【國(guó)際觀察】全球生物質(zhì)能發(fā)展這些趨勢(shì)值得關(guān)注——日本篇

石油產(chǎn)品、煤炭和天然氣仍然主導(dǎo)著日本的能源系統(tǒng)。2019年，可再生能源在日本能源供應(yīng)總量中只占6%，在最終能源消耗中的份額為8%。大約三分之一的可再生能源來(lái)自生物質(zhì)能源。2011年福島核災(zāi)難后，核能被淘汰，通過(guò)化石能源（主要是天然氣）的增加來(lái)補(bǔ)償。近年來(lái)，可再生電力（最初主要是水力發(fā)電）正在增長(zhǎng)，特別是太陽(yáng)能，但也有一些以生物質(zhì)發(fā)電。煤炭仍然占日本電力產(chǎn)量的三分之一，而且尚未出現(xiàn)任何大幅下降。日本的熱量供應(yīng)和運(yùn)輸燃料仍然主要是基于化石燃料。在交通領(lǐng)域，日本正高度關(guān)注可持續(xù)航空燃料(SAF)。

日本有進(jìn)一步部署生物質(zhì)能源的重要機(jī)會(huì)，特別是通過(guò)固體生物質(zhì)取代煤炭，增加運(yùn)輸領(lǐng)域的生物燃料和沼氣，還可以利用垃圾焚燒發(fā)電。

1.國(guó)家概況

日本國(guó)土總面積36.5萬(wàn)平方公里，1.27億人口。日本大約三分之二的土地面積是林地，11%的土地面積是耕地。日本有非常有利的地理和氣候生長(zhǎng)條件，因此農(nóng)林生物質(zhì)具有重要的潛力。

從能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看，日本的人均最終能源消耗約為2.2 噸油當(dāng)量 (toe)，與IEA生物質(zhì)能成員國(guó)人均能源消費(fèi)平均值相當(dāng)（如表1所示）。

表1. 2019年日本全行業(yè)人均能源最終消費(fèi)分布

在政策方面上，2020 年10 月 26 日，日本首相菅義偉宣布，日本的目標(biāo)是到 2050年將溫室氣體排放量減少到零，使日本成為碳中和、脫碳社會(huì)。日本的目標(biāo)是到 2030年將溫室氣體排放量比 2013年的水平減少 46%，并計(jì)劃到 2030年在電力供應(yīng)中使用 36% 至 38% 的可再生能源。

如圖1所示，2019 年日本的能源供應(yīng)總量為 17.4 EJ，其中化石燃料（石油、煤炭、天然氣）占 88%。石油產(chǎn)品（6.7 EJ）是主要燃料，占能源供應(yīng)總量的 38%。煤炭占另外 28% (4.8 EJ)，天然氣約占 22% (3.9 EJ)?？稍偕茉磧H占總能源供應(yīng)的 6.3%，其中約 40% 是生物能源。

在過(guò)去的 15 年里，日本的能源供應(yīng)總量實(shí)際上已經(jīng)從 2005 年的 22 EJ 下降。目前為 17 EJ，平均每年下降近 2%。煤炭量在 4.9 EJ 左右非常穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)任何下降（與其他工業(yè)化國(guó)家相比）。石油產(chǎn)品仍占主導(dǎo)地位，但已從 2000 年代初期的 10 EJ 下降到近年來(lái)的 7 EJ。到 2010 年，核能占 TES 的 3 EJ 或 15%，但在2011 年 3月福島事故后下降到零。最近略有回升，達(dá)到 TES 的 4%（0.7 EJ）。天然氣在 2000 年代從 2.7 到 3.5 EJ 穩(wěn)步增長(zhǎng)。隨著核能的突然淘汰能量，它一步增加到 4.4 EJ。近年來(lái)，這一數(shù)字再次略微下降至 2019 年的 3.9 EJ 水平?？稍偕茉丛谶^(guò)去 10 年中穩(wěn)步增長(zhǎng)，盡管水平相當(dāng)溫和（從 TES 的 3.5% 到 6.3%）。水電在 300 PJ 左右相當(dāng)穩(wěn)定，而生物質(zhì)能源在過(guò)去 10年從 300 PJ 穩(wěn)步增加到 400 PJ。主要增長(zhǎng)的是太陽(yáng)能，同期從 30 PJ 增加到 250 PJ。

圖1：2000年至2019年日本能源供應(yīng)量及組成

2.生物質(zhì)能總體發(fā)展

圖2主要介紹了日本生物質(zhì)能變化過(guò)程。生物質(zhì)能源供應(yīng)總量從 2000 年初的 200 PJ 增加到 2019 年的 400 PJ。固體生物質(zhì)燃料是日本生物質(zhì)能源的主要類型，其中主要增長(zhǎng)是用于發(fā)電供熱行業(yè)的生物質(zhì)燃料。固體生物質(zhì)能源在工業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)穩(wěn)定，在110 PJ左右。住宅、商業(yè)和公共建筑中固體生物燃料的使用率要低得多約為57 PJ。可再生城市固體廢物在 2010 年初達(dá)到 26 PJ 的歷史最高水平后于近年來(lái)降至 15 PJ。2010 年左右日本引入了生物質(zhì)燃料（尤其是生物乙醇），但數(shù)量仍然相當(dāng)少約為17 PJ。過(guò)去 10 年，日本開發(fā)了少量的沼氣約為9 PJ。

圖2：2000年至2019年日本生物質(zhì)能供應(yīng)量及組成

3.日本生物質(zhì)能在不同部門的使用

生物質(zhì)能在電力、交通和供熱等終端能源消費(fèi)中的占比約為2.7 %。其中生物質(zhì)發(fā)電占總用電量的2.7%；生物質(zhì)燃料占交通運(yùn)輸能源消耗的0.6%，而生物質(zhì)能供熱為3.9%。

