世界能源轉型趨勢與主要國家轉型實踐

發布時間: 2020-10-29 10:27:22   來源:石油科技論壇雜志  作者:

摘 要:全球能源轉型主要趨勢包括能源效率的全面提升、現有能源利用系統的變革、可再生能源的大規模開發利用。各國由于資源稟賦、能源戰略、技術水平等差異,走上了不同的轉型道路。美國在追求能源獨立的前提下,以天然氣和可再生能源作為過渡能源,推動能源結構清潔化;德國大力削減化石能源消費,廢棄核電,率先推進可再生能源規模化應用,在歐洲能源轉型中具有代表性;日本立足國情,將技術優勢作為能源轉型的戰略手段;中東國家出于能源政治、經濟轉型的考慮,也加入全球能源轉型發展隊伍,開始推進可再生能源應用;中國以控制能源總量消費、加大非化石能源供應、推進節能減排為主要舉措,為世界能源轉型做出了突出貢獻。各國能源轉型實踐的經驗和啟示包括:能源轉型是一項長期的艱巨任務,中國需立足國情并走好通往低碳未來的過渡階段;規模經濟是新興能源技術走向產業化的重要推力;交通是各國能源轉型的重點和難點領域;能源轉型需要在開放的國際合作視野下進行創新。

  高 慧  楊 艷  劉雨虹

  劉 嘉  劉月洋  吳謀遠

  中國石油集團經濟技術研究院

 

  關鍵詞:能源轉型;能源政策;能源效率;可再生能源

1 世界能源轉型趨勢

  21世紀以來,為應對全球能源需求增長、油價波動和日益嚴峻的氣候環境問題,許多國家開展了能源生產和消費的轉型發展實踐。縱觀各國能源戰略和具體措施,全球能源轉型大致包括如下3方面主要路徑。

  第一,能源效率全面提升。20世紀70年代,能效開始作為“隱藏的能源”得到普遍關注并逐漸影響各國能源政策制定。全球能耗強度(單位國內生產總值能耗)持續下降,1970—2010年間,平均每年下降1.3%,2010年以來,平均每年下降2.1%,其中中國能耗強度降速最快、降幅最大(圖1)。國際能源署(IEA)提出“能效不僅是隱性的能源,更是第一能源”,其最早的11個成員國提升能效的投資已帶來顯著的節能效益。2010年,這11個成員國的節能量超過任何一種能源的消費量,與石油和天然氣的消費量總和相當。

  第二,現有能源利用系統變革,電力、氫能等二次能源消費規模不斷擴大。電力在終端能源消耗中所占的比例已從2000年的16%,增長到2018年的20%。國際可再生能源署(IRENA)認為,全球電力需求量將持續高速增長,2050年,電力在終端能源消費中所占比例將提高到49%左右。國際能源署認為,全球電力需求的增長在發達國家和發展中國家將表現出兩條截然不同的路徑:在發達國家,電力需求增長將被數字化和電氣化技術進步帶來的能效全面提升所抵消;在發展中國家,家庭收入的增長、工業規模的擴大和服務業的發展正在有力地推動電力需求增長,按照既定政策,預計2019—2040年,發展中國家對全球電力需求增長的貢獻接近90%(圖2)。

  在20世紀70年代以來幾次短暫的“氫能熱”之后,近年全球能源清潔低碳化趨勢和氫能技術進步共同推動氫能產業步入商業化發展早期。世界各國的支持政策和氫能利用項目數量迅速增加。截至2019年底,全球已建成432 座加氫站,另有226座計劃建設。國際氫能委員會(Hydrogen Council)認為:全球將從2030年開始大規模利用氫能,2040年氫能將承擔全球終端能源消費量的18%,2050年氫能利用可以貢獻全球二氧化碳減排量的20% ;2020—2030年,氫的高壓氣態、液態及管道運輸成本將分別下降60%、59%、63%,氫在合成氨、燃氣輪機發電、大客車、重型卡車的應用成本將分別下降45%、35%、45%、50%。

