成本和運(yùn)輸成本，價(jià)格更高。國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)表明，美國、歐洲和日本的煤炭和天然氣的相對價(jià)格不盡相同[4]。就發(fā)電而言，美國的煤炭價(jià)格幾乎與天然氣相當(dāng)，而日本的煤炭價(jià)格遠(yuǎn)低于天然氣。

福島核事故之前，日本在本世紀(jì)并沒有建立新的燃煤發(fā)電項(xiàng)目。鑒于煤電會增加日本的碳排放，環(huán)境部(Ministry of Environment, MoE)否決了所有煤電項(xiàng)目的環(huán)境影響評估(Environmental Impact Assessments, EIAs)。然而，在關(guān)停所有核電站后，日本首都圈面臨嚴(yán)重的電力短缺問題，這迫使東京電力公司(TEPCO)不得不針對2.6GW的基荷電力進(jìn)行招標(biāo)。但投標(biāo)者卻不愿對煤電項(xiàng)目投標(biāo)，因?yàn)榧词怪袠?biāo)，也可能會在環(huán)境影響評估過程中受到MoE的阻礙。這令負(fù)責(zé)能源供需管理的日本能源、貿(mào)易和工業(yè)部(Ministry of Energy, Trade and Industry, METI)十分擔(dān)憂。

為了解除潛在投標(biāo)者關(guān)于這方面的擔(dān)憂，METI和MoE達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議。如果新建化石能源發(fā)電項(xiàng)目能夠滿足兩個(gè)條件，MoE就不會阻礙其后續(xù)的環(huán)境影響評估過程，消除了投標(biāo)者向東京電力公司投標(biāo)的后顧之憂。第一個(gè)條件是使用最佳可用技術(shù)，這意味著只有超超臨界技術(shù)符合條件。第二個(gè)條件是電力部門規(guī)定了與政府2030年能源結(jié)構(gòu)和碳排放目標(biāo)一致的排放上限，項(xiàng)目的碳排放量必須符合此標(biāo)準(zhǔn)。MoE公布了不同燃料類型(煤和天然氣)和工廠規(guī)模的投標(biāo)者需滿足的能效標(biāo)準(zhǔn)[5]。例如，一個(gè)1000MW燃煤電廠的總能源效率(LHV)必須達(dá)到45%。

目前，日本有17GW的新建煤電項(xiàng)目，它們分別處于從環(huán)境影響評估的早期階段到建設(shè)期的不同階段[6]。所有項(xiàng)目都計(jì)劃使用超超臨界技術(shù)以達(dá)到政府要求，但是超超臨界技術(shù)并不適用于小型燃煤電廠，因此還包括一些沒有使用該技術(shù)的小型電力項(xiàng)目。這些小型項(xiàng)目利用生物質(zhì)燃料混燃實(shí)現(xiàn)減排。

2016年2月，由于MoE擔(dān)憂新建項(xiàng)目的數(shù)量日益增多，METI宣布修訂兩條現(xiàn)行法規(guī)。其中一項(xiàng)修訂案規(guī)定，電廠的能源效率標(biāo)準(zhǔn)必須與2030年國家能源目標(biāo)一致;另一項(xiàng)修訂案規(guī)定，電力零售商必須采購一定的非化石能源份額，以實(shí)現(xiàn)2030年國家能源目標(biāo)。

這兩個(gè)修訂案都允許采用“合作行動”實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。電力部門的35個(gè)主要參與方合作制定了一個(gè)框架，以共同實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖4 日本擁有世界上硫氧化物、氮氧化物排放最低的火電廠[9-11]

2016年5月，牛津大學(xué)史密斯企業(yè)與環(huán)境學(xué)院(Oxford Smith School of Enterprise and Environment)發(fā)布了一份名為《日本的燃煤電廠與擱淺資產(chǎn)：環(huán)境相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的披露分析》報(bào)告[7,8]。但其中一些假設(shè)是錯誤的[8]。首先，該報(bào)告夸大了日本煤電項(xiàng)目的數(shù)量，報(bào)告稱日本燃煤電廠累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到28GW。然而日本政府稱煤電裝機(jī)容量最高將不超過17GW。這份報(bào)告也提到了8個(gè)J-POWER的新建項(xiàng)目：竹原(Takehara)、高砂(Takasago)、山口縣(Nishiokinoyama)、大崎Coolgen、鹿島( Kashima)電廠、橫濱(Yokohama)、新橫須賀(Shin Yokosuka)和橫須賀(Yokosuka)。但事實(shí)上，橫濱、新橫須賀和橫須賀3個(gè)項(xiàng)目并非J-POWER的項(xiàng)目。

