日本氢能社会转型的技术预见: GTAP - E - Power 模型

ADBI工作文件系列 氢的技术预测 日本的社会转型： GTAP-E-POWER模型的探讨 MichaelC.Huang,YokoIwaki, 和刘明焕 No.1403 2023年7月 亚洲开发银行研究所 MichaelC.Huang是海洋政策研究所的高级研究员，佐川和平基金会和国家科学中心的客座研究员 GraduateInstituteforPolicyStudies(GRIPS).YokoIwakiisaResearchFellowatGRIPS 联盟。刘明焕是TIER新兴市场研究中心主任。 本文表达的观点是作者的观点，不一定 反映亚行、亚行、其董事会或政府的观点或政策 他们代表。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性 andacceptsnoresponsibilityforanyconsequencesoftheiruse.Terminologyusedmay 不一定与亚行官方条款一致。 讨论文件在定稿前需经过正式修订和更正并被视为出版。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续； Thenumberingofthepaperscontinuedwithoutinterruptedorchange.ADBI’sworkingpapersreflectinitialideasonatopicandarepostedonlinefordiscussion.Someworking论文可以发展成其他形式的出版物。 建议引用： Huang,M.C.,Y.Iwaki,andM.-H.Liou.2023.TechnologyForesightforHydrogenSociety 日本的转型：GTAP-E-Power模型的方法。ADBI工作文件1403。东京：亚洲开发银行研究所。可用:https://doi.org/10.56506/BYKL5188 有关本文的信息，请联系作者。 电邮：michael-huang@spf.or.jp 亚洲开发银行研究所 Kasumigaseki大楼，8楼 3-2-5Kasumigaseki,Chiyoda-ku 东京100-6008,日本 电话:Fax:URL: +81-3-3593-5500 +81-3-3593-5571 www.adbi.org 电子邮件：info@adbi.org ©2023亚洲开发银行研究所 Abstract 凭借其便携、可存储和零排放的特点，氢能被认为是下一代最有前途的替代能源之一。随着 开发氢技术应用，日本的试点实验已经证明 氢社会的可行性。然而，实证研究仍然很少，而且仅限于能效分析或成本效益分析，缺乏包容性讨论 以证据为基础的方法针对氢路线图的政策实施。该研究旨在对日本氢能社会的影响进行定量评估通过将GTAP-E-Power模型与技术预见参数 2025-2035来自SciREX政策情报援助系统-经济 模拟器(SPIAS-e)，用于调查产量、价格和碎片整理的变化能源部门的供应链，以及国内二氧化碳的排放 和外国公司。在过渡现有煤炭、天然气、 原油和其他可再生能源，包括太阳能和风能，模拟结果表明，CO2国内公司在运输和 发电服务部门可分别减少3.3%和2.3% 部门，由于能源效率的提高，总量相当于2660万吨。相比之下，运输设备和能源密集型部门的出口增长了分别为6.5%和5.6%。此外，福利分析的等价变异 日本的氢能社会增长了756.96亿美元，GDP增长了1.3%。 关键字:氢会，CO2排放,SPIAS-e,净零社会,GTAP-E-Power 果冻分类:C68、R11、O13、O14、Q47 Contents 1.简介1 1.1Developmentof氢气技术1 1.2日本的路线图for氢气社会2 1.3Rephrasingthe氢气Strategy下theGlobal趋势 of脱碳2 1.4Research问题and结构3 2.LITERATUREREVIEW4 2.1R&D措施for氢气社会路线图4 2.2适用部门for氢气社会5 2.3Integrated电源SystemintheCaseof挪威5 2.4The潜力of氢气社会for脱碳6 3.方法论8 3.1The捕获ofTechnical改进8 3.2GTAP-E-电源型号8 4.场景9 4.1Technical改进9 4.2氢气社会Policy休克10 5.模拟RESULTS11 5.1变更of输出and价格11 5.2ExternalTradesand供应链12 5.3碳Dioxide排放14 5.4变更in就业15 5.5福利AnalysisandGDP16 6.CONCLUSIONS17 6.1Policy影响17 6.2Research限制18 6.3未来前景18 REFERENCES19 1.INTRODUCTION 日本是一个碳氢化合物资源严重短缺的高度发达的国家，看到氢的使用有多种价值，包括能源安全、工业 竞争力和碳减排。2017年，日本是第一个采用氢框架及其基本氢战略(METI2020)。框架促进了一种以电力、交通、 住房、重工业和炼油。同时，作为燃料电池技术的领导者，特别是燃料电池汽车(FCV)，相关领域的制造公司正在 试图将这项技术出口到世界其他地方。主要问题是试验不同的氢源选择，以调整其工业和 利用氢能发展的社会的能源政策。 1.1氢能技术的发展 实现基本战略中的中长期目标，实现日本提出的“氢社会”，政府一贯 在2022财年分配了989亿日元(约6.93亿美元)的预算用于研究和与燃料电池和水电解槽技术相关的开发(研发)(METI 2021)。有效降低风险，并提供激励措施，鼓励私人企业走向这一新兴领域，公私共同投资研发和试点项目 对于创造协同效应至关重要(Arque-CastellsandSpulber2022)。