石油产品、煤炭和天然气仍然主导着日本的能源系统。2019年,可再生能源在日本能源供应总量中只占6%,在最终能源消耗中的份额为8%。大约三分之一的可再生能源来自生物质能源。2011年福岛核灾难后,核能被淘汰,通过化石能源(主要是天然气)的增加来补偿。近年来,可再生电力(最初主要是水力发电)正在增长,特别是太阳能,但也有一些以生物质发电。煤炭仍然占日本电力产量的三分之一,而且尚未出现任何大幅下降。日本的热量供应和运输燃料仍然主要是基于化石燃料。在交通领域,日本正高度关注可持续航空燃料(SAF)。

日本有进一步部署生物质能源的重要机会,特别是通过固体生物质取代煤炭,增加运输领域的生物燃料和沼气,还可以利用垃圾焚烧发电


一、国家概况

日本国土总面积36.5万平方公里,1.27亿人口。日本大约三分之二的土地面积是林地,11%的土地面积是耕地。日本有非常有利的地理和气候生长条件,因此农林生物质具有重要的潜力。

从能源消费结构上看,日本的人均最终能源消耗约为2.2 吨油当量 (toe),与IEA生物质能成员国人均能源消费平均值相当(如表1所示)。

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表1. 2019年日本全行业人均能源最终消费分布

在政策方面上,2020 年10 月 26 日,日本首相菅义伟宣布,日本的目标是到 2050年将温室气体排放量减少到零,使日本成为碳中和、脱碳社会。日本的目标是到 2030年将温室气体排放量比 2013年的水平减少 46%,并计划到 2030年在电力供应中使用 36% 至 38% 的可再生能源。

如图1所示,2019 年日本的能源供应总量为 17.4 EJ,其中化石燃料(石油、煤炭、天然气)占 88%。石油产品(6.7 EJ)是主要燃料,占能源供应总量的 38%。煤炭占另外 28% (4.8 EJ),天然气约占 22% (3.9 EJ)。可再生能源仅占总能源供应的 6.3%,其中约 40% 是生物能源。

在过去的 15 年里,日本的能源供应总量实际上已经从 2005 年的 22 EJ 下降。目前为 17 EJ,平均每年下降近 2%。煤炭量在 4.9 EJ 左右非常稳定,没有出现任何下降(与其他工业化国家相比)。石油产品仍占主导地位,但已从 2000 年代初期的 10 EJ 下降到近年来的 7 EJ。到 2010 年,核能占 TES 的 3 EJ 或 15%,但在2011 年 3月福岛事故后下降到零。最近略有回升,达到 TES 的 4%(0.7 EJ)。天然气在 2000 年代从 2.7 到 3.5 EJ 稳步增长。随着核能的突然淘汰能量,它一步增加到 4.4 EJ。近年来,这一数字再次略微下降至 2019 年的 3.9 EJ 水平。可再生能源在过去 10 年中稳步增长,尽管水平相当温和(从 TES 的 3.5% 到 6.3%)。水电在 300 PJ 左右相当稳定,而生物质能源在过去 10年从 300 PJ 稳步增加到 400 PJ。主要增长的是太阳能,同期从 30 PJ 增加到 250 PJ。

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图1:2000年至2019年日本能源供应量及组成


二、生物质能总体发展

图2主要介绍了日本生物质能变化过程。生物质能源供应总量从 2000 年初的 200 PJ 增加到 2019 年的 400 PJ。固体生物质燃料是日本生物质能源的主要类型,其中主要增长是用于发电供热行业的生物质燃料。固体生物质能源在工业中的应用相当稳定,在110 PJ左右。住宅、商业和公共建筑中固体生物燃料的使用率要低得多约为57 PJ。可再生城市固体废物在 2010 年初达到 26 PJ 的历史最高水平后于近年来降至 15 PJ。2010 年左右日本引入了生物质燃料(尤其是生物乙醇),但数量仍然相当少约为17 PJ。过去 10 年,日本开发了少量的沼气约为9 PJ。

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图2:2000年至2019年日本生物质能供应量及组成


三、日本生物质能在不同部门的使用

生物质能在电力、交通和供热等终端能源消费中的占比约为2.7 %。其中生物质发电占总用电量的2.7%;生物质燃料占交通运输能源消耗的0.6%,而生物质能供热为3.9%。

