全球能源转型：2050路线图

2021-06-24

电器工业 2021年6期

本报告基于国际可再生能源署（IRENA）可再生能源路线图（REmap）和社会经济路径分析。它为全球能源转型勾勒了一条积极而可行的路线。

全球能源转型步伐正在加快。尽管近年来已朝正确的方向采取了步骤，但仍需更大的加速，重点是可再生能源、电气化和能效。本报告基于国际可再生能源署（IRENA）可再生能源路线图（REmap）和社会经济路径分析。它为全球能源转型勾勒了一条积极而可行的路线。

一、全球能源格局转型路径

能源转型是多方面的，并在技术、社会经济学、制度驱动力和金融形式方面不断发展。该报告概述了需要为可再生能源占比更高的能源系统、更广泛的创新和增加投资、避免社会压力和经济问题的战略规划做准备。

图1概述了将世界从今天的状态转移到2050年的状态所需的关键指标。这些指标表明，需要在一系列部门和技术上加快步伐，包括从运输和可再生能源供热的深层次终端用途电气化，到可再生能源的直接使用、能源效率和基础设施投资。

注：1、TFEC—终端能耗总量；2、公用事业和分布式太阳能光伏总增加（新增和重新发电）；3、陆上和海上风电总量增加（新增和重新发电）；4、乘用车不包括 2/3 轮车、公交车等电动出行运输方式；5、基于现有数据的热泵估算；6、包括常规和高级生物燃料——乙醇、生物柴油和生物喷气式飞机；7、现代可再生能源不包括生物质的传统用途，这在非经合组织国家的建筑部门用于烹饪、空间供暖等；8、能效强度以一次能源使用量除以GDP来衡量，这表明产生一单位GDP所需的能源量——这一指标的改进如图所示；9、固定电池储能包括部署在分散式光伏系统以及公用事业规模电池；10、化石燃料需求包括非能源使用。图中显示的on/off轨道显示了相对于当前水平（2017/18年），实现2050年目标的跟踪进展。LCOE是指电力的平准化成本。

（一）能源相关排放

本报告中提出的REmap案例概述了技术和经济上可行的加速行动路线。报告显示，加速部署可再生能源，结合深入电气化和提高能效，可以实现超过90%的能源相关CO2减排，以达到《巴黎协定》设定的远低于2℃的目标。可再生能源电气化是关键，共占减排潜力的60%。如果考虑到直接使用可再生能源带来的额外减排，这一比例将增加到75%。如果再加上能效，这一比例将增加到90%以上。

不采取行动减轻气候变化的影响将会付出更大的代价。与REmap案例中确定的可再生能源、能源效率和其他技术加速发展相比，到2050年，现有计划和政策（本研究中的参考案例）将导致与空气污染和负面气候影响相关的额外成本96万亿美元。在REmap案例过渡途径下避免这些费用将需要额外的支出。然而，到2050年，REmap方案的累计收益将在65万亿至160万亿美元之间。

（二）转型的能源系统

可再生能源和能效，结合电气化，是能源转型成功的关键因素（Gambhir，n.d.；IPCC，2018）。可再生能源和能效对于加速能源转型的重要性是各种能源情景中普遍认同的观点。然而，为了制定长期能源战略和决策，长期能源情景需要进一步改善。

IRENA的新能源转型情景网络（ETSNet）旨在扩大对长期能源情景的理解和使用，将其作为支持知情政府决策的关键工具，特别是在应对前所未有的能源系统转型带来的新挑战和机遇方面。它涵盖了制度方面以及技术方面，如新出现的建模问题。

IRENA的REmap案例表明，到2050年，现代可再生能源占终端能源消费总量的比例需要从现在的10%（包括传统生物能源则是17%）上升到三分之二。这远远高于参考情况，参考情况下可再生能源仅占终端能源总量的四分之一左右。如果按年计算，可再生能源的份额每年只会增长约0.25个百分点，到2050年达到25%；而REmap案例则将这一增长速度提高了6倍，达到每年1.5个百分点。

