日本和世界的燃煤發電現狀及發展趨勢

日本電源開發株式會社(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電現狀及發展趨勢

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

日本政府計劃，到2030年煤電、核電和天然氣發電在總發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，以及日本促進國內外潔凈煤技術發展的途徑。

一、日本的燃煤發電

如圖1所示，歷史上日本的能源供需經歷了兩次重大變革。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70年代，日本嚴重依賴于石油資源(占比約70%)，在此期間的石油危機嚴重威脅到了日本的能源安全。因此，日本政府被迫實施了更穩定的新能源政策，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年日本大地震引發的福島核危機深刻地改變了日本的核電政策以及能源發展走向。日本關停了國內所有核電站(51座)。在引進全球最嚴格的新安全標準(必須在重啟核反應堆之前實施)后，日本于2012年建立了核安全監管機構(Nuclear Regulation Authority, NRA)。

2015年，日本政府制定了新的能源政策，公布了到2030年的能源供應與需求目標[1]。該政策旨在實現能源安全、經濟、環境和安全的協調發展。到2030年發電組成預計為：核電22%、煤炭26%、液化天然氣27%、石油3%、其他可再生能源22%。日本政府要確保實現60%左右的基荷電力，以保證供電的穩定性。燃煤發電將貢獻56%的基荷電力，此外還有核能、水力、地熱能和生物質能。

如今，重啟現有核反應堆的時間比預期長。包括福島第一核電站在內的7座核電站將被永久關閉，有39座核電站可能會再次投入運行。新核電標準的評估可能需要兩年時間。NRA正在評估有關30個核反應堆電站的意見書，截至目前，僅有5個核反應堆電站通過了評估。由于重啟核反應堆的時間延長，一些地區的電廠可以尋求替代能源來增加基荷發電。此外，日本政府持續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，幾個新的燃煤發電項目已提上日程，其中一些已經開始建設。圖2展示了日本不同能源類型的份額，其中燃煤發電裝機容量為40GW，占總量的16%。

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

圖2 2014年日本不同能源的裝機容量[2]

圖3 2014年日本燃煤電廠主要業主[3]

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

J-POWER于20世紀80年代成立，是一家國有電力批發商，并根據政府政策推廣進口煤發電，是日本最大的煤電運營商。

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

福島核事故之前，日本在本世紀并沒有建立新的燃煤發電項目。鑒于煤電會增加日本的碳排放，環境部(Ministry of Environment, MoE)否決了所有煤電項目的環境影響評估(Environmental Impact Assessments, EIAs)。然而，在關停所有核電站后，日本首都圈面臨嚴重的電力短缺問題，這迫使東京電力公司(TEPCO)不得不針對2.6GW的基荷電力進行招標。但投標者卻不愿對煤電項目投標，因為即使中標，也可能會在環境影響評估過程中受到MoE的阻礙。這令負責能源供需管理的日本能源、貿易和工業部(Ministry of Energy, Trade and Industry, METI)十分擔憂。

為了解除潛在投標者關于這方面的擔憂，METI和MoE達成了一項協議。如果新建化石能源發電項目能夠滿足兩個條件，MoE就不會阻礙其后續的環境影響評估過程，消除了投標者向東京電力公司投標的后顧之憂。第一個條件是使用最佳可用技術，這意味著只有超超臨界技術符合條件。第二個條件是電力部門規定了與政府2030年能源結構和碳排放目標一致的排放上限，項目的碳排放量必須符合此標準。MoE公布了不同燃料類型(煤和天然氣)和工廠規模的投標者需滿足的能效標準[5]。例如，一個1000MW燃煤電廠的總能源效率(LHV)必須達到45%。

目前，日本有17GW的新建煤電項目，它們分別處于從環境影響評估的早期階段到建設期的不同階段[6]。所有項目都計劃使用超超臨界技術以達到政府要求，但是超超臨界技術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的小型電力項目。這些小型項目利用生物質燃料混燃實現減排。

2016年2月，由于MoE擔憂新建項目的數量日益增多，METI宣布修訂兩條現行法規。其中一項修訂案規定，電廠的能源效率標準必須與2030年國家能源目標一致;另一項修訂案規定，電力零售商必須采購一定的非化石能源份額，以實現2030年國家能源目標。

