全球清洁能源发展现状与趋势分析

崔荣国, 郭 娟, 程立海, 张迎新, 刘 伟

自然资源部信息中心, 北京 100830

能源是人类最早利用的自然资源之一, 其开发和利用有力地推动了人类文明的进步。随着社会和经济的发展、全球人口的增长及生活水平的不断提高, 人均能源消费和全球能源消费总量快速增长,由此引发了两方面的问题。一是能源区域短缺现象严重。由于经济发展与能源关系密切(杨丽花和李捷理, 2012), 因此能源资源相对匮乏且经济较发达或发展较快的欧洲、东亚、南亚、东南亚地区成为全球能源进口的主要区域。二是环境恶化问题日益突出(于锋等, 2014)。长期以来, 尤其是第一次产业革命以后, 大量化石能源的开发利用造成了严重的环境污染(李旭东等, 2004； 李昕蕾, 2017a； 卜祥宇等,2018), 其代价巨大且难以为继(王永培等, 2017)。如二氧化碳排放总量持续增加带来了全球气候变暖、海平面上升和极端恶劣天气频繁爆发等一系列环境问题(张玉卓, 2014； 徐斌等, 2019)。

随着全球经济的发展, 能源需求持续增长, 解决由化石能源开发利用引起的环境问题已成为各国面临的重要命题。以化石能源为主的能源消费结构不可持续(刘晓燕, 2012； 邹才能等, 2015), 因此,能源的多元化发展和清洁能源的开发利用受到各国的普遍重视(徐礼德和仝允桓, 2011； 李扬, 2011； 张玉卓, 2014； 李荣杰等, 2016； 李昕蕾, 2017b； 宋科余等, 2021； 吴林强等, 2021； 张涛等, 2021)。

1 清洁能源的概念

目前, 不同专家和学者对清洁能源的概念存在不同的认识。贡光禹(2003)认为清洁能源就是可再生能源。李亮(2012)认为清洁能源是一种最大限度实现对能源洁净开发和利用的技术体系。郑艳婷和徐利刚(2012)认为清洁能源就是指可再生能源或绿色能源。付丽苹(2012)认为清洁能源是指在生产和使用过程中不产生污染的能源。李昕蕾(2017b)认为清洁能源主要指风能、太阳能、水能、生物质能、核能等能源。《现代汉语词典(第七版)》(中国社会科学院语言研究所, 2019)将清洁能源解释为开发利用过程中不产生或很少产生污染物的能源。总之,对清洁能源概念的认识主要分为两种观点：一是在开发利用过程中不产生污染的能源, 也就是能源本身是清洁的； 二是能源开发利用的技术体系, 通过技术的发展达到能源清洁化开发利用的目的, 属于能源生产和消费的清洁化。

能源的清洁化以利用过程中的排放标准进行衡量, 达到标准即是清洁能源, 达不到标准即是不清洁能源。随着技术的进步其范围也不同, 因全球能源利用技术差异性大而无法准确定义其类别, 尤其是针对化石能源。在研究清洁能源时, 不能将其与可再生能源混淆, 二者是完全不同的两个概念。首先, 二者分类方式不同：清洁能源是根据生产和消费过程中产生的污染物多少来划分的, 可再生能源是根据能源是否能够再生来划分的。其次, 二者所包含的能源类别有差异。清洁能源包括风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等； 可再生能源不但包含所有清洁能源, 还包括生物质能。此外, 核能由于在利用过程中产生的环境污染风险无法完全可控, 所以也不应被列入清洁能源。因此, 在总结以往研究资料的基础上, 本文认为：清洁能源是指在指生产和消费过程中对环境影响较小且环境污染风险极小的能源, 同时在其利用过程中没有可能产生污染的C、N、S等元素迁移, 如风能、水能、太阳能、地热能、海洋能等。

