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新能源行业碳中和深度研究报告
电力设备新能源行业碳中和深度报告
1、日本降碳:
碳排放与GDP的同步与脱钩
1.1、1990-2019:
碳排放与GDP增长的三个阶段
整体来看,根据日本GDP增长和碳排放量变化,可以将1990-2019年分为三个阶段:
1)1990-1995:
GDP与碳排放量相关度强,呈现同步、低速上行趋势。
在这一时期,虽日本经历了房地产泡沫的破裂,但GDP与总碳排放量仍保持同步、低速增长态势。
2)1996-2012年:
碳排放量与GDP水平震荡,经济危机、福岛核事故显著改变碳排放趋势。
GDP处于横盘阶段,先后经历了亚洲金融危机、互联网泡沫破裂、全球经济危机。
从1996年到全球金融危机前的2007年,GDP增幅0.69%,碳排放量增幅0.32%,经济增长几乎停滞,导致总体碳排放量维持震荡水平。
2011年福岛核事故后,核电停运,化石燃料使用量增加,导致碳排量快速上行。
3)2013-2019年:
GDP与碳排放量“脱钩”,核电重启、可再生能源快速发展显著改变能源结构。
面对严峻的能源环境,日本不得不重启核电,同时推出FiT(可再生能源收购)制度,大力发展光伏、风电等可再生能源。
节能节电行动在这一时期得到大力推广。
在整个社会的共同努力下,新能源快速发展,碳排放量开始下行,实现了所谓的“经济增长与碳排放脱钩”。
1.2、第二阶段:
经济危机与福岛核事故成重要因素
总体来看,在房地产泡沫破裂后,20世纪90年代至21世纪前十年,日本经济处于平台期。
在所谓的“失去的二十年”中,钢铁、化工产品产量基本保持稳定,人均GDP处于高位,这构成了碳排放量基本稳定的基础。
在这一时期,GDP整体保持稳定,受到亚洲金融危机、全球金融危机等影响,有过数次下行。
单位GDP所产生的碳排放水平同样保持基本稳定,造成波动的最大因素来自于核电。
例如2002年、2007年、2011-2012年,由于受到外部事件冲击,核电部分停运或利用率下降,造成碳排放强度提升。
特别是2011-2012年福岛核事故后,由于核电利用率快速下降,碳排放强度显著提升。
1.3、第三阶段:
能源结构改变与节能行动成重要因素
通过因素分析,可以将CO2排放量分解为CO2排放因子(包括电力与其他燃料)、能源消耗系数(包括电力与其他燃料)、人均GDP、人口的乘积。
CO2排放因子:
指单位能源消耗所产生的CO2排放量,分为电力和其他燃料。
能源消耗系数:
指单位GDP所消耗的能量,分为电力和其他燃料。
根据因素分析的结果,2013-2019年,日本碳排放量下降2.06亿吨,其中由CO2排放因子(电力)、能源消耗系数(电力)、能源消耗系数(其他燃料)贡献的减排量分别为8470、6820、8040万吨。
原因在于2013-2019年,由于核电重启和可再生能源发展,单位能源消耗产生的碳排放量下降;由于节能节电措施的普及,单位GDP消耗的电力和其他燃料下降。
1.3.1、CO2排放因子:
与能源结构改变密切相关2013-2019年,CO2排放因子(电力)对碳排放量下降的贡献度达到8470万吨,在所有因素中贡献最大,CO2排放因子(其他燃料)对碳排放量下降的贡献度达到1700万吨。
单位能耗碳排放量的下降主要是由于核电重启和发展可再生能源两方面因素引起。
首先,核电在运行过程中不产生CO2,且在日本总用电量中占据重要位置(2010年发电量占比25.1%)。
因此,福岛事故后,当核电开工率从2010年的67.3%下降至2014年的0%,日本的总碳排放强度由2010年的0.41kgCO2/kWh上升至2014年的0.57kgCO2/kWh,增幅38%。
