客观日本

可再生能源

2011年09月12日 科技交流

前言

地球上的能源资源是有限的。为了不让地球上有限的资源枯竭,对资源进行有效的利用是实现社会可持续发展不可或缺的前提条件。近年来,伴随着经济的高度增长,中国的能源消费量剧增,已经成为世界第二大石油消费国,进而能源资源的开发成为中国经济发展的重要因素。日本也面临同样的困境,其能源资源大部分依赖进口,如何提高能源自给率是多年来的遗留难题。原油价格攀升及全球气候变暖问题勿须多说,可再生能源的推广使用以及清洁能源的开发已成为本世纪挑战人类的最大的课题之一。

可再生能源包括太阳能发电、风力发电等自然能源,生物发电、氢燃料制造等可循环利用能源以及清洁燃料电池等传统能源的新利用形态等。今年1月份,经75个国家签署,成立了旨在促进及推广使用太阳能及风能等可再生能源的国际可再生能源机构(IRENA)。“IRENA建议并帮助发达国家和发展中国家实现可再生能源的早期导入(引进),且IRENA希望能在此领域发挥与IAEA(国际原子能机构)及IEA(国际能源机构)同等的作用。”,欧洲太阳能协会的赫尔曼•舍尔(Hermann.Scheer)会长在此次会议上如是说。由此可预测得到,从今往后,为应对全球气候变暖及化石燃料的枯竭,与可再生能源相关的技术转移、资金筹集及信息交换活动将更加活跃。

在此形势下,本月(第30期)的中国科学技术月报有幸在此请到中国及日本的资源能源研究专家、特别从事可再生能源的利用和清洁能源开发的专业人士向大家介绍中日两国在能源问题上合作的最新进展。本特辑中,除了总结概括两国的可再生能源的利用情况,还集中阐述了中国的太阳能发电与风力发电研究、日本的生物能源开发状况及两国的下一代燃料电池等传统能源的新利用形态等的研究、以及中日太阳能发电产业的实际状况等各种内容。

本特辑衷心地希望成为中日两国在能源资源研究交流上的进一步发展的契机,加深各位读者对可再生能源开发及利用紧急性的理解!

中国综合研究中心 

日本可再生能源的动向

 1.谋求低碳社会得以实现的世界潮流

21世纪带动日本发展的引擎在于争取早日构筑出低碳型的经济模型,而用科学性和分析性理论武装起来的国际舆论必将强有力地把低碳社会的实现引向成功。此舆论之前只在美国产生影响,当奥巴马政权诞生以后便开始向中国及印度等国扩散,加速了低碳社会的早日实现。

针对京都议定书的中期目标争辩声四起,目前的现状是各国在普遍尊重全球利益的同时,各自根据自己的国情加大力量实施有利于自己国家利益的战略。在考虑区域能源计划时,特别是因为自然能源的导入目标作为国家战略受到区域特性极大左右,对于日本来讲,需要以节约能源和原子能作为全国的基石,在此基础上坚持一贯战略让最适新能源取得良好平衡并同各国开展有耐心的谈判。

 2.政治决策:“新能源模型国家——日本”

我国在国际上提倡“Cool Earth50”,即旨在时至2050年使全球二氧化碳的排放总量削减为现在的一半。为达成这一目标,重要的是主张以下3大原则:①主要排放国全部参加,超越京都议定书,达到全球范围内削减排放的目的;②制定适合于各国不同国情的灵活多样的框架;③活用节约能源和新能源技术,在保护环境的同时发展经济。

那么,地球环境问题的理念是什么?我的理解是“均衡性”。而对联合国政府间气候变化委员会(IPCC)来说,是“Development, Equity, Sustainability (DES)”的问题。也就是说,地球环境问题碰上了以下这一难题,即人类全体在实现可持续开发和发展的同时为了维持均衡性必须解决怎样的课题以及如何解决。同时联合国的192个成员国将如何手拉手、肩并肩地对待环境问题也备受关注。

对于建立低碳型能源体系,当初我国全力推行节约能源政策,应对方法是扩大原子能在供给源中所在的份额,这是站在我国作为工业国的特性和国民经济上的偏好的角度上考虑的。但是,现状是正在新建的原子反应堆只有3座,在包括可再生能源在内的低碳社会所需的供给源方面,亟需制定能源选择和技术开发的综合性战略。