由于海洋能等数据统计难度比较大, 本文的清洁能源数据统计中仅包括水能、风能、太阳能和地热, 特殊说明的情况除外。

2 全球清洁能源的发展概况

清洁能源的开发利用成为改善当前能源消费结构、实现多元化能源供给、应对全球气候变化的最重要方式之一(刘邦凡等, 2015)。清洁能源产业发展被认为是第四次技术革命的突破口, 也是应对气候变化和能源危机的重要手段(郑艳婷和徐利刚,2012), 引起了世界各国的广泛重视。

20世纪末, 联合国开始重视清洁能源问题。1997年签署的《京都协议书》为清洁能源的发展创造了平台, 2004年在德国波恩通过的《波恩政治宣言》有力地推动了清洁能源的国际合作(李昕蕾,2017a)。2009年, 在德国推动下建立的国际清洁能源机构(International Renewable Energy Agency)持续推动全球清洁能源的发展。

自20世纪70年代起, 欧美发达国家开始推动清洁能源发展(郑艳婷和徐利刚, 2012)。自1978年起, 美国开始利用税收、利息等手段鼓励清洁能源的生产与消费, 多部能源法案均通过经济手段扶持清洁能源的开发利用(张宪昌, 2011)。尤其是21世纪以来, 美国出台的《2003年能源税收激励法案》《2005年美国能源政策法案》《2006年先进能源倡议》《2007年十年二十年倡议》《2007年能源独立和安全法》《2009年复苏与再投资法案》《2009年美国清洁能源与安全法》等政策都给予清洁能源产业的发展强有力的支持, 极大的推动了美国清洁能源产业发展(郑艳婷和徐利刚, 2012； 杨丽花和李捷理,2012)。

日本国土面积小, 化石能源极度匮乏, 因此政府非常重视清洁能源的开发利用。自20世纪70年代起, 大力支持清洁能源发展, 80年代设立了专门机构促进清洁能源技术研发、推广和应用, 90年代开始全面推行清洁能源宣传和教育, 21世纪以来, 通过立法支持清洁能源发展(郑艳婷和徐利刚, 2012)。

欧盟非常重视清洁能源发展。20世纪90年代末, 鼓励各成员国大力发展清洁能源, 通过《1997年清洁能源决议》《1998年清洁能源决议》《绿皮书：能源安全供应的欧洲战略》(2000年)、《能源战略绿皮书：能源安全供应的欧洲战略》(2002年)、《欧洲智能能源消费计划》(2003年)、《2006年能源政策绿皮书》《能源 2020：具有竞争力的、可持续和安全的能源战略》(2010年)、《2011年“2050能源路线图”》等措施支持清洁能源产业的发展。欧盟各成员国也纷纷出台政策鼓励本国清洁能源产业, 如德国于2000年出台了《清洁能源优先法》, 英国通过税收、财政投入等方式鼓励清洁能源的消费(郑艳婷等, 2012)。

为解决温室气体排放过多的问题, 2011年11月8日, 澳大利亚于通过了《清洁能源法案》, 旨在通过实施碳税减少污染排放, 鼓励发展清洁能源(陆燕等, 2011)。

相对于西方发达国家而言, 中国是清洁能源发展的后起之秀。虽然进入21世纪后开始大力发展清洁能源, 但经过十几年的学习与创新实现了超越式发展, 目前已成为全球清洁能源利用最多的国家(李昕蕾, 2017c)。

能源供需矛盾突出的印度在进入 21世纪后也开始积极发展清洁能源产业, 出台了一系列政策并成立了相关机构。如印度政府出台了《农村电气化政策》《2005年国家电力政策》《2006年电价政策》《清洁能源政策(草案)》等, 成立了新能源与清洁能源部等相关机构推动清洁能源发展(刘晓燕, 2012)。

