日本和世界的燃煤发电现状及发展趋势

日本电源开发株式会社(J-POWER)气候变化高级顾问 中山寿美江(Sumie Nakayama)

日本和世界的燃煤发电现状及发展趋势

日本电源开发株式会社(J-POWER)气候变化高级顾问 中山寿美江(Sumie Nakayama)

日本政府计划，到2030年煤电、核电和天然气发电在总发电量中的比例分别为26%、22%和27%。由于日本民众对于逐步重启核电站充满担忧，因此电力部门更多地选择建立高效低排放的燃煤电厂。本文阐述了日本的能源政策以及选择煤炭背后的原因。此外，文中还探讨了未来煤炭对于亚洲国家的重要性，以及日本促进国内外洁净煤技术发展的途径。

一、日本的燃煤发电

如图1所示，历史上日本的能源供需经历了两次重大变革。一是1970～2010年间对石油依赖程度的下降;二是2011年福岛核电站事故后核电的突然消失。20世纪70年代，日本严重依赖于石油资源(占比约70%)，在此期间的石油危机严重威胁到了日本的能源安全。因此，日本政府被迫实施了更稳定的新能源政策，开始推广煤炭、液化天然气和核能。这种多样化能源政策将日本对石油的依赖度从70%降至2010年的8%(图1中的红色部分)。然而，2011年日本大地震引发的福岛核危机深刻地改变了日本的核电政策以及能源发展走向。日本关停了国内所有核电站(51座)。在引进全球最严格的新安全标准(必须在重启核反应堆之前实施)后，日本于2012年建立了核安全监管机构(Nuclear Regulation Authority, NRA)。

2015年，日本政府制定了新的能源政策，公布了到2030年的能源供应与需求目标[1]。该政策旨在实现能源安全、经济、环境和安全的协调发展。到2030年发电组成预计为：核电22%、煤炭26%、液化天然气27%、石油3%、其他可再生能源22%。日本政府要确保实现60%左右的基荷电力，以保证供电的稳定性。燃煤发电将贡献56%的基荷电力，此外还有核能、水力、地热能和生物质能。

如今，重启现有核反应堆的时间比预期长。包括福岛第一核电站在内的7座核电站将被永久关闭，有39座核电站可能会再次投入运行。新核电标准的评估可能需要两年时间。NRA正在评估有关30个核反应堆电站的意见书，截至目前，仅有5个核反应堆电站通过了评估。由于重启核反应堆的时间延长，一些地区的电厂可以寻求替代能源来增加基荷发电。此外，日本政府持续放松对电力市场的管制，并鼓励新建电厂使用更具成本效益的能源资源。因此，几个新的燃煤发电项目已提上日程，其中一些已经开始建设。图2展示了日本不同能源类型的份额，其中燃煤发电装机容量为40GW，占总量的16%。

图1 日本1970—2014年间的发电组合历史趋势以及到2030年的目标[1,2]

图2 2014年日本不同能源的装机容量[2]

图3 2014年日本燃煤电厂主要业主[3]

日本燃煤电厂主要为10个地区的电力公司和电源开发株式会社(J-POWER)。图3描述了日本燃煤发电的总发电量和不同公司的份额。

J-POWER于20世纪80年代成立，是一家国有电力批发商，并根据政府政策推广进口煤发电，是日本最大的煤电运营商。

煤炭和核能的价格低于天然气，因此煤电和核电是日本最佳的基荷电力能源选择。进口液化天然气包含液化成本和运输成本，价格更高。国际能源署(IEA)的数据表明，美国、欧洲和日本的煤炭和天然气的相对价格不尽相同[4]。就发电而言，美国的煤炭价格几乎与天然气相当，而日本的煤炭价格远低于天然气。

福岛核事故之前，日本在本世纪并没有建立新的燃煤发电项目。鉴于煤电会增加日本的碳排放，环境部(Ministry of Environment, MoE)否决了所有煤电项目的环境影响评估(Environmental Impact Assessments, EIAs)。然而，在关停所有核电站后，日本首都圈面临严重的电力短缺问题，这迫使东京电力公司(TEPCO)不得不针对2.6GW的基荷电力进行招标。但投标者却不愿对煤电项目投标，因为即使中标，也可能会在环境影响评估过程中受到MoE的阻碍。这令负责能源供需管理的日本能源、贸易和工业部(Ministry of Energy, Trade and Industry, METI)十分担忧。

