2035年日本报告：太阳能、风能和储能成本的下降将加速日本清洁和独立的电力未来

太阳能、风能和电池成本的下降可以加速日本干净和独立的电力未来 作者 Kenji Shiraishi1,2, Won Young Park1, Nikit Abhyankar1,2Umed Paliwal1,2, Nina Khanna1, Toru Morotomi3, Jiang Lin1,2*和Amol Phadke1,2*1劳伦斯伯克利国家实验室2加利福尼亚⼤学伯克利分校京都⼤學3*通訊作者 LBNL-2001526 摘要 ⽇本⾯临着重⼤的能源安全⻛险，因为其电⼒部⻔⼏乎完全依赖进⼝燃料，清洁电⼒仅占总量的24%。本研究显⽰，由于太阳能、⻛电（尤其是近海⻛电）和电池技术成本持续下降，⽇本可以在2035年实现90%的清洁电⼒份额。 这也将导致电⼒成本降低6%，⼏乎消除对进⼝液化天然⽓和煤炭的依赖，并⼤幅减少电⼒部⻔排放。此外，研究发现，⽇本的电⽹在不需要新的天然⽓容量或煤炭发电的情况下仍将保持可靠。为了利⽤这些重⼤的经济、环境和能源安全益处，需要制定强有⼒的政策，如到2035年实现90%清洁电⼒⽬标及相应的可再⽣能源部署⽬标。 技术审查委员会 免责声明 尽管本⽂件被认为包含正确信息，但美国政府或其任何机构，加利福尼亚⼤学校董会或其雇员均不作任何明⽰或暗⽰的保证，也不对披露的任何信息、设备、产品或⼯艺的准确性、完整性或实⽤性承担任何法律责任，也不声明其使⽤不会侵犯他⼈的专有权利。本⽂件中对任何特定商业产品、⼯艺或服务的描述，⽆论以其商标、⽣产者或其他⽅式，均不⼀定构成或意味着美国政府或其任何机构，加利福尼亚⼤学校董会的认可、推荐或⻘睐。此处作者提出的观点和意⻅未必陈述或反映美国政府或其任何机构，加利福尼亚⼤学校董会的观点或意⻅。 以下是技术审查委员会的成员。该委员会就研究设计和评估提供了指导意⻅，但报告的内容和结论（包括任何错误和遗漏）由作者全权负责。 委员会成员的⾪属并不意味着这些组织以任何⽅式⽀持或认可本⼯作。 ⾼村裕 | 东京⼤学⼩宫⼭良⼀ | 东京⼤学永⽥哲朗 | 京都⼤学桜井啓⼀郎 | ⽇本国⽴⾼级⼯业科学技术研究所樱井圭⼀郎 | ⽇本国⽴⾼级⼯业科学技术研究所⿊崎美保 | 镰仓可持续发展研究所独⽴分析师 致谢 欧内斯特·奥兰多·劳伦斯伯克利国家实验室是⼀家机会均等的雇主。 本报告的资⾦⽀持由⽓候基⾦会提供。以下⼈员在制作本报告过程中提供了宝贵的技术⽀持、意⻅、审查和帮助:版权声明本⼿稿由美国劳伦斯伯克利国家实验室的作者根据与美国能源部签订的合同编号DE-AC02-05CH11231创作。美国政府保留，⽽出版商通过接受⽂章发表，承认美国政府保留出版或复制本⼿稿的发表形式的⾮排他性、付费、不可撤销、全球许可，或允许他⼈为美国政府⽬的发表或复制本⼿稿。 这份⼿稿是由劳伦斯伯克利国家实验室的作者在根据美国能源部合同号DE-AC02-05CH11231编写的。美国政府保留，并且通过接受发表此⽂章的出版商确认，美国政府保留对该⼿稿的发表形式以及允许其他⼈为美国政府⽬的发表或复制该⼿稿的⾮独家、付费、不可撤销的全球许可。 ⽓候整合的平⽥公⼦和渡边千咲 James Hyungkwan Kim来⾃劳伦斯伯克利国家实验室。Yoh Yasuda来⾃京都⼤学Anya Breitenbach来⾃Forge＆Foundry StrategicJin Kato来⾃⽇本⻛⼒发电协会Takeaki Masukawa和Kanzo Sugimoto来⾃⽇本光伏能源协会Annie Dore来⾃Beespring Designs ⽬录内容 执行摘要1 1介绍10 2 方法和数据总结13 132.1 政策⽅案152.2 建模⼯具与⽅法172.3 主要建模输⼊222.4 敏感性分析 3 主要发现24 243.1 ⽇本90%的清洁能源电⽹能可靠满⾜⼤规模的电⼒需求通过增加可再⽣能源和能源存储。 