可再生能源在发电中的份额将从目前的25%上升到2050年的86%。2050年，太阳能和风能等可再生能源将占总发电量的60%左右。到2050年，可再生能源发电总量将从目前的7000太瓦时增加到47000太瓦时，增长了7倍。

为实现电力供需匹配，将投资13万亿美元，以实现电网基础设施和电力系统灵活性，比参考案例增加约4万亿美元。此外，还需要进行立法和监管改革。电网规范和电价机制需要改变，以允许能源消费者更广泛地生产和消费自己的能源（将他们转变为“消费者”），并有助于管理负荷的数字化技术（IRENA，2019b）。

图1 2050年路线图：跟踪关键能源系统指标进展，实现全球能源转型（实现 REmap案例的关键指标所需要的进展）

能源强度的改善率需要提高到每年3.2%。这高于近年来的改善（2.3%）或参考案例中预计的改善（2.4%）。参考情况下的比率与REmap案例中需要的比率之间的差距可以通过几个关键手段来填补。一是部署能效措施，与参考案例相比，REmap案例所需的削减额（每年0.36个百分点）接近一半。其他的是增加热能和运输应用电气化（每年0.29个百分点），以及电力和终端使用部门的可再生能源的应用（每年0.16个百分点）。

在未来几十年，循环经济将发挥越来越重要的作用，有助于减少能源消耗，提高资源利用效率，并通过创新提高工业的过程效率。在此期间，生物质能源的传统用途也将逐步淘汰。可再生能源技术，包括微网和分布式解决方案，证明是提高电力供应率的关键。

可再生能源的终端使用部门的电气化利用了与能效措施的协同效应，并带来了额外的能源强度改善。一个原因是，太阳能和风力发电厂生产的电能转换损失最小（能源强度基于一次能源），而将化石燃料用于发电和最终用途的效率要低得多。此外，电力驱动和热泵系统比类似的化石燃料系统效率更高。如果提供可再生能源，电气化程度的提高会降低一次能源使用总量的增长，同时允许一定数量的可再生能源在能源系统中产生更高的份额。可再生能源和能效之间的这种重要协同作用经常被忽视，它可以解决提高效率和增加可再生能源份额的双重任务（IRENA，2017d）。

图2 能源强度的提高细分为提高终端用能电气化程度、部署可再生能源和提高能效（能源强度改善率（%/年），参考案例和REmap案例，2016～2050年）

图3 扩大可再生能源的使用范围，不仅要用于发电，还要用于供热和运输（建筑、工业和运输部门的可再生能源和化石能源消耗；参考和 REmap案例，2016 年和2050年（EJ/年））

电力在终端能源使用中的份额将从19%增加到近50%。电动和电热将发挥越来越大的作用。到2050年，大约70%的汽车、公共汽车、两轮车和三轮车以及卡车将由电力驱动。此外，在最终消费中，约8%的电气化份额将归因于可再生氢（例如，用作工业燃料）和其他运输燃料。

可持续来源的生物质能源也是能源转型的重要组成部分。先进的液体生物质燃料，特别是用于航空、重型货运和航运的液体生物燃料，在某些行业将是至关重要的，需要扩大规模（IRENA，2016a）。生物质能源在可再生能源技术不太适合的应用中也很重要，例如工业中某些类型的高温过程热。

（三）电气化的未来

利用低成本可再生能源和终端用能电气化之间的协同作用是降低能源相关CO2排放的关键解决方案。与参考案例相比，REmap案例提出了实现70%以上减排的轨迹，而这些减排的60%是通过可再生能源和供热及运输电气化应用实现的。

日益增长的电力系统将改变电力部门与需求之间的互动方式。到2050年，86%的发电将是可再生的，60%将来自太阳能和风能。风电和太阳能光伏发电将主导电力扩建，到2050年，装机容量将分别超过6000GW和8500GW。

当生产如此多的可变可再生能源（VRE）时，匹配供需将需要一个日益智能化、数字化和灵活的电力系统（IRENA，2019c）。未来电力系统将与今天不同，分布式能源、电力交易和需求响应方面的份额将显著提高。