核心问题是关于移动部门应用氢技术，如“电力到气体”， 这被设想为可再生能源间歇性刺激的解决方案国内氢气生产具有共同效益。 在市场应用中，氢能发电已经成熟，有几个 方法在下表中分类为不同的颜色（表1.1）。由于其由于可储存能源的特点，向氢社会的过渡可以称为对现有发电源的额外辅助投资。它也是 预计它将降低氢能发电成本，如果需求和 研发继续增加（Glenk和Reichelstein2022；Hodges等人2022）。 灰色氢蓝色氢 表1.1：按生成方法划分的氢类别 反映化石燃料，天然气和水蒸气产生H2和CO通过一个 2 “蒸汽重整”过程；大量的二氧化碳被排放到大气中。 反映化石燃料，天然气和蒸汽产生H2和CO；零排放， 2 包括捕获产生的二氧化碳和地质储存(CCS)。 绿色氢绿松石氢黄色氢气棕色氢白色氢 资料来源：作者。 通过将HO电解为H和O产生的源电产2生的22 可再生能源；零二氧化碳排放。 生产的碳氢化合物原料，如甲烷(CH)在天然气中，作为 4 氢原子的来源；高温反应堆可以使用绿色能源。 利用核电电解HO2生产H和O22 发电；二氧化碳零排放，但产生核废料。 通过气化产生，其中碳材料被加热成气体。类似于黑氢 在生产其他产品（例如炼钢）时作为副产品产生的H2；产量无法控制。 1.2日本的氢社会路线图 基本氢战略于2017年由经济部首次公布， 贸易和工业（METI）建立了雄心勃勃的氢路线图 到2030年在国内和国际上建立一个综合的氢供应链，包括从上游到下游的生产、运输、储存和消费 (METI2017)。增加可再生能源发电能力对 政府的净零计划。然而，由于可再生能源是间歇性的，它不能平衡电网的供需。此外， 可再生能源发电能力可能导致更频繁的削减(即减少可再生能源发电，以平衡能源供需或由于输电线路限制)未来可再生能源发电厂 operatorsforanoptimalenergymix(HuangandKim2021).Theambitionsweremostly 重申《巴黎协定》和《绿色协议》下的长期战略 迈向2050年碳中和以减少二氧化碳的增长战略（METI2021）大量排放。 此外，日本政府已经认识到需要新的或现代化的 关于氢和氨的规定，事实上，第六个基本能源计划(METI2021)明确了日本在国际上发挥主导作用的重要性 规则制定。尽管日本公司在推动创新方面发挥了先锋作用在氢技术领域，在政府的大量资助下，日本的 监管和规则制定活动相对有限。然而，下一阶段氢革命的成功取决于 awell-coordinatedandconsistentregulatoryframework.GivenJapan’sstatusasan 氢技术的早期采用者和未来纯氢气的主要进口国，氢社会的发展仍然需要大量的努力 实施和普及。 要解释向氢社会的过渡，只需分析 从工程角度来看，技术不足。有中试氢 配备氢能管道的城市，如北九州市(燃料电池 Bulletin2011)andintheHarumiareaofTokyoMetropolis(FuelCellsWorks2019);the 更广泛的部门方法将更有利于说明有希望的实现氢社会的图景。预计这项研究将带来从全面的方法中更多地了解氢气政策的影响关于技术改进、资本投资、氢供应链- 相关部门，以及过渡到氢社会 1.3全球趋势下的氢战略脱碳 自2022年以来，在乌克兰危机和全球能源危机中，日本重新措辞氢战略率先制定开创性的法规和支持 通过支持企业实现脱碳的氢社会系统 到2030年左右，在日本开发低碳氢和氨供应。根据实现氢能社会的政策框架(草案)(METI 2023)，支持包括高效的供应基础设施，如坦克和管道，提升国际竞争力和高效供应链。 此外，日本还将促进各地区的氢气生产和利用通过发展本地供应链和基础设施网络。 在发电领域，氢气和氨的使用备受期待 作为一种具有成本效益的能源，在确保能源稳定性的同时减少CO2排放从火力发电和促进需求和成本的扩大 到2030年，通过建立大规模供应链来减少。还将实施法规和支持，以加快氢气在 发电，如长期脱碳拍卖和2030年非化石燃料比率为44%或更高。 在移动领域，支持燃料电池汽车(FCV)和加氢站已经为乘用车提供了发展，但有必要将重点放在商用车辆，具有更大的氢需求潜力， FCV的优势更加明显。这包括扩大政策资源，包括税收措施，支持加氢站大规模建设。 对于铁路来说，国内氢气供应链的开发和示范通过使用燃料电池铁路车辆和低环境影响铁路交通将得到促进。 修订后的《节约能源法》为特定运输设定了目标运营商和托运人，包括非化石能源转换目标，如氢。未来的目标包括实施大约800,000个FCV，相当于乘用车，到2030年通过积累对 长途运输和氢供应链的建立。对于燃料电池铁路车辆和铁路运输，目的是实现社会实施到2030年，对于氢站，目标是通过 2020年代后期，考虑到监管放松带来的成本降低，以及 到2030年建立大约1,000个台站。总体而言，日本正在采取措施建立以氢为基础的社会，以期通过以下方式实现碳中和 2050.Inaddition,Japanaimstocollaboratewithlocalgovernmentsandcompaniesto 促进氢在各个部门和行业的使用，包括港口和 工厂。该国计划在该行业投资高达2万亿日元（180亿美元）下一个十年 1.4研究问题和结构 了解向氢气过渡的整体经济评估 在日本社会，这项研究将采用定量的方法来调查通过对氢的资本投资实施氢社会的影响- 与2025-2035年前瞻性技术相关的基础设施。研究收益如下：第2部分将提供氢学会的文献综述 趋势及其在实证研究中的差距；第三节将介绍技术改进参数和结构的校准 分析模型；第4节演示了情景和政策冲击的设置；第5节显示模拟结果及其解释；第6节 提出结束语，包括政策含义、研究局限性和未来的前景。 2.文献综述 2.1氢能协会路线图的研发措施 气候变化和全球市场的相互依存关系凸显 对新能源解决方案的需求。2020年，日本政府建立了到2050年通过实现净零来