摘 要：全球能源轉型主要趨勢包括能源效率的全面提升、現(xiàn)有能源利用系統(tǒng)的變革、可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用。各國由于資源稟賦、能源戰(zhàn)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(guī)?；瘧?，在歐洲能源轉型中具有代表性;日本立足國情，將技術優(yōu)勢作為能源轉型的戰(zhàn)略手段;中東國家出于能源政治、經(jīng)濟轉型的考慮，也加入全球能源轉型發(fā)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(jié)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(jīng)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(guī)模經(jīng)濟是新興能源技術走向產(chǎn)業(yè)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(chuàng)新。
高 慧 楊 艷 劉雨虹
劉 嘉 劉月洋 吳謀遠
中國石油集團經(jīng)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(huán)境問題，許多國家開展了能源生產(chǎn)和消費的轉型發(fā)展實踐?？v觀各國能源戰(zhàn)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(nèi)生產(chǎn)總值能耗)持續(xù)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(jié)能效益。2010年，這11個成員國的節(jié)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(xiàn)有能源利用系統(tǒng)變革，電力、氫能等二次能源消費規(guī)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(xù)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(fā)達國家和發(fā)展中國家將表現(xiàn)出兩條截然不同的路徑：在發(fā)達國家，電力需求增長將被數(shù)字化和電氣化技術進步帶來的能效全面提升所抵消;在發(fā)展中國家，家庭收入的增長、工業(yè)規(guī)模的擴大和服務業(yè)的發(fā)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(fā)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(chǎn)業(yè)步入商業(yè)化發(fā)展早期。世界各國的支持政策和氫能利用項目數(shù)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(guī)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(tài)、液態(tài)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(fā)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(guī)模開發(fā)利用。風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電成為全球成本下降最快、平均成本最低的可再生能源發(fā)電方式。2018年，除海上風電以外，全球各地多種可再生能源發(fā)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(qū)，可再生能源已開始了對化石能源發(fā)電的存量替代。中國是世界上可再生能源利用規(guī)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(fā)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(zhàn)略、技術水平、環(huán)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(jié)能源需求、適度開發(fā)新能源、支持先進能源技術研發(fā)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(shù)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(jié)能技術等，其中多項技術已取得重大進展并走向商業(yè)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(tǒng)后簽署的《2009年美國清潔能源與安全法》，首次系統(tǒng)提出清潔能源和節(jié)能減排發(fā)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(lián)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(xiàn)“能源獨立”的前提下推動能源系統(tǒng)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?？v觀1973年以來美國的能源生產(chǎn)、消費和進出口情況，自2005年起，美國可再生能源和核電產(chǎn)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(chǎn)量快速增長，并在2019年實現(xiàn)了“能源獨立”(圖4)。
2.2 德國
歐洲發(fā)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(fā)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(jīng)濟效率和環(huán)境可承受”的能源政策三大目標，核心思想是可持續(xù)發(fā)展。2000年，德國出臺《可再生能源法》，確定了可再生能源發(fā)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(shù)轉型目標，與其他國家相比，德國是能源轉型的“優(yōu)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(xiàn)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(jié)能被視作節(jié)能降耗的重點領域。近年來，德國建筑節(jié)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(shù)量也未達到目標。未來，德國計劃加大建筑節(jié)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(xiàn)，其中可再生能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的比例從2000年的7%穩(wěn)步提升到2019年的45%，已于2018年提前實現(xiàn)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(fā)達國家中能源自給率最低的國家之一。日本能源轉型戰(zhàn)略的主要思路不拘泥于能源自給率，著力通過能源技術優(yōu)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(wěn)定能源供給、優(yōu)化能源結構和提高產(chǎn)業(yè)競爭力的戰(zhàn)略性手段。2018年，日本發(fā)布了第五次《能源基本計劃》，提出了能源轉型戰(zhàn)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(chǎn)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(yè)開發(fā)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(xù)擴大整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、碳捕集與封存等先進技術的利用規(guī)模，并加速淘汰落后火電機組。自2012年推行可再生能源發(fā)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(fā)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(xiàn)2030年節(jié)能目標所需的平均速度。日本能源轉型以氫能規(guī)?；脼轱@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(xiàn)氫能在家庭、工業(yè)、交通甚至全社會領域的應用。日本在《氫能基本戰(zhàn)略》提出的主要發(fā)展目標詳見圖6。