到2050年，电力在终端能源中的份额将从目前的20%增加到近50%。工业和建筑用电的比例将翻番。在运输方面，到2050年，这一比例需要从目前的1%提高到40%以上。

交通部门的转型最大。到2050年，电动汽车的数量将超过10亿辆。城市化在世界范围内迅速发展，清洁的交通和颠覆性的服务解决方案是保持城市宜居的必要条件。有轨电车、公共汽车、两轮和三轮汽车，以及以可再生能源电力为动力的乘用车、非机动车辆将成为城市交通的主要形式。这可以通过智能城市规划、充电和供应基础设施的推出以及智能监管来实现（IRENA，2019b）。互联互通和大数据的应用，加上自动驾驶和共享行为，可以带来更多的移动服务解决方案，这将有助于降低能耗，提高交通运输的能效。

为建筑、城市发展项目及工业开发和部署可再生的供热或制冷解决方案也是关键。例如，丹麦奥胡斯的区域供热网络同时使用电锅炉和电热泵，这是该国利用风力发电满足一半电力需求计划的一部分（IRENA，2017e）。此外，电加热和制冷在需求方面提供了相应的灵活性，允许电力部门和终端使用部门之间的更大耦合，以及更多地利用可变发电源。

图4 到2050年，电力成为主要能源（2016年能源载体总终端用能（TFEC）分类和REmap案例2050（EJ））

到2050年，电力部门的规模将扩大一倍以上，并将因新增超过14000GW的太阳能和风能容量而发生根本性转变。该部门将需要更大的灵活性，以适应太阳能和风能的每日和季节变化。需要在广泛的技术和市场解决方案中采取灵活的措施（IRENA，2018c）。例如，国家或地区电网之间的互联有助于平衡电力供需。

智能电表可以实现实时定价，从而有助于将需求转移到电力供应充足的时期。80%的住宅单元将需要安装智能电表，电网将提供9太瓦时的储能（不包括抽水蓄能），以及14太瓦时的电动汽车电池。电解槽的容量也需要大幅增长，以生产可再生的氢气。需求侧管理（例如在工业中）可以将负荷转移到高峰供电时间，其他形式的电力储存（例如在建筑物中在夜间供电）和智能电网将有助于进一步整合各种可再生能源，而实时市场价格将使发电的价值在不同的时间进行评估。新的监管框架必须允许新参与者进入电力市场，并反映出公用事业和消费者不断演变的角色。

所需的一些灵活性将在供应方面，通过存储、电网互联以及新的市场和运营规则成为可能。然而，需求方面也可以发挥重要作用。例如，可以调整电动汽车充电、热泵使用或制氢，以匹配可再生能源的可变发电量或提供储能。电动汽车可以储存几个小时电能，而热能可以储存几天，氢气可以储存整个季节的能量。

（1）投资、成本和补贴

无论世界走哪条路，满足未来几十年不断增长的全球能源需求都需要大幅增加投资。在参考案例中，到2050年，能源系统的累计投资（包括基础设施和能效）将接近95万亿美元，而在REmap案例中，将增加到110万亿美元。要实现《巴黎协定》的目标，就需要将投资从化石燃料转向可再生能源、电气化技术和能效，这需要在2050年之前额外投入15万亿美元。

可再生能源技术日益成为成本最低的电力供应选择。随着成本的持续下降、技术的改进和创新带来更多的应用，可再生能源市场将迅速增长。在REmap的案例中，到2050年，可再生能源、电气化技术和能效需要近90万亿美元的投资，这将形成一个巨大的市场。到2030年可再生能源市场将达到每年7300亿美元，到2050年将达到每年6800亿美元。相比之下，2018年的投资为3320亿美元（包括大型水电）。因此，到下一个十年结束时，年度投资需要增加一倍以上。