此外, 法国、荷兰、加拿大等国家也积极发展清洁能源产业。

3 全球清洁能源产业发展现状

3.1 清洁能源投资呈现增长态势

据彭博能源财经(BNEF, 2020)和国际可再生能源署(IRENA, 2020a)统计, 2019年全球清洁能源投资为3830亿美元, 是2010年投资的1.3倍, 占全球能源投资的23.6%, 比2010年提高了6.1个百分点(图1)。其中, 风能投资最高, 为1430亿美元； 其后依次为太阳能(1410亿美元)、地热(770亿美元)； 水电投入最少, 为220亿美元, 不足2013年投资最高峰701亿美元的1/3。

图1 全球清洁能源投资变化Fig.1 Global clean energy investment

3.2 清洁能源装机容量增长明显

据国际可再生能源署(IRENA, 2020b)统计,2019年全球清洁能源总装机容量为 2533 GW, 是2010年总装机容量的2倍(图2)。其中, 太阳能总装机容量增长最快, 2019年为586 GW, 是2010年的14.1倍； 其后依次是风能623 GW, 是2010年的3.4倍； 地热 13.9 GW, 是 2010年的 1.4倍； 水电1310 GW, 是2010年的1.3倍。此外, 海洋能总装机容量相对较低, 自2011年超过500 MW后保持缓慢增长态势, 2019年为531 MW。

图2 全球清洁能源装机容量变化Fig.2 Global clean energy installed capacity

3.3 清洁能源多元发展

随着环境保护意识逐渐增强, 全球各国不断加大清洁能源的开发利用, 清洁能源消费持续增长,不断优化全球能源消费结构。据BP(2019)数据统计,2018年, 全球清洁能源消费14.15×108t油当量, 同比增长6.9%, 是1990年的2.8倍, 占全球一次能源消费的10.2%, 比1990年提高了3.8个百分点。其中, 水电消费 9.49×108t油当量, 是 1990年的 1.9倍, 占全球清洁能源消费的67.1%； 风能2.87×108t油当量, 是 1990年的 350倍, 占 20.2%； 太阳能1.32×108t油当量, 是1990年的1506倍, 占9.4%； 地热4620×104t油当量, 是1990年的2.5倍, 占3.3%。

进入21世纪以来, 清洁能源产业迅速发展, 有效地缓解了全球一次能源需求增长对化石能源的压力。2000—2018年, 全球一次能源消费累计增长了47.36×108t油当量, 其中 18.5%的增量来自于清洁能源。清洁能源在能源消费中发挥了越来越重要的作用。2000年, 全球清洁能源消费增加了1 472.4×104t油当量, 占全球一次能源消费增量的6.7%； 2018年, 全球清洁能源消费增加了9992×104t油当量, 占 23.4%, 全球超过五分之一的一次能源消费需求增量来自于清洁能源； 其中, 2015年清洁能源贡献最大, 其消费增量占全球一次能源消费增量的46.3%(图3)。清洁能源消费增量结构变化明显,由水电的“一家独大”向多元化发展(崔荣国等,2018)。在清洁能源消费增量中, 2000年水电占主导地位, 为 69.1%； 风能 15.2%, 地热 15.4%, 太阳能仅占0.3%。2018年, 清洁能源消费增量结构发生明显变化, 风能占比最高, 为 35.1%, 提高了 19.9个百分点； 太阳能占 32.4%, 提高了 32.1个百分点；水电降至31.6%, 地热降至0.9%。