Arima教授指出，牛津大學(xué)這篇報(bào)告最大的問題在于未考慮日本的能源政策和2030年的國家能源目標(biāo)[8]。它只是將注意力放在了環(huán)境方面，沒有考慮到日本的能源安全和經(jīng)濟(jì)。該研究直接假設(shè)煤電對人類有害，并且否定了日本對廉價(jià)可靠電力的需求。值得注意的是，新建燃煤電廠將采用最先進(jìn)的潔凈煤技術(shù)，幾乎能夠百分之百地消除硫氧化物、氮氧化物和顆粒物的排放(取決于煤的特性)。通過高效電廠以及應(yīng)用CCS技術(shù)，可以減少碳排放。

日本是超超臨界潔凈煤技術(shù)的全球領(lǐng)先者，并將繼續(xù)通過研發(fā)進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)。因此，日本已經(jīng)建立了低排放燃煤電廠。例如，J-POWER的磯子電廠(Isogo Power Station)采用日本最先進(jìn)的潔凈煤技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了45%的能源效率(LHV)，而且減少了煙道氣，硫氧化物排放量低至幾個(gè)ppm，氮氧化物排放量低于10ppm，顆粒物的濃度低于5ppm。

磯子電廠位于日本人口第二大城市橫濱，距離橫濱市中心僅6公里，距離東京市中心30公里。它是一個(gè)十分獨(dú)特的都市燃煤電廠，采用了世界上最先進(jìn)的潔凈煤技術(shù)。

最初，磯子電廠有2個(gè)265MW的亞臨界鍋爐。舊電廠在20世紀(jì)60年代開始商業(yè)化運(yùn)行，35年來一直為日本提供基荷電力。1996年，政府批準(zhǔn)了一項(xiàng)更新計(jì)劃。與客戶和橫濱市探討之后，新電廠設(shè)計(jì)了2×600MW的機(jī)組，能夠達(dá)到最高的能源效率和最低排放(全球燃煤電廠中)。其鍋爐和汽輪機(jī)采用超超臨界技術(shù)，機(jī)組的蒸汽參數(shù)為600℃/25MPa，再熱蒸汽溫度為610℃。該電廠采用干式DeSOx系統(tǒng)減排。

如圖4所示，由于采用這種先進(jìn)的DeSOx和DeNOx系統(tǒng)，磯子電廠的硫氧化物和氮氧化物的排放低于其他發(fā)達(dá)國家化石燃料電廠的排放。

目前，J-POWER、中國電力株式會社和其他幾家公司正在研發(fā)富氧整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(Oxygen-Blown Integrated Coal GasificationCombined Cycle)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)旨在提高能源效率，從合成氣中經(jīng)濟(jì)地捕集CO2，利用超超臨界技術(shù)進(jìn)一步提高效率并減少碳排放。IGCC技術(shù)的商業(yè)化目標(biāo)預(yù)計(jì)于21世紀(jì)20年代初實(shí)現(xiàn);整體煤氣化燃料電池發(fā)電(Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle, IGFC)，是未來進(jìn)一步提高能效的研發(fā)方向。日本仍將努力在潔凈煤技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位，此外，提供充足的預(yù)算和投資創(chuàng)新技術(shù)十分重要。

圖5 2015—2040 年，不同區(qū)域退役及新增燃煤電廠累計(jì)裝機(jī)容量[5]

二、全球煤電發(fā)展全景

IEA數(shù)據(jù)顯示，2014年煤炭提供了全球40%的發(fā)電量，創(chuàng)歷史新高。經(jīng)合組織國家在20世紀(jì)90年代期間燃煤發(fā)電的份額曾高達(dá)70%，如圖5所示。此后，燃煤發(fā)電量增加了一倍多，預(yù)計(jì)到2040年煤電份額將增加24%。非經(jīng)合組織國家的煤電份額從2000年開始上升，按照當(dāng)前水平計(jì)算，現(xiàn)在已高于60%，預(yù)計(jì)到2040年將會超過80%。到2040年，亞洲電力領(lǐng)域的煤炭需求將增加67%。

圖6展示了1990—2040年間不同地區(qū)退役和新增燃煤電廠的累積裝機(jī)容量。經(jīng)合組織國家退役的煤電裝機(jī)容量總量超過300GW，新增容量為100GW。中國和東南亞國家預(yù)計(jì)將建設(shè)大量的火電廠。IEA預(yù)計(jì)，在2015～2040年間，非經(jīng)合組織國家的新增煤電裝機(jī)容量總額將會超過1000GW，這占全球現(xiàn)有煤電裝機(jī)容量的一半以上。

圖6 1990—2040 年間燃煤發(fā)電情況[4,11]

相比其他能源，煤炭更為廉價(jià)，因此許多國家正在大力建設(shè)燃煤電廠，如中國和印度尼西亞等擁有豐富煤炭儲量的國家。許多非經(jīng)合組織國家的能源政策以煤電為主，并在此基礎(chǔ)上制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃。因此，鼓勵以最高效的方式利用煤炭，即利用高效率發(fā)電技術(shù)降低碳排放至關(guān)重要，尤其是對于亞洲非經(jīng)合組織國家。