然而，一个严重依赖可再生能源的能源系统将不同于过去的系统，需要在电网、互补基础设施和能源灵活性方面进行大量投资。在参考案例中，这些项目的投资将达到9万亿美元。在REmap项目中，还需要追加4万亿美元，总共需要13万亿美元。如果将这些额外的投资需求、运营和维护以及燃料节约计算在内，REmap案例（与参考案例相比）的能源系统增量成本到2050年将达到1万亿美元。到2050年，累计额外的系统成本将达到21万亿美元。然而，与收益相比，这些额外的成本是很小的。大量减少化石燃料的使用将减少空气污染，改善健康，减少气候变化影响造成的损害。到2050年，由此节省的成本将达到平均每年5.3万亿美元，是当年脱碳系统额外成本的五倍多。

图5 风能和太阳能在可再生能源发电中占主导地位（按行业（TWh，%）划分的电力消耗、发电组合（TWh/年）和按燃料划分的发电装机容量（GW），2016～2050年REmap案例）

此外，在几乎所有现代能源使用时代，能源部门都是在一系列扭曲了市场运作的化石燃料补贴下运作的，而且往往是在积极寻求补贴。2015年对能源行业的补贴总额至少为6050亿美元，其中化石燃料补贴约占四分之三（4500亿美元），而可再生发电补贴约为1100亿美元，液体生物燃料补贴为250亿美元。因此，近年来，对化石燃料的补贴超过了对可再生能源补贴的四倍左右。在参考案例的现行和计划政策下，假设有类似的补贴政策，到2050年，能源行业的总补贴将增加到每年约8650亿美元。

在REmap的情况下，能源部门的年度补贴将从2015年的每年至少6050亿美元降至2050年的每年约4700亿美元。在REmap情况下，到2050年，低效的化石燃料补贴基本上被取消，但考虑到减少过程排放的困难，对工业碳捕获和储存的补贴仍然存在。在REmap案例中，尽管补贴将用于支持不同类型的技术，但补贴工作将迅速重新平衡，转向能效和可再生能源（主要用于改造建筑物和在建筑物及工业中使用可再生能源）。

在可再生能源领域，随着对发电技术的补贴不断减少，到2050年将被取消，还需要通过一段时间来实现再平衡，而支持工业和运输部门脱碳所需的可再生能源和能效技术部署的补贴将不断增加。这种从化石燃料（这也将导致消费降低，从而有助于减少其负外部性）到可再生能源的补贴的重新平衡，将提高能源部门相对于参考案例的经济效率，通过重新平衡投资，使之远离化石燃料及其巨大的外部性成本。

从现在起到2050年，REmap案例将导致参考案例中化石燃料补贴累计减少15万亿美元（假设类似的补贴政策）。如果REmap案例中增加了对可再生能源的支持，到2050年，能源部门补贴的净减少额将达到10万亿美元。

图6 将投资转向能效、可再生能源以及热能和交通的电气化（2016～2050年参考和REmap案例累积投资（万亿美元））

因此，减少外部性和避免补贴所节省的费用超过了额外能源系统成本的三到七倍，从而累计节省了65万亿到160万亿美元。或者，换个角度看，每花1美元用于能源转型，就会有3美元到7美元的回报。此外，这些节余没有考虑到可再生能源部署和能源效率带来的额外好处，其中包括减少用水、增加就业机会和提高国内生产总值，以及与可持续发展目标的积极协同作用。分析还表明，福利状况将普遍改善。

（2）与其他能源情景的比较

IRENA的REmap分析可以与其他主要能源研究的情景进行比较。对这些情景的评估表明，人们对可再生能源在未来几十年的能源结构中将发挥越来越重要的作用达成了共识。

许多情景支持本报告中提出的REmap案例的结果，这表明能源系统的脱碳应在很大程度上依赖可再生能源和能效。人们对可再生能源发电的作用以及电气化在最终能源消耗中的作用达成了共识，在大多数情况下，2050年可再生能源发电的比例都在70%以上。对比分析还表明，能源需求、能效和可再生能源份额之间存在明显的相关性（图8），可再生能源份额较高的情景也是效率较高的情景，因此总体能源需求较低。