图3 全球清洁能源消费增量变化Fig.3 Consumption increment of global clean energy

4 清洁能源发展趋势

4.1 清洁能源装机成本预测

随着科技的进步, 清洁能源开发利用成本不断降低。据国际可再生能源署(IRENA, 2020a)统计,2010—2019年, 光伏发电装机成本由4702 USD/kW降至 995 USD/kW, 下降了 78.8%； 陆上风电由1949 USD/kW 降至 1473 USD/kW, 下降了 24.4%；海上风电由4650 USD/kW降至3800 USD/kW, 下降了 18.3%； 聚光太阳能发电由 8987 USD/kW 降至5774 USD/kW, 下降了 35.8%； 地热发电由5254 USD/kW降至3916 USD/kW, 下降了25.5%。由于相对比较容易开发的水电资源大部分已被利用,因此水电成本处于不断增长的趋势, 由1254 USD/kW增至1704 USD/kW, 增长了35.9%。虽然水电成本出现了明显的增长, 但相对于海上风电、聚光太阳能发电和地热发电依然具有较大的成本优势, 因而水电项目仍将持续上马。近年来, 光伏发电和陆上风电装机容量快速增长的主要原因是其成本大幅下降, 相对于水电具有比较明显的优势。该机构预测至2030年, 聚光太阳能发电成本将进一步下降 35%, 光伏发电成本下降 58%, 海上风电成本下降55%, 陆上风电成本下降25%。

随着全球各国对清洁能源重视程度的提高, 清洁能源利用成本将进一步下降。以国际可再生能源署(IRENA, 2020a)统计的过去10年的清洁能源发电成本为原始数据, 运用趋势预测法对清洁能源发电装机成本进行了预测, 结果表明：与 2019年相比,2050年光伏发电装机成本下降接近六成至约400 USD/kW, 陆上风电下降超过六成至约500 USD/kW, 海上风电下约六成至约1500 USD/kW, 聚光太阳能下降超过七成至约1500 USD/kW, 地热下降超过六成至约1500 USD/kW, 水电上升约一成至约1900 USD/kW(图 4)。

图4 清洁能源发电装机成本预测Fig.4 Installed capacity cost of clean energy

4.2 清洁能源需求量预测

美国能源署(EIA, 2020)预计, 若2018—2050年全球GDP年均增长2.4%、人口年均增长0.7%, 2030年全球清洁能源需求约为21.8×108t油当量, 占一次能源需求总量的13.6%； 2050年全球清洁能源需求约为40.1×108t油当量, 占一次能源需求总量的19.7%。

国际可再生能源署(IRENA, 2020c)对全球清洁能源发展分三种情形进行了预测。假定2050年全球人口增至97亿, 一是基准情形。根据2015年《巴黎协定》通过以后的各国实施政策进行预测, 2050年全球CO2排放量为43 Gt/yr。二是计划情形。根据各国已发布的能源计划进行预测, 2050年全球CO2排放量为 33 Gt/yr, 清洁能源占全球一次能源需求的25%, 将贡献相对基准情形减少CO2排放量的45%。三是理想情形。根据清洁能源及其利用效率大幅提高进行预测, 2050年CO2排放为9.5 Gt/yr,清洁能源占全球一次能源需求的 66%, 将贡献相对计划情形减少CO2排放量的52%。

根据目前清洁能源产业的发展现状和各国的重视程度, 本文认为美国能源署低估了清洁能源的发展, 其发展情形将略好于国际可再生能源署的计划情形, 但其理想情形明显过高预估了清洁能源的发展。本文根据生长曲线预测模型(SGompertz曲线模型)对清洁能源利用进行了预测, 结果如下：2030年全球清洁能源需求约为 30.5×108t油当量, 约占全球一次能源需求的 18%。其中, 太阳能需求约为6.4×108t油当量, 风能 9.2×108t油当量, 地热2.8×108t油当量, 水电 12.1×108t油当量。2050 年全球清洁能源需求约为 57×108t油当量, 约占全球一次能源需求的 30%。其中, 太阳能需求约为12×108t油当量, 风能 22×108t油当量, 地热 7×108t油当量, 水电16×108t油当量(图5)。

图5 全球清洁能源需求预测Fig.5 Demand forecast of global clean energy

5 中国清洁能源发展现状

5.1 中国是全球最大的清洁能源消费国

据BP(2019)统计数据测算, 中国清洁能源消费增长迅速, 自 2004年起成为全球最大的清洁能源消费国, 2018年, 中国消费了全球 27.5%的清洁能源, 比美国、印度、俄罗斯、日本四国之和高出6.6个百分点, 成为全球二氧化碳减排的主要力量。美国和印度的清洁能源消费占全球的比重变化较小,美国在 10%～12%之间波动, 印度在 2.5%～4.0%之间波动。俄罗斯和日本的清洁能源消费占全球消费的比重呈下降态势, 俄罗斯由2000年的5.7%波动降至2018年的2.9%, 日本则由3.6%降至2.9%(图6)。

