 摘要: 世界能源正在經歷由化石能源向新能源過渡的“第四次能源轉型期”。在全球碳中和目標以及國家能源安全愈發重要的背景下，本文通過對過去能源歷史的回顧，對當下能源現狀的總結，提出中國在能源方面可以采取的轉型措施。  能源是現代文明和經濟發展的重要物質基礎，其生產、分配和利用已成為世界政治經濟結構中不可缺少的組成部分[1]。從鉆木取火、第一次工業革命燃氣機興起帶來的煤炭需求量猛增，到第二次工業革命中內燃機發展帶來的石油需求量攀升。近年來，城市化、電氣化的推進使電力需求爆發式增長。隨著人類對化石能源的枯竭的擔憂，以及對自身生存環境的保護意識的覺醒，各種清潔、可再生、可持續的新能源大量投入使用，第四次能源轉型已經開始[2,3]。
圖1: 能源轉型中各種能源所占比例及其預測 （預測數據來自EDRI）
2.1 化石能源中國能源資源具有“富煤少油少氣”的特點。煤炭分布不均衡，煤炭開采主要分布在華北和西北地區，而消耗主要集中在中東部地區。相比于世界能源供應結構中油氣占57.5%，中國煤炭供應占據61%，仍處于煤炭為主的時代（圖2）。過去幾十年中以及未來短期內，煤電都將是主要的電力生產來源（圖3）。 油氣方面，持續攀升的油氣需求量以及對外依存度決定了中國能源供應“不安全”。2019年，全國一次能源供應中原油為2.8×107 TJ，其中進口占75%，天然氣為1.1×107 TJ，其中進口占41%[4]。復雜的地緣屬性也使得我國能源“不安全”。
（數據來源：國際能源署IEA）
圖3: 中國2019年各種能源發電比例 （數據來源：國際能源署IEA） 2.2 核能以及可再生能源從2011年到2019年，我國水力發電量到比重約占14%-20%之間波動。雖然我國理論水能資源豐富，但受限于區位和經濟效益，預計未來新增水電裝機容量增速有限[5]。基于核裂變的核能是一種清潔高效的能源，主要分布在中國東南沿海地區。中國的核電成本達到每千瓦時0.36-0.48元,目前已經基本可以與煤電競爭[6]。在過去幾年，中國一直是世界新能源增長的首要貢獻者，且風電和光伏裝機量領跑全球，風能和光伏發電的電量持續攀升（圖4）。在2021年中國可再生能源的增長占全球近一半，發電總量全球第一。
圖4: 水電、核能及可再生能源發電量 （數據來源：國際能源署IEA） 3.1 清潔低碳的新能源是未來發展的重點中國的可再生能源發展比其他任何國家都來得迅猛。目前來看，我國新能源增長主要集中在光伏和風能。由圖5可知，由于技術進步，規模效應等原因，風能和光伏成本大幅下降。2019年國內的風電平均成本大約為0.30元/kWh，光伏的成本約為0.33元/kWh，而到了2030年新建風電和光伏的發電成本將低于許多現有燃煤電廠的運行成本[6]，這不僅是由于新能源日趨明顯的規模效應，燃煤電廠的過剩產能也進一步加劇了新舊技術之間的差距。
圖5: 中國新建光伏與陸上風電平準化發電成本 與現有燃煤和燃氣電廠運營成本的對比[6]
圖6: 碳中和目標下中國一次能源供給結構變化趨勢[7] 3.2 優化化石能源使用結構在一次能源消費中，煤炭石油天然氣除了用于發電，也有直接能源消費，例如采暖、紡織、裝備制造業等。以氣代煤、以電代煤，是降低煤炭用量的關鍵。煤炭的清潔利用是關鍵之二，需要對目前現已建設的煤電、煤化工項目進行優化升級。石油是化工行業不可或缺的原材料。保證石油供給能力的穩定的情況下，加快推進從煉油廠向化工廠方向的轉變。 根據預測[9]，未來2050年中國需要天然氣4900億立方米，但2019年的產量只有1773億立方米。因此未來仍需大力開展中國的常規氣、非常規氣的勘探開發，推動天然氣水合物（如可燃冰）技術的研究。 3.3 終端節能與電氣化，促進能源消費清潔化以電力為中心的終端能源供給結構的優點很多，例如清潔，效率高，方便等等，其主要依靠各類清潔發電技術的快速發展和清潔利用。在終端能源供給中，電力占比需要繼續提高，2018年該數據為25.2%，2030年的電力占比需要提高到30%[3]。居民終端耗能比例最大的兩項是供暖和照明。推動綠色建筑和低碳建筑的發展，以及高效照明技術，有助于降低終端能耗。考慮到未來可再生能源發電的比例提高，在整個生命周期分析，電動車可以為交通方面的節能減排產生實質性貢獻。圖7展示了世界范圍內電氣化發展的歷程和未來目標。在當前政策下，可再生能源發展、終端能源電氣化、電動汽車以及電驅動的熱泵裝置的發展水平，都與可持續發展目標的要求有較大差距。