3.1 电力

从电力能源结构来看,化石燃料在日本发电量中的占比最大约为总发电量的四分之三。天然气占比 38% (385 TWh) 和煤炭 占比32% (330 TWh)。2010 年之前,核能发电占总发电量的 25% 至 30%(约 280 TWh)之间。在福岛灾难之后,这一比例降至零,近些年来仅略微恢复至 6%(65 TWh)的水平。2011年以来核电的下降主要是由天然气以及一些石油和煤炭的增加来弥补的。近年来,石油正降至非常低的水平(占发电总量的 3.5%),天然气略微下降至 385 TWh(从其峰值 430 TWh)。煤炭保持稳定在 330 TWh 左右。可再生电力主要是水力发电,在过去几十年中产生了 75 到 95 TWh,占日本发电量的 8%。生物质发电的作用不大,但略有增长(目前约为 3%)。太阳能从 2010 年的 3.5 TWh 大幅增长到 2020 年的 70 TWh,目前占发电量的 7%。风力发电量非常低,仅为 8 TWh (0.8%) 。

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图3:2000年至2019年日本电力供应量及组成

3.2 供热和燃料领域应用

图4展示了近20年来日本燃料和供热演变过程。过去二十年里,燃料和供热的消耗总量在逐年递减,,但在 2019 年仍主要由化石燃料主导(占 93%),其中石油产品占 44%,天然气占 30%,煤炭占 20%。另外 2% 来自不可再生废物。直接使用生物质供热占 4%(160 PJ)——这个数量在过去十年中相当稳定,其中大约三分之二用于工业,另外三分之一用于商业和公共建筑。太阳热能在 2000年占总热量消耗的 0.6%(30 PJ),但这一比例在最近几年正显著下降。

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图4:2000年至2019年日本供热和燃料供应量及组成

3.3 交通运输业的应用

图5显示了日本交通运输中使用的能源类型。日本交通运输的整体能源使用量正在稳步下降,与 10 年前相比减少了 10%。汽油是主要燃料,占运输燃料消耗的 55%;柴油占33%,其他油基燃料(主要是航空燃料)占 8%。

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图5:2000年至2019年日本交通运输业供应量及组成

生物燃料仅占运输能源消耗的 0.6%,主要集中在生物乙醇上。生物乙醇在 2010 年推出了,并维持在 8 PJ 的水平,到2019年这一水平略微增加到 17 PJ。生物柴油的使用量要更低约为 0.5 PJ(图6)。

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图6:2000年至2019年日本交通运输业可再生能源供应量及组成


四、日本生物质能研究重点

日本在2014-2021财年制定一批当地可持续生物质能源系统示范项目。为实现利用区域特色的最佳生物质能源系统,从原材料采购、能源转换技术、能源利用和整体系统四个角度进行了35项可行性研究。其中,实施了被评价为具有商业潜力的7个示范项目和1个技术开发项目,其结果已反映在促进每个地区生物能源可持续利用的指导发针中。

新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 已委托三菱重工、JERA 公司、东洋工程公司和日本宇宙航空研究开发机构开发生物航空燃料项目的生产技术 (JAXA) 致力于开发以废木为原料的燃料生产技术,IHI Corporation 致力于开发微藻燃料生产技术。每种技术生产的生物航空燃料于 2021 年 6 月 17 日作为可持续航空燃料 (SAF) 供应给 JAL 和 ANA 定期航班。该燃料是通过气化 FT 合成技术生产的,该技术从气化实木木质纤维素衍生的合成气中合成液体燃料,以及 (2) 加氢精炼技术,该技术从微藻中提炼油。这两种技术均已确认符合 SAF 的国际标准 ASTM D7566。这将为到 2050 年实现碳中和铺平道路,并有助于减少航空领域的温室气体排放。


五、总结

从能源结构来看,目前化石能源依旧是日本主要的能源来源,被广泛的运用到电力、供暖和交通等多个领域。近些年来,日本政府对生物航空燃料领域进行大量研发资金的投入。因此,我国也需要积极研发生物航空燃料相关技术,以取得先机。


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进行无废园区建设是我国全面推行绿色发展,实现国家制造强国战略的有力保障。绿盟在中国生态环境部和固体废物与化学品管理技术中心的指导下,联合中国环境科学研究院、北京经开区、“11+5”试点城市生态环境局及试点内工业园区管理机构编制了这本建设的实操性指南,为“无废园区”建设提供指引。

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