当下正是在能源政策上明确定位,特别是太阳能发电等新能源的重大决策时期,去年6月9日发表的福田首相计划中提到针对新能源已经形成政治决策,我坚信麻生政权会沿用这一决策的。以环境模范城市的选定为开端,今后通过新的技术革新强有力地推进节约能源和新能源的一体化政策,不仅能够大幅度减少CO2的单位排放量,还可以为世界经济做出巨大贡献。就算是说由此诞生了新的绿色公共事业也不为过。

福田首相计划提出的新能源国家经首相决策后,在新能源部委会议中作为中间总结被以紧急倡议的形式发表了。以下是这一发表内容的概要,此外亦触及区域、城市能源计划。

 新能源部委会议紧急倡议

日本国土面积狭小、资源匮乏,应该发挥高科技和制造业方面的优势,引进并推广新能源。并且在构筑太阳能社会的过程中充当世界的先锋,努力使新能源在日常生活中得到普遍使用、建立起新能源生活,而脱胎换骨成为新能源模范国家是构筑低碳社会的强有力手段。由日本将这些新能源技术及新能源生活等新能源文明向全世界提倡、做出国际贡献,可以保持日本的产业竞争力,在产业政策上也具有重要意义。

为了实现低碳社会,稳扎稳打地推进节约能源的同时,也寄希望于核能和新能源的引进和推广,但日本国土狭小,在引进新能源时受到各种各样的限制。例如风能和生物能源,这些是北欧和北美新能源的主力,但日本的风力条件及国土面积都限制了这些能源适用的地域范围。

因此,今后日本亦应该继续最大限度地致力于水能、地热能、风能、生物能源等的发电及热利用,而太阳能电池、蓄电池、燃料电池等是我国的强项,发挥这些领域从材料开发到产品开发的一系列高端技术及制造技术上的优势,以达到引进并推广新能源的目的。在这里,发挥太阳能电池、蓄电池、燃料电池等高端技术上的优势,以求充当世界的先锋,争取实现太阳能社会,达成构筑氢能社会的目标将指日可待。

如题为实现“低碳社会——日本”的于6月9日发表的福田首相计划所指出的那样,太阳能发电的目标是,2020年争取达到现容量的10倍左右、2030年则为40倍左右。这相当于,2020年新建房屋的7成左右,2030年新建4房住宅的8成左右、全部工业用房及公共设施的8成左右都将配备太阳能发电。

“节约能源”逐渐深入民心,但“新能源”还未得到大众的普遍认可。节能生活可以帮助人们节约燃料费用等,有利于个人自身利益,而新能源则存在成本高昂的门槛,不容忽视。为了让新能源生活落地生根,一方面必须要改变国民意识,使大家认识到为了未来的地球即使现在成本上投入较多也是值得的,另一方面还必须要联合产业界•学术界•政府三方,共同致力于技术开发及市场推广等,以降低新能源利用的成本。

经过以上的种种努力,日本将转变为新能源模范国家。而且,向全世界宣扬和提倡这些新能源技术和新能源生活等新能源文明对我国的国际贡献和保持国际竞争力两方面都起重要作用。

关于国际贡献,比如说,以太阳能发电为首的新能源,其作为分散型能源可以为许多外国的未通电村的能源改善做出贡献。另外,随着将来这些国家电气化发展的进程以及生活质量的改善,电力消费将会增加,很有可能同样会面临气候变化的问题,为防患于未然,通过采用新能源实现电气化将是抑制温室效应气体的排放量的良策。

更进一步地说,新能源相关产业有助于解决围绕着能源和环境的诸多课题,对从原材料产业到加工组装产业的产业整体也会产生巨大的波及效应,假以时日相信在国际上也会取得高速发展。因此,集结产业界•学术界•政府的力量,把该产业培养成具有竞争力的日本的支柱产业显得尤其重要。

另外,对于电力、燃气、石油等能源产业来说,有必要在保持能源的稳定供给的同时,沿用至今为止培育成熟的技术和网络等,最大限度地推进新能源的引进,使能源供给结构朝着低碳型方向转变。为此,针对新能源,设定具有挑战性的高导入目标,并采用合适的手段方法达成这一目标尤其重要。诚然,这意味着日本拉开了新能源模范国家的序幕,开启了新的时代!