为了解除潜在投标者关于这方面的担忧，METI和MoE达成了一项协议。如果新建化石能源发电项目能够满足两个条件，MoE就不会阻碍其后续的环境影响评估过程，消除了投标者向东京电力公司投标的后顾之忧。第一个条件是使用最佳可用技术，这意味着只有超超临界技术符合条件。第二个条件是电力部门规定了与政府2030年能源结构和碳排放目标一致的排放上限，项目的碳排放量必须符合此标准。MoE公布了不同燃料类型(煤和天然气)和工厂规模的投标者需满足的能效标准[5]。例如，一个1000MW燃煤电厂的总能源效率(LHV)必须达到45%。

目前，日本有17GW的新建煤电项目，它们分别处于从环境影响评估的早期阶段到建设期的不同阶段[6]。所有项目都计划使用超超临界技术以达到政府要求，但是超超临界技术并不适用于小型燃煤电厂，因此还包括一些没有使用该技术的小型电力项目。这些小型项目利用生物质燃料混燃实现减排。

2016年2月，由于MoE担忧新建项目的数量日益增多，METI宣布修订两条现行法规。其中一项修订案规定，电厂的能源效率标准必须与2030年国家能源目标一致;另一项修订案规定，电力零售商必须采购一定的非化石能源份额，以实现2030年国家能源目标。

这两个修订案都允许采用“合作行动”实现目标。电力部门的35个主要参与方合作制定了一个框架，以共同实现这一目标。

图4 日本拥有世界上硫氧化物、氮氧化物排放最低的火电厂[9-11]

2016年5月，牛津大学史密斯企业与环境学院(Oxford Smith School of Enterprise and Environment)发布了一份名为《日本的燃煤电厂与搁浅资产：环境相关风险的披露分析》报告[7,8]。但其中一些假设是错误的[8]。首先，该报告夸大了日本煤电项目的数量，报告称日本燃煤电厂累计装机容量将达到28GW。然而日本政府称煤电装机容量最高将不超过17GW。这份报告也提到了8个J-POWER的新建项目：竹原(Takehara)、高砂(Takasago)、山口县(Nishiokinoyama)、大崎Coolgen、鹿岛( Kashima)电厂、横滨(Yokohama)、新横须贺(Shin Yokosuka)和横须贺(Yokosuka)。但事实上，横滨、新横须贺和横须贺3个项目并非J-POWER的项目。

Arima教授指出，牛津大学这篇报告最大的问题在于未考虑日本的能源政策和2030年的国家能源目标[8]。它只是将注意力放在了环境方面，没有考虑到日本的能源安全和经济。该研究直接假设煤电对人类有害，并且否定了日本对廉价可靠电力的需求。值得注意的是，新建燃煤电厂将采用最先进的洁净煤技术，几乎能够百分之百地消除硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放(取决于煤的特性)。通过高效电厂以及应用CCS技术，可以减少碳排放。

日本是超超临界洁净煤技术的全球领先者，并将继续通过研发进一步改进该技术。因此，日本已经建立了低排放燃煤电厂。例如，J-POWER的矶子电厂(Isogo Power Station)采用日本最先进的洁净煤技术，不仅实现了45%的能源效率(LHV)，而且减少了烟道气，硫氧化物排放量低至几个ppm，氮氧化物排放量低于10ppm，颗粒物的浓度低于5ppm。

矶子电厂位于日本人口第二大城市横滨，距离横滨市中心仅6公里，距离东京市中心30公里。它是一个十分独特的都市燃煤电厂，采用了世界上最先进的洁净煤技术。

最初，矶子电厂有2个265MW的亚临界锅炉。旧电厂在20世纪60年代开始商业化运行，35年来一直为日本提供基荷电力。1996年，政府批准了一项更新计划。与客户和横滨市探讨之后，新电厂设计了2×600MW的机组，能够达到最高的能源效率和最低排放(全球燃煤电厂中)。其锅炉和汽轮机采用超超临界技术，机组的蒸汽参数为600℃/25MPa，再热蒸汽温度为610℃。该电厂采用干式DeSOx系统减排。