  第三,可再生能源大規模開發利用。風力發電和太陽能光伏發電成為全球成本下降最快、平均成本最低的可再生能源發電方式。2018年,除海上風電以外,全球各地多種可再生能源發電技術的成本開始具備較強的成本競爭力(圖3)。在許多國家和地區,可再生能源已開始了對化石能源發電的存量替代。中國是世界上可再生能源利用規模最大、平均成本最低的國家,從2014年開始,每年的風電和太陽能發電量均超過全社會新增用電量。

2 主要國家能源轉型實踐

  在能源轉型的漫長過程中,各國由于資源稟賦、能源戰略、技術水平、環境承載力等基礎條件的不同,走上了不盡相同的實踐道路。

  2.1 美國

  自1973年第一次石油危機開始,美國歷屆政府將“能源獨立”作為能源政策的核心思想,通過擴大能源供給、以市場調節能源需求、適度開發新能源、支持先進能源技術研發等手段,探索能源獨立的道路。2007年,美國能源部成立了先進能源研究計劃署(The Advanced Research Projects Agency-Energy,ARPA-E),2009年以來資助了數百個研究項目,研究領域涉及太陽能、風能、生物燃料、儲能技術、靈活輸電技術、碳捕集技術、建筑節能技術等,其中多項技術已取得重大進展并走向商業化應用,為世界能源技術進步做出了突出貢獻。奧巴馬就任總統后簽署的《2009年美國清潔能源與安全法》,首次系統提出清潔能源和節能減排發展目標,初步確立了美國能源轉型的目標體系,此后部分目標不斷調整,聯邦政府和各州政府出臺了多項支持性政策。

  與歐洲的高比例可再生能源、激進的碳減排目標政策不同,美國能源轉型是在實現“能源獨立”的前提下推動能源系統清潔化,以增加清潔能源(包括核電、可再生能源、天然氣和潔凈煤等)應用比例為主要手段。2000年,美國和德國化石能源占一次能源消費總量的比例分別是85%和88. 6%,從這一角度來看兩國能源轉型起點相似;2018年,美國和德國可再生能源在一次能源消費量中所占比例分別為11.4%和16.6%,德國略勝一籌。縱觀1973年以來美國的能源生產、消費和進出口情況,自2005年起,美國可再生能源和核電產量快速增長,清潔能源消費比例加速上升;2010以來,一次能源產量快速增長,并在2019年實現了“能源獨立”(圖4)。

  2.2 德國

  歐洲發達國家一直走在能源轉型和應對氣候變化的前列,對可再生能源發展前景最為看好,采取了有力推進措施并且取得顯著成效。德國是歐洲能源轉型的代表性國家。

  德國能源資源稟賦不佳,除了煤炭儲量相對豐富外,石油和天然氣高度依賴進口。德國能源轉型實踐始于21世紀初,確立了“能源安全、經濟效率和環境可承受”的能源政策三大目標,核心思想是可持續發展。2000年,德國出臺《可再生能源法》,確定了可再生能源發展的多項激勵措施,并分別在2004年、2009年、2012年、2014年針對實際情況做出修訂和調整。2014年底,德國頒布《國家能效行動計劃》,對能源消費總量、建筑能效和交通能效等提出行動目標。考察2020年之前所完成的半數轉型目標,與其他國家相比,德國是能源轉型的“優等生”(圖5)。

  德國的能源轉型舉措主要包括減少能源消費和提高能效、棄用核能、擴大可再生能源利用3個方面。整體而言,德國在減少能源消費、提高能效方面的政策目標完成情況不理想。2018年,德國一次能源消費總量僅比2008年減少了10.3%,難以實現2020年比2008年減少20%的目標。由于德國建筑能耗占全國能源消費量的25%左右,建筑節能被視作節能降耗的重點領域。近年來,德國建筑節能改造比例每年平均為0.9%,沒有達到“每年改造2%”的政策目標。電動汽車的推廣數量也未達到目標。未來,德國計劃加大建筑節能改造和電動汽車、氫燃料電池汽車的支持力度。在棄用核能方面,2011年日本福島核電站事故之后,德國確立了核電站退出計劃,當年關閉了17座核電站中的8座,并計劃在2022年之前完全淘汰核電站。截至2019年底,德國已廢除11座核電站,其余6座將在2020—2022年按計劃全部廢除。在擴大可再生能源利用方面,2020年各項政策目標均可實現,其中可再生能源發電量在總發電量中的比例從2000年的7%穩步提升到2019年的45%,已于2018年提前實現目標。