3.1 電力

從電力能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，化石燃料在日本發(fā)電量中的占比最大約為總發(fā)電量的四分之三。天然氣占比 38% (385 TWh) 和煤炭 占比32% (330 TWh)。2010 年之前，核能發(fā)電占總發(fā)電量的 25% 至 30%（約 280 TWh）之間。在福島災(zāi)難之后，這一比例降至零，近些年來(lái)僅略微恢復(fù)至 6%（65 TWh）的水平。2011年以來(lái)核電的下降主要是由天然氣以及一些石油和煤炭的增加來(lái)彌補(bǔ)的。近年來(lái)，石油正降至非常低的水平（占發(fā)電總量的 3.5%），天然氣略微下降至 385 TWh（從其峰值 430 TWh）。煤炭保持穩(wěn)定在 330 TWh 左右?？稍偕娏χ饕撬Πl(fā)電，在過(guò)去幾十年中產(chǎn)生了 75 到 95 TWh，占日本發(fā)電量的 8%。生物質(zhì)發(fā)電的作用不大，但略有增長(zhǎng)（目前約為 3%）。太陽(yáng)能從 2010 年的 3.5 TWh 大幅增長(zhǎng)到 2020 年的 70 TWh，目前占發(fā)電量的 7%。風(fēng)力發(fā)電量非常低，僅為 8 TWh (0.8%) 。

圖3：2000年至2019年日本電力供應(yīng)量及組成

3.2 供熱和燃料領(lǐng)域應(yīng)用

圖4展示了近20年來(lái)日本燃料和供熱演變過(guò)程。過(guò)去二十年里，燃料和供熱的消耗總量在逐年遞減，，但在 2019 年仍主要由化石燃料主導(dǎo)（占 93%），其中石油產(chǎn)品占 44%，天然氣占 30%，煤炭占 20%。另外 2% 來(lái)自不可再生廢物。直接使用生物質(zhì)供熱占 4%（160 PJ）——這個(gè)數(shù)量在過(guò)去十年中相當(dāng)穩(wěn)定，其中大約三分之二用于工業(yè)，另外三分之一用于商業(yè)和公共建筑。太陽(yáng)熱能在 2000年占總熱量消耗的 0.6%（30 PJ），但這一比例在最近幾年正顯著下降。

圖4：2000年至2019年日本供熱和燃料供應(yīng)量及組成

3.3 交通運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用

圖5顯示了日本交通運(yùn)輸中使用的能源類型。日本交通運(yùn)輸?shù)恼w能源使用量正在穩(wěn)步下降，與 10 年前相比減少了 10%。汽油是主要燃料，占運(yùn)輸燃料消耗的 55%；柴油占33%，其他油基燃料（主要是航空燃料）占 8%。

圖5：2000年至2019年日本交通運(yùn)輸業(yè)供應(yīng)量及組成

生物燃料僅占運(yùn)輸能源消耗的 0.6%，主要集中在生物乙醇上。生物乙醇在 2010 年推出了，并維持在 8 PJ 的水平，到2019年這一水平略微增加到 17 PJ。生物柴油的使用量要更低約為 0.5 PJ（圖6）。

圖6：2000年至2019年日本交通運(yùn)輸業(yè)可再生能源供應(yīng)量及組成

4.日本生物質(zhì)能研究重點(diǎn)

日本在2014-2021財(cái)年制定一批當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)生物質(zhì)能源系統(tǒng)示范項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)利用區(qū)域特色的最佳生物質(zhì)能源系統(tǒng)，從原材料采購(gòu)、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)、能源利用和整體系統(tǒng)四個(gè)角度進(jìn)行了35項(xiàng)可行性研究。其中，實(shí)施了被評(píng)價(jià)為具有商業(yè)潛力的7個(gè)示范項(xiàng)目和1個(gè)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，其結(jié)果已反映在促進(jìn)每個(gè)地區(qū)生物能源可持續(xù)利用的指導(dǎo)發(fā)針中。

新能源和工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織 (NEDO) 已委托三菱重工、JERA 公司、東洋工程公司和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)生物航空燃料項(xiàng)目的生產(chǎn)技術(shù) (JAXA) 致力于開發(fā)以廢木為原料的燃料生產(chǎn)技術(shù)，IHI Corporation 致力于開發(fā)微藻燃料生產(chǎn)技術(shù)。每種技術(shù)生產(chǎn)的生物航空燃料于 2021 年 6 月 17 日作為可持續(xù)航空燃料 (SAF) 供應(yīng)給 JAL 和 ANA 定期航班。該燃料是通過(guò)氣化 FT 合成技術(shù)生產(chǎn)的，該技術(shù)從氣化實(shí)木木質(zhì)纖維素衍生的合成氣中合成液體燃料，以及 (2) 加氫精煉技術(shù)，該技術(shù)從微藻中提煉油。這兩種技術(shù)均已確認(rèn)符合 SAF 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ASTM D7566。這將為到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和鋪平道路，并有助于減少航空領(lǐng)域的溫室氣體排放。

5.總結(jié)

從能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，目前化石能源依舊是日本主要的能源來(lái)源，被廣泛的運(yùn)用到電力、供暖和交通等多個(gè)領(lǐng)域。近些年來(lái)，日本政府對(duì)生物航空燃料領(lǐng)域進(jìn)行大量研發(fā)資金的投入。因此，我國(guó)也需要積極研發(fā)生物航空燃料相關(guān)技術(shù)，以取得先機(jī)。