其次,福岛事故后,日本推出FiT(可再生能源收购)制度,大力发展光伏、风电等可再生能源。
可再生能源(包括水电)占比从2010年的9.5%提升至2019年的18%。
因此,2013-2019年,随着核电重启,可再生能源占比扩大,日本的CO2排放因子快速下降,2019年末已回到与2008年相同水平。
1.3.2、能源消耗系数:
节能需要改变工业和生活方式震后大节电:
全民行动2011年3月,东日本大地震后,福岛第一、第二核电站及女川核电站严重受损,其他核电站陆续进入停机检修状态,同时部分火电厂也受到影响而停机。
这导致电力供应大幅下滑,据崔成(驻日使馆经参处)《日本震后大节电的效果与影响》估计,2011年3月电力缺口在1000万kW以上。
日本政府采取了供需两侧紧急措施。
在供给侧,紧急修复受损火电机组,启用了老旧机组;在需求侧,开展了“全民大节电”措施。
1、针对大企业:
对关东和东北地区用电量超过500kW以上的大企业实施同比下降15%的节电令,违者处以最高100万日元的罚款。
企业纷纷采取各种措施进行节电并尽量错峰。
日本汽车企业普遍采用周六、周日工作,周四、周五休息。
日产还在每天午后2~5时停止工作,以避开用电高峰。
2、针对小企业:
日本政府没有规定中小企业采取严格的限电措施,只是参照对大企业的要求,提出了15%的节电请求。
但是,日本的中小企业却普遍采取各种措施主动节电,除包括大企业普遍采用的周六、周日工作,周四、周五休息的措施外,还主动增加自发电设施,并将部分耗电设备改为燃油设备。
3、政府及公共部门:
政府在节电方面的带头及示范作用对民间节电意识的提高及自觉节电有着潜移默化的影响,在推广全民节能、节电方面作用明显。
公共交通服务方面,东京山手线将运力降为平时的70~95%,东京私铁也将运力降为平时的80%,并提高空调温度。
4、居民部门:
日本核电事故后,民意展现出强烈的意愿节电节能、转变生活方式。
在受影响最大的关东和东北地区,实施节电的家庭占88.9%,其它地区占到70.6%。
在相关的家庭节电行为中,79.8%的家庭关闭了坐便器的加温功能,LED照明灯具的更换也成为重要选项。
“全民大节电”使东京电力夏季日最大负荷由2010年的5887万kW,下降到2011年的4922万kW,同比降幅达16.3%。
随着供给侧逐季恢复,日本度过了电力缺口,但全民节电的行动深入人心,节电行动长期化,许多节电措施和产品延续下来。
从石油危机到福岛事故:
从节能走向节电由于资源匮乏,日本对节约能源的概念推行已久。
石油危机后,日本于1979年制定《能源节约法》,对包括工厂/商业机构和运输领域在内的能源用户实行直接监管,对居民用户实行间接监管。
根据日本环境省对2006-2019年碳排放量变化因素的分解,在2011年以前,节能(即能源消耗系数-其他燃料)措施贡献了较多减排量,但节电措施并不明显(在2007和2010年甚至增加了碳排放量)。
2011年后,通过“全民大节电”,能源消耗系数(其他燃料)和能源消耗系数(电力)同时贡献较多的减排量,说明节能和节电在同时发挥作用。
2、2013年碳达峰,制定2050年的碳中和规划
2.1、减排目标更新:
2030年较2013年减排46%
从总量来看,日本温室气体总排放量自2014年以来已连续第六年减少,2019年达到12.1亿吨二氧化碳,较1990年减少4.9%。
根据日本此前设定的减排目标,2020年较2005年减排3.8%,2030年较2013年减排26%。
目前,2020年减排目标已完成。
2021年4月,日本共同社报道,日本政府准备宣布强化2030年减排目标,将2030年的减排目标提升至40%-45%(较2013年)。
但以美国和英国为代表的国际社会促使日本将减排目标提升至50%(较2013年)。