  2.3 日本

  日本能源消費高度依賴進口,能源自給率低于10%,是發達國家中能源自給率最低的國家之一。日本能源轉型戰略的主要思路不拘泥于能源自給率,著力通過能源技術優勢彌補資源稟賦的劣勢,將能源技術能力作為保障能源安全、穩定能源供給、優化能源結構和提高產業競爭力的戰略性手段。2018年,日本發布了第五次《能源基本計劃》,提出了能源轉型戰略的新目標、新路徑和新方向(表1)。

  日本以積極的措施推進能源轉型。在能源生產方面,日本尋求更多的能源供給選擇,如加強近海油氣資源勘探、加快可燃冰商業開發進程,以及建設從澳大利亞和文萊進口液氫的項目。由于在2030年以前將火電作為主力電源,日本近年來持續擴大整體煤氣化聯合循環發電系統、燃料電池發電系統、碳捕集與封存等先進技術的利用規模,并加速淘汰落后火電機組。自2012年推行可再生能源發電固定收購價制度以來,可再生能源裝機容量大幅增長,光伏發電占比不斷攀升。

  在能源消費方面,2012—2016年,日本能源消費總量減少了6.1%,接近實現2030年節能目標所需的平均速度。日本能源轉型以氫能規模化利用為顯著特色和重要抓手,將氫能與電力和熱能并列定位為核心二次能源,并提出建設“氫能社會”的愿景,希望通過氫燃料電池實現氫能在家庭、工業、交通甚至全社會領域的應用。日本在《氫能基本戰略》提出的主要發展目標詳見圖6。

  過去30多年,日本政府投入數千億日元用于氫能及燃料電池技術研發推廣,并對相關基礎設施和終端用戶進行補貼。日本氫能和燃料電池技術專利數量居全球第一,已步入燃料電池汽車和家用燃料電池的商業化推廣早期。日本的燃料電池汽車產業領跑全球,2014年上市的豐田Mirai燃料電池乘用車已在全球售出7000輛,占全球燃料電池乘用車總銷量的70%;豐田還推出了燃料電池大巴Sora和燃料電池叉車。2009年上市的家用燃料電池熱電聯供系統Ene-Farm是目前世界上規模最大、推廣最成功的商業化燃料電池利用系統。Ene-Farm利用城市管網天然氣或液化石油氣,通過燃料電池技術同時生產電和熱水,一套裝置大約可提供日本普通家庭平均能耗的40%~60%,減少約50%的碳排放,每年節省60000~75000日元電費(約為3500~4400元人民幣)。截至2019年5月,Ene-Farm已累計售出29萬套,售價比剛上市時下降75%。然而,燃料電池汽車和Ene-Farm的推廣速度、發展規模都與政策目標的要求有較大差距。日本政府計劃未來將以更大力度推動氫能利用。

  2.4 中東國家

  20世紀中葉,全球步入油氣時代,國際能源體系形成了在能源形態上高度依賴油氣、在能源供應上高度依賴中東的格局。中東國家嚴重依賴油氣收入,尚未建立起完整的現代工業基礎和國民經濟體系。這種依賴,在提升中東國家國際話語權和財富水平的同時,也預示了這些國家在下一次全球能源轉型中的尷尬處境。

  21世紀以來,全球能源格局發生重大變化,以美國頁巖氣革命為代表的非常規油氣開采量爆發式增長,可再生能源產業高速發展,全球能源消費中心不斷向發展中國家轉移。這些因素促使中東國家對后石油時代進行戰略思考。近年來,推進能源轉型、擴大可再生能源應用比例逐步進入政府部門的視野,沙特阿拉伯、阿聯酋、卡塔爾、科威特等國相繼制定了多項政策目標(表2)。

  中東太陽能、風能和地熱資源豐富,是近年來全球可再生能源成本削減的主要地區之一,可再生能源已成為最便宜的新建發電裝機選擇。阿聯酋阿勒馬克圖姆太陽能公園的900MW光伏發電項目,以1.7美分/(kW·h)報價成為世界上成本最低的光伏發電項目之一。沙特阿拉伯、也門、科威特和阿曼的年平均風速在7m/s以上,是公認的適宜發展風電的地區。對中東國家而言,發展可再生能源可增強能源安全、促進產業轉型。國際可再生能源組織認為,如果這些國家實現其可再生能源發展目標,中東地區電力部門的用水量將減少12%,可產生顯著的綜合效益。