如图4所示，由于采用这种先进的DeSOx和DeNOx系统，矶子电厂的硫氧化物和氮氧化物的排放低于其他发达国家化石燃料电厂的排放。

目前，J-POWER、中国电力株式会社和其他几家公司正在研发富氧整体煤气化联合循环发电(Oxygen-Blown Integrated Coal GasificationCombined Cycle)技术。该项技术旨在提高能源效率，从合成气中经济地捕集CO2，利用超超临界技术进一步提高效率并减少碳排放。IGCC技术的商业化目标预计于21世纪20年代初实现;整体煤气化燃料电池发电(Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle, IGFC)，是未来进一步提高能效的研发方向。日本仍将努力在洁净煤技术方面继续保持世界领先地位，此外，提供充足的预算和投资创新技术十分重要。

图5 2015—2040 年，不同区域退役及新增燃煤电厂累计装机容量[5]

二、全球煤电发展全景

IEA数据显示，2014年煤炭提供了全球40%的发电量，创历史新高。经合组织国家在20世纪90年代期间燃煤发电的份额曾高达70%，如图5所示。此后，燃煤发电量增加了一倍多，预计到2040年煤电份额将增加24%。非经合组织国家的煤电份额从2000年开始上升，按照当前水平计算，现在已高于60%，预计到2040年将会超过80%。到2040年，亚洲电力领域的煤炭需求将增加67%。

图6展示了1990—2040年间不同地区退役和新增燃煤电厂的累积装机容量。经合组织国家退役的煤电装机容量总量超过300GW，新增容量为100GW。中国和东南亚国家预计将建设大量的火电厂。IEA预计，在2015～2040年间，非经合组织国家的新增煤电装机容量总额将会超过1000GW，这占全球现有煤电装机容量的一半以上。

图6 1990—2040 年间燃煤发电情况[4,11]

相比其他能源，煤炭更为廉价，因此许多国家正在大力建设燃煤电厂，如中国和印度尼西亚等拥有丰富煤炭储量的国家。许多非经合组织国家的能源政策以煤电为主，并在此基础上制定经济发展计划。因此，鼓励以最高效的方式利用煤炭，即利用高效率发电技术降低碳排放至关重要，尤其是对于亚洲非经合组织国家。

随着人们对气候变化风险认识的提高，经合组织国家对于煤炭的批评甚嚣尘上。除此之外，新的燃煤发电项目的公共融资受到限制。关于英美两国全面禁止煤电项目和日本、澳大利亚允许设立高效煤电项目的激烈争论持续了数月之久。2015年9月，经合组织国家的出口信贷投放审查程序改为允许对使用超超临界技术的煤电项目进行投资。经合组织国家必须承认，煤炭的高效利用有助于非经合组织国家降低碳排放，不应禁止所有煤电项目的官方出口信贷。

鉴于亚洲需要高效利用煤炭，日本将鼓励在其他国家部署其洁净煤技术以达到有效降低全球碳排放的目标。例如，J-POWER参与了印度尼西亚的一些项目，包括在中爪哇省(Central Java)建设2个1000MW的超超临界燃煤电厂的独立发电商开发项目。该项目将利用当地的次烟煤，并成为印度尼西亚第一座利用超超临界技术的燃煤电厂。该电厂预计将于2020年投入运行。它将助力印度尼西亚的可持续发展和减排工作。

三、结论

依照《联合国气候变化框架公约》(United Nations Framework Convention onClimate Change, UNFCCC)，《巴黎协定》于2016年11月正式生效。为了实现减少CO2排放的目标，各国需要实施一系列减缓气候变化的技术，包括洁净煤技术。在短期内，高效利用煤炭是亚洲国家减排的关键。日本的洁净煤技术将有助于最有效地利用煤炭发电，并支持亚洲的可持续发展。J-POWER致力于在国内外实现洁净煤技术的商业化，并进行进一步的研发。(本文转自基石杂志)

[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．