過去30多年，日本政府投入數(shù)千億日元用于氫能及燃料電池技術研發(fā)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(shù)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(yè)化推廣早期。日本的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)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(lián)供系統(tǒng)Ene-Farm是目前世界上規(guī)模最大、推廣最成功的商業(yè)化燃料電池利用系統(tǒng)。Ene-Farm利用城市管網(wǎng)天然氣或液化石油氣，通過燃料電池技術同時生產(chǎn)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(jié)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(fā)展規(guī)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(tài)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(xiàn)代工業(yè)基礎和國民經(jīng)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(fā)生重大變化，以美國頁巖氣革命為代表的非常規(guī)油氣開采量爆發(fā)式增長，可再生能源產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，全球能源消費中心不斷向發(fā)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(zhàn)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(lián)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(qū)之一，可再生能源已成為最便宜的新建發(fā)電裝機選擇。阿聯(lián)酋阿勒馬克圖姆太陽能公園的900MW光伏發(fā)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(fā)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(fā)展風電的地區(qū)。對中東國家而言，發(fā)展可再生能源可增強能源安全、促進產(chǎn)業(yè)轉型。國際可再生能源組織認為，如果這些國家實現(xiàn)其可再生能源發(fā)展目標，中東地區(qū)電力部門的用水量將減少12%，可產(chǎn)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(fā)展中國家，既要在能源資源稟賦欠佳的情況下發(fā)展經(jīng)濟，還要在技術水平較低的情況下解決相對脆弱的環(huán)境和生態(tài)問題，能源轉型面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
中國歷來重視能源開發(fā)與利用戰(zhàn)略。早在20世紀80年代，中國就確立了“能源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)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(huán)境，中國跟隨世界步伐，開始加大可再生能源發(fā)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(fā)布《中國的能源狀況與政策》白皮書，詳細介紹了中國能源發(fā)展現(xiàn)狀、能源發(fā)展戰(zhàn)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(jīng)領導小組第六次會議上發(fā)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(chǎn)業(yè)升級;推動能源體制革命，打通能源發(fā)展快車道;全方位加強國際合作，實現(xiàn)開放條件下能源安全”。“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略成為我國能源改革發(fā)展的根本方向。同年11月，國務院發(fā)布《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》，提出2020年的能源戰(zhàn)略目標;中美兩國發(fā)表《中美氣候變化聯(lián)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(lián)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(zhàn)略咨詢委員會和工信部委托，編制發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》，描繪了中國汽車工業(yè)未來15年的發(fā)展藍圖。2016年12月，國家能源局發(fā)布《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》，提出2020年的目標要求。2017年4月，工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)布《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，確立了“力爭經(jīng)過10年努力，成為新車制造大國、新車消費大國和汽車產(chǎn)品研發(fā)大國”的發(fā)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(chǎn)、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(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(jīng)濟持續(xù)增長的同時，全球碳排放量逐漸呈現(xiàn)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(fā)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(chǎn)國;光伏發(fā)電成為許多國家最便宜的新增裝機選擇;中國經(jīng)濟切換至新常態(tài)發(fā)展模式，并推動了全國能源系統(tǒng)清潔低碳化;電力的應用不斷拓寬至供冷、電動汽車、數(shù)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(jīng)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(zhàn)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(jīng)濟發(fā)展階段、能源消耗規(guī)模和各省市嚴重不均的發(fā)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(huán)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(guī)?；瘧?日本資源稟賦貧乏，將技術優(yōu)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(xié)調國內(nèi)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(jīng)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(yè)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(xù)研發(fā)的需求。
這些經(jīng)驗和問題啟發(fā)中國能源管理部門、能源企業(yè)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(guī)模經(jīng)濟是新興能源技術走向產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)規(guī)模經(jīng)濟和規(guī)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(yè)體系和龐大的市場，在推動風電、光伏發(fā)電、生物質發(fā)電、動力電池、氫能利用等產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，發(fā)揮了巨大的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。2013年以來，在國家政策的大力支持下，中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不斷擴大規(guī)模，迅速發(fā)展為全球最大的市場，同時也擺脫了困擾光伏產(chǎn)業(yè)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(fā)電上網(wǎng)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(nèi)涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的光伏企業(yè)，在2019全球光伏企業(yè)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(fā)展過程中，需要以發(fā)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(fā)布《氫能的未來》報告提出，車用燃料電池的單廠生產(chǎn)規(guī)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(fā)展趨勢應在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期就予以充分考慮，并作為制定長期決策的依據(jù)。
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(chǎn)業(yè)發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展上，然而交通燃料清潔化進展比電力系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)、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(chuàng)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(fā)電技術在歷史上的不同發(fā)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(fā)電對其他低碳能源技術發(fā)展的經(jīng)驗模型。光伏發(fā)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(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進裝機成本降至100美元/(MW·h)以內(nèi)(圖8)。
世界能源轉型需要各國在開放的國際合作環(huán)境中進行創(chuàng)新發(fā)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(jīng)濟與外交并重、投資和貿(mào)易并舉的策略，加大前瞻性能源技術研發(fā)合作力度，加強政府間、企業(yè)間、研究機構間的合作交流。
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