3 中國能源轉型實踐

  中國作為世界上最大的發展中國家,既要在能源資源稟賦欠佳的情況下發展經濟,還要在技術水平較低的情況下解決相對脆弱的環境和生態問題,能源轉型面臨嚴峻挑戰。

  中國歷來重視能源開發與利用戰略。早在20世紀80年代,中國就確立了“能源開發與節約并重,把節約放在首位”的政策方針,并逐步形成較為完善的能源管理政策體系。21世紀初,為了增加能源供應、改善能源結構并保護環境,中國跟隨世界步伐,開始加大可再生能源發展力度,并于2005年制定了《中華人民共和國可再生能源法》。2007年12月,國務院發布《中國的能源狀況與政策》白皮書,詳細介紹了中國能源發展現狀、能源發展戰略和目標,可視為中國能源轉型的開始。

  2014年6月13日,習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上發表重要講話,強調“推動能源消費革命,抑制不合理能源消費;推動能源供給革命,建立多元供應體系;推動能源技術革命,帶動產業升級;推動能源體制革命,打通能源發展快車道;全方位加強國際合作,實現開放條件下能源安全”。“四個革命、一個合作”能源安全新戰略成為我國能源改革發展的根本方向。同年11月,國務院發布《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》,提出2020年的能源戰略目標;中美兩國發表《中美氣候變化聯合聲明》,提出中國計劃到2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰。2015年6月,中國政府向聯合國氣候變化框架公約秘書處提交應對氣候變化國家自主貢獻文件,提出了中國2030年減排目標和實施路徑。2016年10月,中國汽車工程學會受國家制造強國建設戰略咨詢委員會和工信部委托,編制發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》,描繪了中國汽車工業未來15年的發展藍圖。2016年12月,國家能源局發布《能源生產和消費革命戰略(2016—2030)》,提出2020年的目標要求。2017年4月,工信部、發改委、科技部聯合發布《汽車產業中長期發展規劃》,確立了“力爭經過10年努力,成為新車制造大國、新車消費大國和汽車產品研發大國”的發展目標。

  截至2020年,從中國主要能源政策目標的完成情況可以看出:(1)中國作為世界能源生產、消費第一大國,在能源消費總量控制、非化石能源消費比例以及單位國內生產總值能耗和碳排放方面的目標完成情況良好;(2)交通能效及新能源汽車產業指標完成情況不理想。



  國際能源署高度評價中國在國際能源轉型中的貢獻。國際能源署前署長田中伸男認為,2014年以來,在世界經濟持續增長的同時,全球碳排放量逐漸呈現與能源消費脫鉤的趨勢,這主要得益于中國政府大力推動綠色發展。近年來,國際能源轉型有四大革命性變化,分別是:美國成為全球最大的油氣生產國;光伏發電成為許多國家最便宜的新增裝機選擇;中國經濟切換至新常態發展模式,并推動了全國能源系統清潔低碳化;電力的應用不斷拓寬至供冷、電動汽車、數字化等領域。其中后3項都由中國主導并做出了突出貢獻。

4 經驗與啟示

  4.1 能源轉型是一項長期艱巨任務,中國需立足國情走好通往低碳未來的過渡階段

  各國的轉型戰略和政策都立足于國情,面向長遠未來精心設計。中國的資源稟賦、經濟發展階段、能源消耗規模和各省市嚴重不均的發展基礎,決定了中國能源轉型任務格外艱巨而繁重。

  從當前到未來的低碳能源世界,各國選擇了不同的過渡路徑。德國重視環境風險,減少化石能源消費,廢除核電,率先大力推進可再生能源規模化應用;日本資源稟賦貧乏,將技術優勢作為迎接能源轉型的主要手段;美國在追求“能源獨立”的前提下,把天然氣作為與可再生能源并重的過渡能源,推動能源結構清潔化。