最终,在2021年4月22日举行的“领导人气候峰会”上,日本首相菅义伟宣布,将2030财年温室气体排放量从2013财年的水平上减少46%。
2020年12月25日,日本政府发布了《2050年碳中和绿色增长战略》(以下简称《战略》),成为日本实现碳中和的纲领性产业指导。
《战略》由日本经济产业省颁布,提出2050年实现碳中和。
政府将从能源、运输制造和家庭办公等方面入手,为14个领域制定具体发展目标。
同时,《战略》将碳中和视作重要的经济发展方式,期待以优惠政策吸引民间资本加入。
“经济与环境良性循环”的产业政策即为绿色增长战略。
这样的观念意味着,节能减排将会是新的增长机会而非过去所认为的制约经济增长的阻力。
《战略》认为,预计到2050年绿色增长理念每年将为日本创造2万亿美元的经济增长。
为了迎接产业结构和社会经济的变革,政府将会:
①全力支持私营企业投资绿色产业,创新绿色技术;②提出具体的蓝图,提出高目标,为民间企业创造激发挑战的环境;③从产业政策的角度设立14个有望增长的领域与产业。
电力行业脱碳化是大前提。
可再生能源、火力发电和核能均需做出相应的改变。
对于可再生能源,降低成本,改善系统,与周边环境协调显得较为重要;对于火力发电,应当最大限度地追求回收CO2为目标;对于核能行业,安全则是第一位,在此前提下有必要开发更具备安全性的新一代反应堆。
在供给侧:
到2050年,电力需求将比目前增加30%-50%,其中约有50%-60%的电量由可再生能源提供,剩下的能源需要由其它能源负担。
目前火力发电+碳捕获技术和氢能发电尚未商业化大规模应用,这意味着其仍需进一步的发展。
在需求侧:
与大力发展可再生能源相对应,能源需求侧需要进行深度电气化。
在电力无法满足的领域,氢能、合成燃料、生物燃料则有一席之地。
化石燃料仍被允许部分使用,但必须与相应的碳捕捉动作相结合。
2.2、五个主要的政策工具
2.2.1、预算:
绿色创新基金推动能源革命和减碳措施日本新能源产业技术综合开发机构:
2万亿日元的绿色创新基金。
该基金将会在今后10年(至2030年),对碳中和社会和产业竞争力基础领域(例如电力绿色化和电气化、氢能、CO2回收)进行资助。
2万亿日元预算将会撬动更多投资。
《战略》指出,政府的2万亿日元预算可以看做“引水”。
换言之,绿色创新基金的设立是一种资本投资的激励手段,将会吸引15万亿日元来自私营企业的研发与投资和来自全世界约3000万亿日元的ESG资金。
由于自身资源匮乏,日本历来重视能源领域的研发工作。
2019年,日本以31亿美元的公共能源RD&D预算总额位居世界第二。
在支出方向上,核电、可再生能源是主要方向。
同时,日本仍是迄今为止氢和燃料电池领域研究经费最高的国家。
2.2.2、税制:
对碳中和投资税收减免或特别折旧建立碳中和投资促进税制(税收减免或特别折旧)。
为从事业务重组/重组等工作的公司设立一个特殊上限,同时扩大研发税制。
这样的税收制度有利于促进生产脱碳化和企业短期与中长期的脱碳化投资。
预计10年间将拉动约1.7万亿日元的民间投资。
2.2.3、金融:
建立合适的金融体系支持碳中和投资建立合适的金融体系支持碳中和投资。
政府将会对海上风电等可再生业务提供风险资金支持(如规模800亿日元的“绿色投资促进基金”)。
金融机构和资本市场应适当利用碳中和的融资资金,促进高科技和具有潜力的日本公司的发展;通过公司债券市场活跃ESG投资。
除此以外,国际金融合作也将在G7、G20峰会上进行讨论。
2.2.4、监管改革与规范化:
强化环境监管、碳交易、碳税制度加强制定环境监管法规与碳交易市场、碳税等制度。
合理制定适用于新技术的法规。
日本将致力在全世界内对技术进行标准化,以此拉动内需。