323.2 清洁能源部署可降低批发电价成本6% 363.3 90% 清洁能源部署可以减少化⽯燃料进⼝成本85%，加强⽇本的能源安全 3.4 可再⽣能源 403.5 清洁能源可以削减CO2排放量92%，提供 重要的环境利益 4个注意事项和未来工作42 5 结论和政策43洞察435.1 主要结论445.2 可能的未来⾏动 附录 A | 建模方法54 附录B | 建模输入56 附录C | 太阳能和⻛能概况 60 附录D | 碳价格敏感性 67 附录E | 区域结果 基准情景 附录F | 敏感性分析71 全球能源危机给⽇本⼈⺠和经济带来重⼤挑战。该国约90%的初级能源消费依赖于外国化⽯燃料进⼝。与此同时，技术进步和太阳能、⻛能以及电池储存成本的显著降低为⽇本提供了新的机会，使清洁电⼒发电成本更加合理，同时减少排放，更好地推动该国实现2050年碳中和⽬标。 脱碳最重要的策略是建⽴清洁能源来源，为电⽹提供电⼒，并⼤幅增加⽇本的电⼒供应⽽不使⽤化⽯燃料。这些清洁能源选项主要包括太阳能和⻛能等可再⽣能源（RE），以及少量由核电和天然⽓电⼚发电的电⼒。在这项分析中，任何不产⽣直接⼆氧化碳（CO2）排放的资源发电都被视为清洁能源，包括太阳能、⻛能、⽔⼒发电、⽣物质能源、地热能、氢能和核能源发电。 ⽇本的短期⽬标是到2030财年将59%的电⼒发电转变为清洁能源，⽽2019财年这些清洁能源供应的电⼒占⽐为24%。本研究探讨了在实现成本、可靠性和排放⽬标的同时，到2035年进⼀步削减⽤于发电的化⽯燃料的因素。 研究涉及三个重要问题： 最近⻛能、太阳能和储能成本下降对可再⽣资源开发速度和规模将产⽣什么影响？ 在固有不确定性因素（如电⼒需求增⻓、化⽯燃料价格、可再⽣能源和能源储存成本）的情况下，哪些清洁能源⽬标在技术上和经济上是可⾏的？ 如何实现向清洁能源的更快过渡，不仅可以带来环境和经济效益，还可以减少因依赖进⼝化⽯燃料⽽产⽣的安全⻛险？ 利⽤最先进的装机容量扩展和每⼩时调度模型，探讨⼀个核⼼的清洁能源政策场景（在本报告中称为 “清洁能源” 场景），研究⼈员考察了其对⽇本在2020年⾄2035年期间的潜在影响。该核⼼的清洁能源场景评估了从⽇本⾮化⽯电⼒发电2030年⽬标转变为2035年90%清洁发电体系的过渡情况。研究还对这⼀清洁能源场景进⾏了多种敏感性分析，包括⾼低可再⽣能源和储能成本； ⾼化⽯燃料价格（2022年⽔平）；⾼电⽓化⽔平；以及核发电机组寿命延⻓。 ⾼化⽯燃料价格（2022年⽔平）; ⾼电⽓化⽔平; 以及核发电机寿命延⻓。 清洁能源场景限制了清洁能源发电的年部署量，以超过⽇本政府2030年⾮化⽯能源占电⼒发电量59%的⽬标，并在2035年达到90%的占⽐。研究结果表明，这种清洁能源部署份额是可以实现的、可靠的和具有成本效益的。可再⽣能源发电的快速增⻓，与技术电⽓化的增⻓相结合，有望加速实现⽇本碳中和⽬标、应对⽓候变化的进展。 主要发现 表ES-1以⼀瞥⽅式展⽰了报告的发现，以下讨论将扩展这些发现。 需要强有力的政策，以在2035年前创建90%清洁电网 90%清洁电⽹（清洁能源⽅案）假设通过强有⼒的政策推动到2035年时90%的清洁电⼒。需要机构、市场和监管改⾰来促进⽇本快速转型为90%清洁能源部⻔。 日本的90%清洁电网在没有煤炭发电或新天然气电厂的情况下非常可靠 关于⽇本是否能够可靠运⾏⾼⽐例可变可再⽣能源（VRE）的电⼒系统存在⻓期争论。该研究发现，⼀个由加速太阳能和⻛能容量增加、新电池储能、新区域间输电基础设施组成的90%清洁能源电⽹可以与现有的以化⽯燃料为基础的发电能⼒相结合，可靠地满⾜⽇本的电⼒需求，同时保持规划储备和运⾏储备。增加116吉⽡时（29吉⽡，4⼩时）的电池储能和11.8吉⽡的新区域间输电线路，再加上现有的灵活发电⽅法（可调度⽔电、抽⽔蓄能和天然⽓），可以在低可再⽣能源发电和/或⾼需求时期成本有效地平衡运⾏90%清洁能源电⽹。 