然而，在终端使用部门的电气化水平和CO2排放量的减少水平等方面存在差异。结果上的主要分歧可以由情景背后的不同目标来解释。对于大多数人来说，分析的定义是需要减少与能源相关的CO2排放量，以将温升保持在2℃或1.5℃；其他人则从更商业化的角度对能源系统进行建模。

图7 与支出相比，能源转型的益处（2016～2050 年期间系统成本（投资、运营成本）、补贴节约和减少的外部性节约细分（万亿美元））

二、衡量能源转型的社会经济足迹

必须使经济和环境目标更加一致，特别是减少以化石燃料为基础的世界经济对气候的影响，这促使能源系统进行深刻的结构调整。为了使转型取得成功，政策必须建立在对不断发展的能源部门和更广泛的经济之间的相互作用进行更全面评估的基础上。在一个气候变化和可持续发展行动迫在眉睫的时代，这些相互联系延伸到人类经济活动与地球自然系统的许多方面，能源转型不能脱离更广泛的社会经济体系。事实上，能源系统的变化对整个经济都有影响。

IRENA的社会经济足迹分析为转型过程提供了一个视角。它使用综合模型和指标来衡量国内生产总值（GDP）、就业和人类福利方面的可能影响（见图9）。对影响结果的驱动因素和动态因素的分析，可以为我们提供有价值的见解，帮助我们了解如何塑造整个转型过程，使这些利益最大化，并降低转型成本。

整个经济的国内生产总值和就业影响分析如下。

此分析建立在IRENA的工作基础上，其工作重点是衡量能源转型的经济和效益，以及评估可再生能源就业（IRENA， 2019d，2018d，2017d，2017g，2017h， 2016b；IEA和IRENA，2017）。该分析深入探讨了宏观经济变量，以呈现REmap路线图在当前社会经济体系下在全球和区域层面的社会经济足迹。

为了深入了解支撑社会经济足迹的结构要素，IRENA的宏观经济分析将结果分解为不同的驱动因素。用于分析GDP和就业足迹的主要宏观经济驱动因素包括投资、贸易、税收变化以及间接和诱发效应。在就业方面，“消费者支出”驱动因素综合了税收、间接效应和诱发效应的影响，同时捕捉了其他与劳动力相关的动态效应。在不同地区，这些驱动因素与特定地区的社会经济系统相互作用，导致不同的转型结果。

图8 关键情景下的可再生能源份额和能源需求预测（2040～2050年可再生能源份额（%）和一次能源供应总量（EJ））

图9 能源转型及其社会经济足迹

这种转型带来的社会经济效益远远超出了GDP的衡量能力。关于就业成果，除了全球经济就业，该分析还深入研究了能源部门及其组成部分（如可再生能源、能效、电网升级和能源灵活性）。一项包含经济、社会和环境方面的福利指标被用来量化更广泛的转型影响。

纵观世界经济，从2019年到2050年，无论是在参考案例还是Remap案例的情况下，GDP都在增长。然而，能源转型刺激了额外的经济活动。与参考案例相比，REmap案例在2050年使GDP增长了2.5%。2019年至2050年的复合年增长率（CAGR）从参考情景中的2.4%增加到REmap情景中的2.5%。虽然这似乎是一个微小的差异，但从2019年到2050年，与参考案例相比，REmap案例的累计GDP收益达到了2015年的99万亿美元。

图10展示了以GDP衡量的Remap案例能源转型的全球社会经济足迹，并对主要宏观经济驱动因素进行了细分：投资、贸易和由税率变化引起的消费者支出变化、间接和诱导效应。

短期内，对全球GDP的净正面影响主要是由于可再生能源发电能力、能效和支持转型的能源系统灵活性方面的前期投资刺激。随着时间的推移，这一驱动因素的整体影响逐渐减弱。

从2022年到2050年，税率变化导致的消费者支出增长成为GDP演变的主导因素。这一驱动因素反映了碳税、化石燃料逐步淘汰，化石燃料使用费和其他税收的变化对政府收入的影响。该模型假设政府总收入没有净变化。收入的收益或损失通过减少或增加所得税的方式循环到民众身上，这将推动家庭可支配收入和消费的上升或下降，导致GDP也上升或下降。在当前的REmap足迹分析中，假设碳税与全球变暖2°C的目标相一致。这些碳税和相关的收入循环是影响GDP的主要因素，由于“由于税率变化而导致的消费者支出的变化”驱动因素如图10所示。