隨著人們對氣候變化風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識的提高，經(jīng)合組織國家對于煤炭的批評甚囂塵上。除此之外，新的燃煤發(fā)電項(xiàng)目的公共融資受到限制。關(guān)于英美兩國全面禁止煤電項(xiàng)目和日本、澳大利亞允許設(shè)立高效煤電項(xiàng)目的激烈爭論持續(xù)了數(shù)月之久。2015年9月，經(jīng)合組織國家的出口信貸投放審查程序改為允許對使用超超臨界技術(shù)的煤電項(xiàng)目進(jìn)行投資。經(jīng)合組織國家必須承認(rèn)，煤炭的高效利用有助于非經(jīng)合組織國家降低碳排放，不應(yīng)禁止所有煤電項(xiàng)目的官方出口信貸。

鑒于亞洲需要高效利用煤炭，日本將鼓勵在其他國家部署其潔凈煤技術(shù)以達(dá)到有效降低全球碳排放的目標(biāo)。例如，J-POWER參與了印度尼西亞的一些項(xiàng)目，包括在中爪哇省(Central Java)建設(shè)2個(gè)1000MW的超超臨界燃煤電廠的獨(dú)立發(fā)電商開發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目將利用當(dāng)?shù)氐拇螣熋?，并成為印度尼西亞第一座利用超超臨界技術(shù)的燃煤電廠。該電廠預(yù)計(jì)將于2020年投入運(yùn)行。它將助力印度尼西亞的可持續(xù)發(fā)展和減排工作。

三、結(jié)論

依照《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(United Nations Framework Convention onClimate Change, UNFCCC)，《巴黎協(xié)定》于2016年11月正式生效。為了實(shí)現(xiàn)減少CO2排放的目標(biāo)，各國需要實(shí)施一系列減緩氣候變化的技術(shù)，包括潔凈煤技術(shù)。在短期內(nèi)，高效利用煤炭是亞洲國家減排的關(guān)鍵。日本的潔凈煤技術(shù)將有助于最有效地利用煤炭發(fā)電，并支持亞洲的可持續(xù)發(fā)展。J-POWER致力于在國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)潔凈煤技術(shù)的商業(yè)化，并進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)。(本文轉(zhuǎn)自基石雜志)

[1]Ministry of Energy,Trade and Industry ofJapan． (2015, July)． Longterm energy supply and demandoutlook 2015, www．meti．go．jp/english/press/2015/ pdf/0716_01a．pdf

[2]Ministry of Energy,Trade and Industry ofJapan(2016)． Energy white paper 2016 [in Japanese],www．enecho．meti．go．jp/about/ whitepaper/2016html/

[3]TheJapanElectricAssociation． (2015)．Electric power industry handbook [in Japanese]．Tokyo：Ohmsha．

[4]International EnergyAgency (IEA)． (2015)． World energy outlook 2015．Paris： OECD/IEA．

[5]Ministry of the Environment ofJapan． (2014)． BAT reference table [in Japanese],www．env．go．jp/press/ files/jp/24454．pdf

[6]Ministry of Energy,Trade and Industry ofJapan． (2016)．Document 1 of the Third Meeting of WorkingGroup on Standard and Criteria of Thermal Power Generation [in Japanese], www．meti．go．jp/committee/sougouenergy/ shoene_shinene/sho_ene/karyoku/ pdf/003_01_00．pdf

[7]Caldecott, B．, Dericks,G．, Tulloch, D．J．, Kruitwagen, L．, & Kok,I．(2016, May)． Stranded assetsand thermal coal inJapan： An analysis of environment-related riskexposure．SmithSchoolofEnterpriseand the Environment, University of Oxford,www．smithschool．ox．a(chǎn)c．uk/ researchprogrammes/stranded-assets/ satc-japan．pdf

[8]Arima, J． (2016)．Some doubts about Oxford’sargument on stranding thermal coal inJapan[in Japanese]． The University ofTokyo, ieei．or．jp/ wpcontent/uploads/2016/05/IEEI-formatedobjections-to-Oxfordpaper．pdf

[9]Federation ofElectric Power Companies． (2015)． FEPC Electricity Infobase h-6 Environment andenergy [in Japanese], www．fepc．or．jp/ library/data/infobase/pdf/06_h．pdf

[10]J-POWER． (2016)．J-POWER Group sustainability report 2016, www．jpower．co．jp/ english/company_info/environment/ pdf/er2016pdf/16-03．pdf

[11]IEA． (2014)． CO2 emissionsfrom fuel combustion 2014 (CDROM)．Paris： OECD/IEA．