圖7: 能源系統電氣化的近期發展與目標[10] 傳統能源網絡運營存在多方面問題，如生產安排過剩，調度精確度較低、能源傳輸損耗大、與新能源接入兼容性差等缺點。未來的我國的能源必將是多種能源協調供給的結構，這一方面的問題勢必更加嚴峻。利用網絡，智能控制系統，可以實現對儲能設備以及可控負荷之間的優化控制，更好地利用廣域網內分布式電源的時空互補性，以及儲能設備與需求側可控資源之間的系統調節能力，從而應對分布式可再生能源間歇特性對局部電網的沖擊，為分布式可再生能源的大規模介入提供可行路徑，真正實現清潔能源比重的大幅度增加[9]。在國內風光棄電現象逐步緩和的積極變化下，智能電網以及儲能技術的引入，將進一步提高新能源的消納力度（圖8[11]）。 由于智能能源系統涉及過廣，內容繁多，此處僅用幾個例子進行簡單說明。一，利用智能終端測量系統及設備實現電能、熱力、制冷等能源消費等實時計量、信息交互和主動控制。二，建設以智能電網為基礎，與熱力管網、天然氣管網、交通網絡等多種類型能源互聯互通，多種能源形態協同轉化、集中式與分布式能源協調運行的綜合能源網絡。
圖8: 中國不同地區風電棄電率[11] 智能電網方面，需要對關鍵技術和核心裝備進行突破，例如高壓直流輸電方面需要用到的直流輸電、電力電子、可再生能源發電的關鍵技術和設備，并制定相應的國標，以支撐智能電網的建設。 風力發電技術方面，在空氣動力學計算、流體分析載荷計算等基礎能力，以及風電機組設計、軸承、主控、變槳等高端技術上實現突破，著力解決風電基礎理論研究薄弱和關鍵設備“非中國芯”問題。光伏發電技術方面，在 IBC（全背電極接觸）技術、HIT（異質結）技術、PERC（鈍化發射極背面接觸）技術方面進行研究，帶動光伏轉換效率提高。 儲能方面，儲能技術是未來電力革命的關鍵技術，可再生能源發電的真正有用的效率能否顯著提高，能源消費能否穩定可靠，主要依賴儲能技術。從技術方面看，物理儲能、化學儲能、氫能、甲醇經濟、以及燃料電池等等都將在競爭中發展。 根據國際再生能源總署IRENA的統計，2018年中國在可再生能源技術的專利申請量居于世界首位[10]。通過技術創新來整合可再生能源價值鏈中的高附加值部分，在帶動能源相關制造產業的發展過程中，可以幫助釋放能源轉型更廣泛社會經濟效益。
圖9: 2018年可再生能源技術的專利申請[10] 4 中國能源轉型以及 產業轉型的政策研究  前文已經提到關于新能源成本的問題，在技術進步進一步帶動新能源成本顯著降低之前，相較于傳統煤炭石油天然氣，單純依靠市場行為來提高新能源滲透率以及產業清潔化發展顯然是不可持續的，故而需要考慮政策工具干預。環境污染和全球氣候變暖都屬于工業生產過程中負的外部性問題。通常采用的政策工具有兩類，一類是命令與控制政策，例如直接管制；另一類是基于市場的做法，即通過政策手段將企業的負外部性內部化，使得企業自身主動去完成節能減排的目的。常用的做法，環境稅及排污權交易，而對于碳排放來說，則是碳稅征收和碳排放權交易。從2011年7個碳排放權交易區域試點運行，到2021年7月上線全國碳排放權交易市場，再到2022年3月生態環境部著重強調推動《碳排放權交易管理暫行條例》的出臺、加強監督和規范，我國碳交易市場逐漸發展完善。同時歐盟碳交易市場發展時間長，具有相對成熟的制度管理模式，也可為后續發展提供借鑒。 總結： 目前新一輪的能源革命轉型在全球范圍內蓬勃興起。它以能源高效化、低碳化、清潔化、智能化為方向，以現代信息技術、能源技術、智能技術為支撐。能源轉型是無可逆轉的未來潮流。中國需要采取有效措施走過陣痛期，才能牢牢把握能源安全這一發展的命脈。 [1] 楊宇,于宏源,魯剛,王禮茂,趙媛,郝麗莎,任東明,方偉,安海忠,蔡國田.世界能源百年變局與國家能源安全.自然資源學報,35(11):2803–2820. [2] 羅佐縣,許萍,鄧程程,楊寧,王殿銘等.世界能源轉型與發展——低碳時代下的全球趨勢與中國特色.石油石化綠色低碳,(2019年01):6–16,2019. [3] 國務院發展研究中心，殼牌國際有限公司.全球能源轉型背景下的中國能源革命.中國發展出版社,2019. [4] https://www.iea.org/data-and-statistics/data-products/?filter=balances%2Fstatistics,國際能源署，2022 [5] 2019中國電力年鑒.彭博新能源財經 [6] 新能源展望. 彭博新能源財經. 2019 [7] 中國能源體系2060碳中和報告. 殼牌能源遠景. 2021. [8] 國務院發展研究中心，殼牌國際有限公司.中國天然氣發展戰略研究.中國發展出版社,2015. [9] 郭世楫，郭焦鋒. 能源互聯網助推中國能源轉型與體制創新. 中國發展出版社，2017 [10] 全球新能源展望. 國際再生能源總署. 2020 [11] China’s plan to cut coal and boost green growth. Nature 584, S1-S3 (2020) CCTC? |
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圖2: 中國2019年一次能源供應比例