在清洁能源⽅案中，到2035年，主要来⾃太阳能光伏（PV）和⻛能的可再⽣能源占年度发电量的70%。核电和天然⽓发电分别占发电总量的20%和10%。所有在2019财年供电总量中占⽐32%的现有煤炭电⼚将在2035年前淘汰，不再建造新的化⽯燃料发电⼚。 和⻛能源共占2035年全年电⼒产量的70%。核电和天然⽓发电分别占20%和10%。所有现有的煤电⼚在2019财年产⽣了总电⼒供应的32%，将在2035年淘汰，并且不再新建燃煤发电⼚。 90%清洁电网的电力成本低于今天的成本 在清洁能源情景中，可再⽣能源与增强的储能和跨区域输电线路相结合，有可能替代现有燃煤和天然⽓发电⼚的⼤量发电量，同时保持电⽹可靠性并降低批发电⼒成本。在清洁能源情景中开发新的太阳能和⻛能发电⼚、电池储能和输电基础设施的增量成本⼩于运⾏今天典型化⽯燃料发电⼚所需的化⽯燃料、运⾏与维护(O&M)和固定成本（⻅ES2图表）。 这表明，在2020年⾄2035年期间，每年可再⽣能源发电装机容量平均增加10 GW，实际上将使平均批发电⼒成本⽐2020年⽔平降低6%。批发电⼒成本包括发电和储能成本，以及增量输电投资。如果考虑碳社会成本（SCC），清洁能源情景下的批发电⼒成本⽐2020年降低约36%，假设每吨⼆氧化碳12,980⽇元（118美元/吨⼆氧化碳）以2.5%的折现率来⾃最新研究（Rennert等⼈，2022年）。本研究中的所有情景均包括当前⽔平的全球变暖对策税，289⽇元/吨⼆氧化碳（2.6美元/吨⼆氧化碳），⽽不包括这⾥提出的SCC。 保留天然⽓发电⼚有助于在太阳能和⻛能发电中的季节性和跨⽇负载变化中实现平衡，减少⻓期储能和进⼀步可再⽣发电⼚的必要性。 85%减少化石燃料进口和90%清洁能源电网可以显著增强日本的能源安全 在清洁能源情景下，进⼝煤炭和天然⽓成本将减少85％，从2020年的3.9万亿⽇元降⾄2035年的0.59万亿⽇元。与清洁能源情景中使⽤的基础燃料成本相⽐，在⾼燃料成本敏感性情景下（设定为2022年的成本⽔平），随着时间的推移，进⼝煤炭和天然⽓成本将进⼀步降低。 90％的清洁能源电⽹不仅将导致电费降低。通过最⼤程度地利⽤国内可再⽣资源，将显着减少⽇本对进⼝化⽯燃料的重度依赖。反过来，这将增强⽇本的能源安全，使消费者和经济免受国际化⽯燃料价格的飙升影响。 扩大可再生能源以实现90%的清洁能源电网是可行的 根据90%的清洁能源情景，所有可再⽣能源的组合容量将从 2020 年的 90 吉⽡上升⾄ 2030 年的 188 吉⽡，2035 年的 254 吉⽡（图 ES1）。特别是，加速的⻛电和太阳能容量增⻓使得90%的清洁能源电⽹成为可能。 平均⽽⾔，每年需要新增10 GW的可再⽣能源（从2020年到2035年）。这种年度增⻓，类似于⽇本2015财年的单年可再⽣能源建设纪录为9.7 GW，具有挑战性但可⾏（⻅图ES3）。 太阳能的新增量在2020年代占主导地位，⽽海上⻛电持续的技术成本下降和较⾼的容量因⼦使其成为2030年代的主导增⻓领域。这种转向清洁能源将需要注意迅速消除制度、市场和监管障碍，以及快速推动电池储存和区域间输电线路的进展，以平衡VRE发电与负荷之间的关系。 图ES3. 各时期平均年可再⽣能源装机容量增加量，清洁能源情景 清洁能源可将电力部门二氧化碳排放削减92% 到2035年时，通过将90%的电⼒来⾃清洁能源，将显著减少⼆氧化碳（CO2）排放，从⽽产⽣重要的环境好处。到2035年，清洁能源场景可能将总电⼒部⻔的⼆氧化碳排放量与2020年⽔平相⽐削减92%。2035年减排3.45亿吨CO2排放量，相当于⽇本2019财年总CO2排放量的近30%。因此，发电排放强度从2020年的404千克（kg）-CO2/千⽡时（kWh）降⾄2035年的36千克-CO2/kWh，减少幅度⾼达91%。极低的排放强度⽀持其他部⻔更深层次的脱碳，如电⽓化交通、供暖等。 它还减少了对细颗粒物（PM2.5）、⼆氧化硫（SO2）、氮氧化物