应当指出，增加碳税对GDP的积极影响可能掩盖了其他负面的社会经济影响。增加碳税会引发整个经济体的能源和其他消费品价格上涨。这种价格上涨的总体平均影响可以从GDP的诱导和间接驱动因素（图10）的小而最初的负面影响中看出，但收入分配较低的部分可能会经历这种不相称份额的影响。因此，如果没有适当的政策来分配负担，碳税可能会导致不平等和增加转型障碍。

正如预期的那样，鉴于全球贸易在名义上保持平衡的内在要求，全球贸易在整个转型过程中对全球GDP增长的影响较小。

在参考案例和REmap案例中，2018年至2050年全球经济总体就业增长，复合年增长率分别为0.45%和0.46%。

由于全球经济的额外需求也推高了实际工资，因此就业增长预期不如GDP显著。可获得的额外工资量既可以转化为所有工人的工资增长，也可以转化为工作岗位数量的增加，或者两者兼而有之。历史趋势表明，工资效应往往占主导地位，导致就业增长小于GDP增长。

就整体经济就业而言，图11显示了REmap案例和参考案例之间全球就业相对差异的演变。就业的相对差异在2035年左右达到峰值，REmap案例比参考案例提高了0.20%，然后稳定在参考案例的0.16%左右。在投资驱动的最初积极影响之后，这种影响逐渐减弱，并变得略为消极。这种行为反映了投资的前期负荷（见图10）和其他就业强度较高的经济部门的挤出效应。“消费支出变化”驱动因素的积极影响主导着整体经济就业的结果。贸易驱动力对就业足迹指标产生了负面影响，最初与燃料净贸易的变化有关，但在2035年后，非能源贸易的变化加剧了这一影响。

虽然REmap转型对整个经济的总体就业影响不是很显著，但能源部门的就业影响非常积极，与转型相关的新工作岗位（可再生能源发电、能效和能源灵活性）大大超过了化石燃料部门失去的工作岗位（IRENA，2019d，2018a、2016b）（IEA和IRENA，2017）。如果与能源相关的工作岗位大幅增加，而整体经济中的工作岗位数量几乎没有增加，这就意味着一些与能源无关的部门的工作岗位正在减少——部分原因是挤出效应。

这些就业趋势要求考虑扩大公正转型的概念框架，并明确要求解决能源部门和其他经济部门内与过渡有关的新工作与失业之间的时间、空间和教育不匹配问题。因此，需要制定具体的政策来解决这些不匹配问题，以确保转型的结果仅限于能源部门和其他领域。当务之急是在整个社会经济体系中以全面的方式制定转型政策，以便从协同作用中获益，并从根源上解决冲突。

图10 2019～2050年REmap案例与参考案例的全球GDP相对差异

图11 2019～2050年REmap案例与参考案例的全球就业相对差异

应当指出的是，所呈现的主要社会经济成果（GDP和就业）并未反映气候变化的影响，而气候变化正是能源转型对经济的驱动力。宏观经济模型假设经济活动不受气候变化的影响，因此，参考和重新映射案例都将按照其宏观经济路径进行。

三、现在需要行动

可再生能源、能效和电气化是能源转型的三大基石。这些支柱的技术现在已经具备，可以快速大规模部署，而且具有成本竞争力。

《巴黎协定》于2015年签署。自那以后，与能源相关的二氧化碳排放量上升了约4%。未来几年至关重要：各国需要实现集体雄心水平的飞跃。2020年对国家自主贡献（NDC）的修订，结合长期战略，必须为能源转型带来令人信服的结果，使世界走上减少排放的全球道路，尽管对所需的缓解措施和可再生技术的快速发展存在不同的看法。需要采取的一些关键行动。