同时,政府将通过鼓励大规模的生产投资来尝试降低可再生能源价格。
2.2.5、国际合作:
碳外交争取更多边、多领域合作加强与主要国家的合作。
《战略》指出,未来日本政府会在创新政策,重点领域技术标准化等方面与欧美各国合作。
同时,政府也会同广大新兴国家与国际组织(如IEA、ERIA)进行合作,从争取市场的角度推进双边与多边合作。
举办国际会议,增强国际传播与合作力度。
未来日本政府将会密集召开与能源和环境有关的会议,召集世界各国首脑与各个领域的专家,共商碳中和议题。
同时,日本政府将向世界宣传绿色增长战略,并努力促进先进科研机构间的交流合作。
3、能源与工业转型是核心:
考虑资源约束与维护核心竞争力
如图22所示,《战略》中指出的三大相关产业主要涉及14个领域。
这些领域包括:
海上风电、氨燃料、氢能、核能、汽车和蓄电池、半导体和通信产业、船舶、交通物流和基建、食品农林和水产、航空、碳循环、下一代住宅,商业建筑和太阳能、资源循环以及生活方式。
分行业来看:
以发电为代表的的能源部门是最大的排放部门,其次是工业和运输。
2011年福岛核事故后,日本加大了化石燃料的使用比例,造成能源部门的二氧化碳排放量快速上升。
2013年后,由于核电重启和可再生能源使用比例扩大,发电部门碳排放量下降,带动整体碳排放量下降。
以2016年为例,二氧化碳排放量中约有93.4%(11.26亿吨)为能量来源,其余为非能量来源。
以能量来源的二氧化碳来源解析:
1)工业:
占比37%,其中钢铁、化工、机械制造分别占40%、14%、10%;2)运输:
占比19%,其中汽车(客运)、汽车(货运)占比较大,分别占运输板块的50%、36%,船舶、航空、铁路占比较小,分别为5%、5%、4%。
3)商业:
占比19%,其组成较为分散,占比较大的为批发零售(22%)、医疗/福利(14%);4)家用:
占比16%,其中家电和照明占家用板块碳排放量的一半以上,热水供应站25%。
3.1、能源:
可再生能源为主、核能为辅,重点扶持氢/氨
从一次能源结构来看,经历了两次石油危机后,日本加大了煤和天然气的使用量,逐步削减石油的使用量。
从发电量结构来看,煤电、LNG发电占比逐年提升,近年来保持稳中有降;石油发电占比减小,但在2011年福岛核事故后,石油发电占比短暂回升。
2013年以来,核电、新能源发电占比快速提升。
2013-2018年,新能源发电占总用电量的比例由3.5%提升至9.2%;2014-2018年,核电占总用电量的比例由0%提升至6.2%。
按照《2050年碳中和绿色增长战略》,假设2050年电力需求增长40%,总电量中可再生能源占比55%,核能占比25%,氢/氨发电占比10%,脱碳火电占比10%。
则相比2018年,2050年可再生能源增幅656%,年化增速9.6%;核能增幅467%,年化增速8.2%;火电降幅82%,年化增速-7.5%。
因此,日本政府对可再生能源(特别是海上风电)、氢能、氨燃料、核能做出了详细规划。
3.1.1、海上风电:
扩规模降本,发展国内供应链规划目标日本将海上风电置于能源领域规划的第一位。
主要由于日本的岛国地形,使其拥有丰富的海上风电潜能。
根据IEA数据,其海上风电潜能超过总用电需求的8倍,覆盖度仅次于欧盟。
主要目标包括装机规模和降低成本两方面:
ü装机规模:
2019年底仅有66MW,2020年1月有14.8GW的计划在进行环境评估。
2030年装机容量10GW,2040年达到30-45GW;ü降低成本:
2018年发电成本约为22日元/千瓦时,2019年FiT收购价格为36日元/千瓦时;2030-2035年间成本削减至8-9日元/千瓦时。
因此,未来十年将是日本海上风电快速扩大规模、快速降本的阶段。
实现路径2019年4月,《促进海域利用可再生能源法案》生效,旨在扩大海上风电的引进。