 3.面向能源供给结构升级的新法律草案和石油工厂的定位

日本作出建设新能源国家的政治决策后,现在正在讨论审查新的能源法律草案。新法的包容性很强,目的在于争取早日实现低碳社会、实现由化石燃料等向非化石燃料的转变,甚至包括了化石燃料的深度利用的内容。太阳能电池、燃料电池和高性能蓄电池等新能源技术无疑是要点所在,而在谈及化石燃料的深度利用时,石油工厂受到极大关注。

本人在过去近10年的时间里,一直致力于石油冶炼中作为最大课题之一的残渣问题的研究,可以预测得到,今后这一问题将会更加深化,对它的研究也会加速。因此,希望能多些考虑关于石油的长期性课题的本质和解决方向,直截了当地说,其实就是与石油相关的需求源的变化和供给源的变化所引起的空缺扩大。

需求源的变化是指白油化•轻质化,其中汽油和粗汽油增加,而重油则大幅减少。不过,从绝对数量的角度考虑的话,随着一直只限于石油的机动车燃料的多样化,生物燃料、清洁型柴油、电能、氢能等替代燃料今后将会增加,而且,由于机动车燃油费的进一步改善,对汽油的需求可能会下降。

供给源的变化是指重质化、非传统型石油资源的增加。峰值石油的观点谈的并非是即将枯竭的“量”的问题,而是基于经济效益的“质”的问题。便于使用的轻质油,即所谓的“Easy Oil”首先得到利用,而从现在开始经济效益较低的重质的原油将会增加。

根据这些背景,在低碳社会的石油工厂中,残渣将会全部被气体化,成为冶炼用氢和IGCC,IGFC的燃料,对于国家来说,必须建造无残留型炼油厂。更进一步地说,从今往后,以生物能源为首,其将会作为煤炭等固体燃料的多功能能源转换据点进行充分利用,并将至今为止的石油工厂改造成清洁型冶炼工厂作为我国的基础能源的基础设施。正处于讨论审查阶段的新能源法律草案对这一概念作了明确规定。

 4.低碳能源系统的规划设计

日本有义务基于至今为止的历史背景,明确提出富有节能性、自律性、环境性的能源供求结构的规划设计。地球环境问题是国际政治课题,应谋求同能源的一体化解决途径,对于技术立国的日本来说,这是绝佳的时机。特别是,对于京都议定书框架,若世界各国没有共同明确的中长期计划和新的技术开发,将不会取得很大的进展。

本人坚信,从科学验证看来,在电力方面,核能、煤炭和天然气是能源的根基,在此庞大的基础设施的基础上,燃料电池、热泵等富有节能性的先锋性机器群和高度独立性的区域共生型新能源将会以适当的规模集群。

例如,进行面向低碳社会的城市能源系统的规划设计时,需要将城市范围内的商业设施等作为优质的基础设施据点,通过引进能源管理系统,建成新节约能源的分布网络。今后,当太阳能发电及燃料电池等分散型电源被大量引进住宅内及建筑物的屋顶时,这些管理系统将会和引进需求地点的分散型发电系统及电力系统内形成的智能网格及微型网格成为一体,并成为发展削减CO2先进系统的基础,是实现低碳社会不可或缺的因素之一。特别是,对于住宅领域,在不久的将来,太阳能电池及燃料电池或者插入式混合燃料汽车及电动汽车等将会被配套导入住宅,系统化之后,包括运输能源在内,零能源房屋将不再是梦想。另外,注重燃料电池的氢能社会的到来随着电力化程度的提高也是指日可待。

下面我将会尝试给出将运输能源置于考虑范围之内的城市及区域能源的最佳解决方案:当发电效率在45%以上的分散型电源被导入城市、做到排热物尽其用毫无浪费时,PHV和EV的导入将会使对城市的能源投入降到最小。这就实际证明了整体最优化理论上的合理性。因此,社区内电力的全面贯通以及蓄电池的选择性蓄电等与搭载在车厢上的蓄电池的双向充放电系统将成为技术上的关键。

