Assessment of the decarbonization of Japan's electricity system : a multi-perspective analysis by 2050

Abstract

The decarbonization of Japan's electricity system is an essential component in achieving climate neutrality by 2050. This thesis evaluates the feasibility of a fully decarbonized electricity sector and is divided into three main parts. First, the potential and availability of renewable energy resources, as well as the role of hydrogen and nuclear power in the energy transition, were systematically assessed. Existing studies and datasets were critically analyzed and selectively updated where necessary. Nuclear power and hydrogen technologies were included in the analysis as part of the energy transition, while fossil fuel-based thermal power plants were excluded. Although Japan has limited remaining potential for hydropower expansion, it has substantial untapped potential in solar, geothermal, and particularly wind energy. Second, a cost projection for the levelized cost of electricity of various technologies in 2050 was conducted, based on data from the International Energy Agency and the International Renewable Energy Agency. This analysis provided insights into the economic implications of decarbonization. Hydrogen technologies remain the most expensive due to high hydrogen fuel costs, followed by offshore wind. In contrast, geothermal energy is found to be the most cost-efficient option. Using these findings, along with electricity generation and demand data from the Renewable Energy Institute, a computational model was developed to simulate six scenarios, each emphasizing distinct technological pathways. These scenarios consider the role of storage technologies, such as batteries and hydrogen, in stabilizing the electricity system. The scenarios were evaluated based on technical, economic, and energy security criteria. The results indicate that each scenario presents distinct strengths and weaknesses, highlighting that reliance on a single technological pathway is inefficient for achieving a fully decarbonized electricity system. The thesis concludes with a proposed decarbonization strategy.The thesis derives four key conclusions: battery storage has a limited impact on required generation capacities but significantly influences overall hydrogen demand; a complete phase-out of fossil fuels is technically feasible; an additional nuclear phase-out, while technically possible, is implausible, reinforcing the government's plan to maintain nuclear power; and despite efforts to expand domestic hydrogen production, Japan will remain highly dependent on hydrogen imports. This highlights the critical role of hydrogen in Japan's decarbonization strategy and the necessity of securing stable international hydrogen supply chains.

Die Dekarbonisierung des japanischen Stromsystems ist ein zentraler Bestandteil zur Erreichung der Klimaneutralität bis 2050. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit eines vollständig dekarbonisierten Stromsektors und ist in drei Hauptteile gegliedert. Zunächst wurde das Potenzial und die Verfügbarkeit erneuerbarer Energieressourcen sowie die Rolle von Wasserstoff und Kernenergie in der Energiewende systematisch analysiert. Bestehende Studien und Datensätze wurden kritisch geprüft und gegebenenfalls aktualisiert. Kernkraft und Wasserstofftechnologien wurden als Bestandteil der Energiewende in die Untersuchung einbezogen, während fossil befeuerte thermische Kraftwerke ausgeschlossen wurden. Japan hat nur noch begrenztes zusätzliches Potenzial für Wasserkraft, verfügt jedoch über erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Solar-, Geothermie- und insbesondere der Windenergie. Im zweiten Teil wurde eine Kostenprojektion für die Stromgestehungskosten verschiedener Technologien im Jahr 2050 durchgeführt, basierend auf Daten der Internationalen Energieagentur und der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien. Diese Analyse ermöglicht eine Bewertung der wirtschaftlichen Auswirkungen der Dekarbonisierung. Aufgrund hoher Brennstoffkosten bleiben Wasserstofftechnologien die teuerste Option, gefolgt von Offshore-Windenergie. Im Gegensatz dazu erweist sich Geothermie als die kosteneffizienteste Technologie. Auf Basis dieser Erkenntnisse sowie zusätzlicher Daten zur Stromerzeugung und -nachfrage des Renewable Energy Institute wurde ein Modell in MATLAB entwickelt, um sechs Szenarien zu simulieren, die jeweils unterschiedliche technologische Pfade in den Fokus stellen. Diese Szenarien berücksichtigen die Rolle von Speichertechnologien, wie Batterien und Wasserstoff, bei der Stabilisierung des Stromsystems. Die Bewertung der Szenarien erfolgte anhand technischer, wirtschaftlicher und energiewirtschaftlicher Kriterien. Die Ergebnisse zeigen, dass jedes Szenario spezifische Stärken und Schwächen aufweist, wodurch deutlich wird, dass die ausschließliche Fokussierung auf eine einzige technologische Lösung nicht optimal ist, um ein vollständig dekarbonisiertes Stromsystem zu erreichen. Die Arbeit schließt mit einem vorgeschlagenen Dekarbonisierungspfad. Aus der Analyse lassen sich vier zentrale Schlussfolgerungen ableiten: Erstens hat Batteriespeicherung nur einen begrenzten Einfluss auf die erforderlichen Erzeugungskapazitäten, beeinflusst jedoch den Gesamtbedarf an Wasserstoff erheblich. Zweitens ist ein vollständiger Ausstieg aus fossilen Energieträgern technisch umsetzbar. Drittens ist ein zusätzlicher Ausstieg aus der Kernenergie zwar technisch möglich, jedoch unwahrscheinlich, was die Regierungspläne zur Aufrechterhaltung der Kernkraft weiter untermauert. Viertens wird Japan trotz Bemühungen zur Ausweitung der heimischen Wasserstoffproduktion stark von Wasserstoffimporten abhängig bleiben. Dies unterstreicht die entscheidende Rolle von Wasserstoff in Japans Dekarbonisierungsstrategie sowie die Notwendigkeit, stabile internationale Wasserstofflieferketten zu sichern.