2020年7月,日本政府成立“提高海上风电产业竞争力的公私合营委员会”。
相关目标主要有:
1)建立有吸引力的国内海上风电市场,以吸引国内外投资政府将在招标流程上做出优化,尝试“日本版集中模式”,以加快项目落地,同时加大电网/港口基础设施投资力度。
2)通过建立基础设施促进投资,发展具有竞争力和弹性的国内供应链正如日本政府在《2050年碳中和绿色增长战略》所说,节能减排将会是新的增长机会,而非过去所认为的制约经济增长的阻力。
利用海上风电产业吸引投资,并发展国内产业链,对于日本政府来说十分具有吸引力。
目前日本在风电产业基础较弱,全球份额低于1%,且国内没有风机制造基地。
因此,《2050年碳中和绿色增长战略》设定了国产替代目标,即到2040年将日本国内采购比例提高到60%。
与此同时,日本政府将加快港口、输电线路等基础投资,以吸引国际技术投资。
3)致力于下一代技术开发与国际合作,扩张亚洲及世界市场国际合作方面,主要目的在于加强海外市场扩张,通过与欧美风电机组制造商联合的方式参与国际市场。
此外,计划在新式海上浮式风电技术的标准化方面加强话语权。
3.1.2、核能:
后福岛时代的能源政策考验,中长期地位确立日本面临严重的能源约束对于日本来说,能源方面的资源约束比较明显。
经历了第一次石油危机后,日本开始扩大LNG(液化天然气)的使用比例,同时提高核电比例。
但是日本仍然严重依赖化石能源。
在化石燃料方面,日本绝大多数消费依赖进口。
2019年,日本对进口石油、进口LNG、进口煤炭的依存度分别达到99.7%、97.7%、99.5%。
福岛事件后核电关停,负面效应明显福岛事件后,日本的核电发电量迅速下降,核电开工率于2014年达到0%。
但核电的缺位给日本带来了巨大的压力。
气候方面:
由于核电关停,化石燃料发电比例被迫提升,日本的发电碳排放强度迅速提升,由2010年的0.41kgCO2/kWh提升至2014年的0.57kgCO2/kWh,提升幅度达到38%。
经济方面:
由于需要额外进口化石燃料,导致日本贸易账户迅速转负,到2013年达到-145亿日元。
JAIF(日本原子工业论坛)表示,增加的燃料进口每年花费约3.8至4.0万亿日元(400亿美元)。
此外,由于发电成本的提升,2014年日本工业和家庭电价分别较2010年提升41%和25%。
立场反转,核电中长期地位重新确立由于核电关停带来的负面影响,2012年底,新上台的自民党政府与国家政策研究所一起迅速废除了Enecan(民主党内阁办公室成立的能源与环境理事会,曾建议逐步淘汰核电)。
2015年6月,政府批准了《2030年发电计划》。
到2030年,核电将占20-22%,可再生能源为22-24%,液化天然气为27%,煤炭为26%。
其目标是到2030年将CO2排放量从2013年的水平降低21.9%,并将能源自给率从2012年的6.3%提高到24.3%。
在2018年7月批准的《第5次基本能源计划》中,核电被定义为“有助于长期能源供应和需求结构稳定的重要基本负荷电源”,并指出将采取必要措施,实现核电在2030年能源结构中占20-22%的份额。
后福岛时代:
更安全简单的核能2011年3月福岛核事故后,日本政府对核电的态度发生了转变。
民主党曾于2012年9月推出《创新能源与环境战略》,建议到2040年逐步淘汰核电。
但不久后该战略遭到废除。
2013年,随着亲核的自民党上台,日本开始加速重启核电。
尽管日本政府开始重启核电,但在技术路线上采取了更加安全的小型模块化反应堆(SMR),其在设备中引入被动停止原理,同时可以在工厂制造,模块化运输和安装,实现了成本更低、安全性更高、操作更简单。
根据《战略》,日本计划在2030年前成为SMR全球主要供应商,2050年业务拓展到全球主要市场地区。