  各國在能源轉型取得成效的同時,也遇到一系列問題:在政治層面,需協調國內不同利益主體之間的關系,并從全球合作的角度來保障能源供應安全;在經濟方面,除了可再生能源成本問題、提升能效成本問題和化石能源企業虧損問題之外,還面臨能源市場整合和新興能源基礎設施建設不足的問題;在技術方面,長期面臨多種能源技術持續研發的需求。

  這些經驗和問題啟發中國能源管理部門、能源企業和相關學者,要結合國情,對中國的能源轉型進行深入思考。

  4.2 規模經濟是新興能源技術走向產業化的重要推力

  近年來,在全球可再生能源成本迅速下降的過程中,除了政策支持和技術進步以外,產業規模經濟和規模效益是不容忽視的重要推力。中國得益于較為完備的基礎工業體系和龐大的市場,在推動風電、光伏發電、生物質發電、動力電池、氫能利用等產業發展過程中,發揮了巨大的規模經濟優勢。2013年以來,在國家政策的大力支持下,中國光伏發電產業不斷擴大規模,迅速發展為全球最大的市場,同時也擺脫了困擾光伏產業多年的“兩頭在外”的尷尬局面。2013—2018年,中國光伏裝機容量達到1.74×108kW,年復合增長率超過73%,較2012年的0.065×108kW增長26 倍。光伏發電上網電價從2011年的1元/(kW·h),下降到2020年的0.35~0.49 元/(kW·h)(2020年6月1日開始實施)(圖7)。在這一過程中,國內涌現出一批優秀的光伏企業,在2019全球光伏企業20強排行榜上有16家中國公司,前10名中有7家中國公司。

  在新興能源技術的發展過程中,需要以發展的眼光看待技術進步的“學習曲線”及其應用場景和市場空間的擴張趨勢。2019年,IEA 發布《氫能的未來》報告提出,車用燃料電池的單廠生產規模,從目前的1000臺/a到擴大到10萬臺/a,成本可下降21%~28%;加氫站的加氫量在從50kg/d增至500kg/d的過程中,可使每千克氫氣成本降低75%。這種潛在的發展趨勢應在產業發展初期就予以充分考慮,并作為制定長期決策的依據。

  4.3 交通是能源轉型的重點和難點領域

  交通能耗在各國均是能源消費的主要領域,在各國一次能源消費中占比為25%~40%。德國、中國、日本、美國等國,在交通燃料清潔化、交通能效提高和新能源汽車產業發展等方面都遇到了較大的困難。如前文所述,德國、中國和日本在交通領域的2020年政策目標完成情況不佳。美國曾把政策重點放在生物燃料產業發展上,然而交通燃料清潔化進展比電力系統清潔化緩慢得多。1981年,美國生物燃料在交通燃料中所占比例為0.03%,2001年為0.54%,2014年為4.76%,2019年達到5.5%。

  未來,降低交通能耗、實現交通燃料清潔低碳化仍是各國能源轉型的關鍵,也為各國的技術研發、政策制定和市場引導提出了要求。

  4.4 能源轉型需要在開放的國際合作視野下進行創新

  美國能源技術和公共政策學者Gregory F. Nemet于2019年出版著作《光伏如何變得便宜》(How Solar Became Cheap),書中介紹了光伏發電技術在歷史上的不同發展階段、成本變化的關鍵驅動因素、關鍵國家對成本降低的貢獻,以及光伏發電對其他低碳能源技術發展的經驗模型。光伏發電的4個關鍵階段為:(1)20世紀50—70年代美國早期實驗室研究,推動每兆瓦時的裝機成本從10萬美元級降到1萬美元級;(2)20世紀90年代的日本“屋頂光伏計劃”,推動每兆瓦時裝機成本降至1000美元級;(3)21世紀初德國《可再生能源法》的發布實施,推動裝機成本降至1000美元/(MW·h)以下;(4)中國以“光伏標桿電價”等強力政策推動產業發展,促進裝機成本降至100美元/(MW·h)以內(圖8)。

  世界能源轉型需要各國在開放的國際合作環境中進行創新發展,有效利用國際資源,把握和擴大合作各方的利益交集,堅持經濟與外交并重、投資和貿易并舉的策略,加大前瞻性能源技術研發合作力度,加強政府間、企業間、研究機構間的合作交流。

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