将来在需求地上智能型的各种分散型系统群将会在大规模送电系统的一端形成环状的网络,以达到和系统和谐相处的目的,而且在充分利用现有的空间基础设施的同时,构筑不限于电力、能一并供给热及物质(例如,氢)的综合型基础设施结构,这不仅可以达到真正节约能源的目的,也是最大限度地融入可再生能源的低碳社会的规划设计的本意所在。以爱知世博会为开端,日本已经通过微型网格的形式率先向世人描绘了2030年低碳社会的蓝图。

另外,热能源的合理供给结构也不容忽视。高效率热泵、太阳能及太阳能冷却、脏水、废弃物等尚未得到利用的能源的民用化程度的提高也需要整体最适合于城市能源的新的基础设施的支持。

在这里,我想强调的是,作为城市能源整体最优化的一环,在全国147个地方开展了区域冷暖气系统的电源布局制度化等针对城市整体的最优化的规划设计,这拉开了包括基础设施在内、新概念不可或缺的时代的序幕。

 5.低碳型产业城市的结构和新的基础设施的完善

把目光转向产业部门时,可以发现,低碳型产业能源系统需要可以使化石燃料向非化石燃料转换、更进一步地可以实现对化石燃料的充分利用的产业基础。太阳能电池、燃料电池和高性能蓄电池等新能源技术现在在产业政策上受到极大的关注,而针对化石燃料的充分利用的革新技术也很重要,作为工业国家,产民复合型区域能源计划也应受到关注。例如,当考虑到低碳社会的石油工厂的未来时,应将残渣全部气体化,使其成为冶炼用氢和IGCC,IGFC的燃料供给据点。因此,作为国家政策,必须建造无残留型炼油厂,并且从现在开始,以生物能源为首,将其作为煤炭等固体燃料的多功能能源转换据点进行充分利用。到目前为止的石油工厂作为清洁型冶炼工厂,作为我国基础能源基础设施,也有可能成为产民复合型区域能源的据点。

另外,作为低碳型能源来源多样化的一环,非粮食生物燃料的优势不容忽视。生物能源利用的燃料化、气体化,可以促进原产地消费,并在搞活地方、充实国土的同时,实现农林渔等第一产业的结构改造,值得期待。可以说,生物能源利用设施应被定位成低碳社会新的区域能源基础设施,迎来了包括法律完善在内的全新的局面。更进一步地说,在沿海地区,考虑到200海里的专属经济区水域时,我国排名世界第六,利用这一优势,创造性地制定通过海洋生物把工业排放废气中的CO₂作为资源进行回收的新产业计划也是极其重要的。

最后,日本作为工业国家,有义务向世人展示低碳型产业结构的模型。早前,有幸参加了周南联合基地。作为日本产业的基础、以重化学为主的世界上屈指可数的生产据点,联合基地内的企业群仅电力需求一项就达到140万kW以上,主要供给来源于煤炭火电,但面向低碳型产业结构的改造之风愈吹愈猛,人们不得不通过混烧木材生物资源等尝试做最大限度的努力,陷入深思之中。

今后,若日本希望率先向世界展示低碳产业结构的模型,就至少应该有制定政策在联合基地内布局工业用核能发电程度的决心。

 柏木  孝夫

东京工业大学综合研究院 教授

 简历

国立大学法人 东京工业大学 综合研究院 教授

1946年12月 生于东京。1970年东京工业大学工程学院毕业,1979年获得博士学位。1980~1981年任美国商务部NBS聘请研究员。

1988年任东京农工大学教授,2007年开始任东京工业大学综合研究院教授,研究院理工学研究科教授,经济产业省的综合资源能源调查协会新能源部部长,经济产业省,内阁府的燃料电池评价提议会主席,各种审议会委员。是日本机械学会伙伴会员,日本能源学会会长等,著作包括《2050年的挑战》,《地球的礼物》《能源系统的法则》《微能革命》(获得2002年3月能源论坛的优秀奖)且,2003年2月获得日本能源学会颁发的学会奖(学术部门),2004年5月作为《在火中冰镇的半世纪》的主编获得由日本冷冻空调学会颁发的学术奖,2008年4月获得文部科学大臣表彰科学技术奖(研究部门)。专业领域有能源环境体系,能源系统解析,冷冻空气调和。

专题网页