图6 清洁能源消费国别占比Fig.6 Global clean energy consumption structure (by country)

5.2 清洁能源优化了中国能源消费结构

据BP(2019)统计数据测算, 中国一次能源消费中, 2018年清洁能源占比为12.7%, 较2010年提高了5.5个百分点, 明显超过传统化石能源天然气5.3个百分点, 成为继煤炭、石油之后的中国第三大能源来源(图7)。中国一次能源消费中清洁能源的占比远高于美国和印度的 7.3%、俄罗斯的 6.0%、日本的 9.6%, 因此, 中国清洁能源的大规模利用为实现碳减排目标奠定了良好的基础, 极大地促进了生态文明建设。

图7 中国一次能源消费结构变化Fig.7 Consumption structure of primary energy in China

6 结论

6.1 清洁能源的利用程度与碳排放量呈负相关关系

本文按年度计算了 2000—2018年的二氧化碳排放变化率、清洁能源在一次能源消费增量中的占比(图8), 并对以上2组数据进行了相关性分析, 运用 correl函数计算得出两者之间的相关系数为-0.518, 表明两者之间为负相关关系。也就是说, 清洁能源的利用程度越高, 对二氧化碳减排的贡献越大； 反之, 清洁能源的利用程度越低, 对二氧化碳减排的贡献越小。因此, 为了达到二氧化碳减排目标, 各国应当进一步重视清洁能源的发展。

图8 一次能源增量中清洁能源占比与二氧化碳排放量变化率之间的相关性Fig.8 Correlation between proportion of clean energy in the primary energy increment and the rate of carbon dioxide emission change

6.2 清洁能源利用将改变全球一次能源格局

目前, 全球能源消费格局基本处于以化石能源煤炭、石油、天然气“三分天下”的状态, 清洁能源和核能消费处于起步阶段。随着清洁能源的快速发展, 清洁能源在2030年将占一次能源需求的20%左右, 2050年约占 30%左右, 甚至更高, 全球一次能源消费的格局将变为煤炭、石油、天然气、清洁能源“四分天下”。这种格局改变对全球环境保护和二氧化碳减排具有重大意义, 同时也将对一次能源的供应格局产生深远的影响。全球清洁能源潜力巨大, 分布在全球各个角落, 大规模开发利用将大幅度提高各国的能源自给率, 改变目前部分国家因化石能源分布集中而受制于他国的状态。一旦全球各国的能源安全有了保障, 世界的政治和经济格局也将发生相应的改变。

6.3 中国清洁能源发展在全球处于领先地位

进入 21世纪以来, 中国加速开发利用清洁能源, 2018年中国消费了全球超过五分之一的清洁能源, 遥遥领先于其它国家, 高于排名第二的美国16.3个百分点。一方面是因地制宜地充分发挥了中国丰富的风能、太阳能等清洁能源, 另一方面是政府出台了一系列鼓励清洁能源发展的政策措施。虽然中国清洁能源发展取得了巨大的成就, 但在能源消费结构中占比相对较低, 与煤炭、石油等一次能源差距较大。因而, 中国应当继续支持和鼓励清洁能源的大规模开发, 在一定程度上替代煤炭、石油等一次能源, 最大限度的降低对环境的干忧, 为全球环保贡献力量。

总之, 大力发展清洁能源是大势所趋, 全球各国都应当抓住这一发展机遇, 将清洁能源利用打造成新的经济增长极, 加快推动经济和社会的发展,为全人类谋求幸福。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.Zhongdidiaoyan[2019]410).