這兩個修訂案都允許采用“合作行動”實現目標。電力部門的35個主要參與方合作制定了一個框架，以共同實現這一目標。

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，牛津大學史密斯企業與環境學院(Oxford Smith School of Enterprise and Environment)發布了一份名為《日本的燃煤電廠與擱淺資產：環境相關風險的披露分析》報告[7,8]。但其中一些假設是錯誤的[8]。首先，該報告夸大了日本煤電項目的數量，報告稱日本燃煤電廠累計裝機容量將達到28GW。然而日本政府稱煤電裝機容量最高將不超過17GW。這份報告也提到了8個J-POWER的新建項目：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)。但事實上，橫濱、新橫須賀和橫須賀3個項目并非J-POWER的項目。

Arima教授指出，牛津大學這篇報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[8]。它只是將注意力放在了環境方面，沒有考慮到日本的能源安全和經濟。該研究直接假設煤電對人類有害，并且否定了日本對廉價可靠電力的需求。值得注意的是，新建燃煤電廠將采用最先進的潔凈煤技術，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用CCS技術，可以減少碳排放。

日本是超超臨界潔凈煤技術的全球領先者，并將繼續通過研發進一步改進該技術。因此，日本已經建立了低排放燃煤電廠。例如，J-POWER的磯子電廠(Isogo Power Station)采用日本最先進的潔凈煤技術，不僅實現了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。它是一個十分獨特的都市燃煤電廠，采用了世界上最先進的潔凈煤技術。

最初，磯子電廠有2個265MW的亞臨界鍋爐。舊電廠在20世紀60年代開始商業化運行，35年來一直為日本提供基荷電力。1996年，政府批準了一項更新計劃。與客戶和橫濱市探討之后，新電廠設計了2×600MW的機組，能夠達到最高的能源效率和最低排放(全球燃煤電廠中)。其鍋爐和汽輪機采用超超臨界技術，機組的蒸汽參數為600℃/25MPa，再熱蒸汽溫度為610℃。該電廠采用干式DeSOx系統減排。

如圖4所示，由于采用這種先進的DeSOx和DeNOx系統，磯子電廠的硫氧化物和氮氧化物的排放低于其他發達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富氧整體煤氣化聯合循環發電(Oxygen-Blown Integrated Coal GasificationCombined Cycle)技術。該項技術旨在提高能源效率，從合成氣中經濟地捕集CO2，利用超超臨界技術進一步提高效率并減少碳排放。IGCC技術的商業化目標預計于21世紀20年代初實現;整體煤氣化燃料電池發電(Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle, IGFC)，是未來進一步提高能效的研發方向。日本仍將努力在潔凈煤技術方面繼續保持世界領先地位，此外，提供充足的預算和投資創新技術十分重要。

圖5 2015—2040 年，不同區域退役及新增燃煤電廠累計裝機容量[5]

二、全球煤電發展全景

IEA數據顯示，2014年煤炭提供了全球40%的發電量，創歷史新高。經合組織國家在20世紀90年代期間燃煤發電的份額曾高達70%，如圖5所示。此后，燃煤發電量增加了一倍多，預計到2040年煤電份額將增加24%。非經合組織國家的煤電份額從2000年開始上升，按照當前水平計算，現在已高于60%，預計到2040年將會超過80%。到2040年，亞洲電力領域的煤炭需求將增加67%。

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

圖6 1990—2040 年間燃煤發電情況[4,11]

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

隨著人們對氣候變化風險認識的提高，經合組織國家對于煤炭的批評甚囂塵上。除此之外，新的燃煤發電項目的公共融資受到限制。關于英美兩國全面禁止煤電項目和日本、澳大利亞允許設立高效煤電項目的激烈爭論持續了數月之久。2015年9月，經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的煤電項目進行投資。經合組織國家必須承認，煤炭的高效利用有助于非經合組織國家降低碳排放，不應禁止所有煤電項目的官方出口信貸。

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以達到有效降低全球碳排放的目標。例如，J-POWER參與了印度尼西亞的一些項目，包括在中爪哇省(Central Java)建設2個1000MW的超超臨界燃煤電廠的獨立發電商開發項目。該項目將利用當地的次煙煤，并成為印度尼西亞第一座利用超超臨界技術的燃煤電廠。該電廠預計將于2020年投入運行。它將助力印度尼西亞的可持續發展和減排工作。

三、結論

依照《聯合國氣候變化框架公約》(United Nations Framework Convention onClimate Change, UNFCCC)，《巴黎協定》于2016年11月正式生效。為了實現減少CO2排放的目標，各國需要實施一系列減緩氣候變化的技術，包括潔凈煤技術。在短期內，高效利用煤炭是亞洲國家減排的關鍵。日本的潔凈煤技術將有助于最有效地利用煤炭發電，并支持亞洲的可持續發展。J-POWER致力于在國內外實現潔凈煤技術的商業化，并進行進一步的研發。(本文轉自基石雜志)

[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．ac．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．