3.1.3、氢/氨:
锂资源约束下的优先选择方向氨燃料:
向氢能过渡的脱碳燃料氨燃烧不会产生CO2,在向氢社会过渡的时期,其与煤炭的混烧是主要的脱碳燃料。
《战略》认为,日本应当尽早掌握氨与煤炭混燃技术,并加以国际化推广,形成产业链,占据国际氨市场主导地位。
ü扩大规模:
针对燃料氨,在2050年创造1.7万亿日元的市场规模,目标是建立一个日本可控的全球1亿吨的采购供应链。
ü降低成本:
2018年,日本氨发电成本约为23.5日元/千瓦时,如果与煤炭混合发电,预计发电成本约为12.9日元/千瓦时;2030年,氨燃料作为混合燃料在火力发电的使用率达到20%,成本为10日元/Nm3。
ü国际推广:
如果混合烧技术能在东南亚10%的煤炭火电中应用,《战略》预计将会有5000亿日元的投资规模。
根据JERA发电厂公布的2050零碳路线图,将于2030年代中期达到20%的氨混烧率,到2040年代转向使用100%的氨燃料发电。
氢能根据《战略》规划,氢能将在发电、炼铁、化工、燃料电池等多个领域得到推广应用。
ü扩大规模:
根据《战略》预计,2050年全球氢能涡轮机发电装机容量3亿千瓦,氢能卡车累计1500万辆,零排放钢铁5亿吨/年。
对应的,清洁氢供应量在2030年达到300万吨,2050年达到2000万吨。
ü降低成本:
2020年,获取成本170日元/Nm3,纯氢发电成本97.3日元/kWh,10%的氢和90%再气化LNG混合发电成本为20.9日元/kWh;2030年获取成本降至30日元/Nm3,2050年获取成本降至20日元/Nm3。
ü国际推广:
日本政府同样重视氢能发展过程中的技术与设备优势。
根据Hemade咨询,日本的氢能潜力较低,但应用潜力高,未来很可能经由澳大利亚、拉丁美洲和中东进口氢能。
因此,《战略》强调了日本在涡轮机、液化输氢船、大型电解装机方面的优势,致力于向可再生能源丰富的世界地区出口设备。
1)氢能的获取:
打造国内+国际低成本供应链国内低成本供应福岛光伏制氢项目2018年8月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)、东芝能源系统、东北电力及岩谷产业合作在福岛县开始试点建设可再生能源制氢示范项目——福岛氢能源研究基地项目。
作为日本政府经济产业省下面的独立行政法人机构,NEDO负责技术研究,东芝公司负责制氢设备的研制,东北电力公司负责太阳能发电与大数据管理,岩谷产业公司负责生产与氢能输送。
项目配备20MW的光伏发电系统以及10MW的电解槽装置,每小时可产生高达1200标方的氢气(额定功率运行)。
项目占地220,000平米,其中光伏电场占地18万平米,研发以及制氢设施占地4万平米。
国际能源供应链世界上第一个“褐煤氢示范项目”已经开始对澳大利亚存在的大量廉价褐煤(低质量煤)进行氢化,然后将其出口到日本。
日本壳牌技术研究协会“CO2无氢供应链推进机”(HySTRA)参与了该项目。
此外,在日本和文莱之间,已开始建立一个供应链项目,该供应链可将在文莱获得的氢气在常温常压下转化为液态有机氢化物,然后通过海上运输。
千代田公司、三菱公司、三井物产株式会社和日本邮船株式会社已经建立了下一代氢能链技术研究协会(AHEAD),以促进这一计划的实施。
2)氢能利用:
关注燃料电池汽车与分布式能源氢能发电方面,日本的目标是使氢能发电以及相关国际氢供应链技术商业化,并在2030年左右将单位氢能发电成本降至17日元/kWh,达到与LNG发电相同水平。
氢燃料汽车方面,日本计划到2030年推广80万辆FC(燃料电池汽车
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