国内城市能源系统清洁低碳转型研究综述

陈军华 唐 坤 龙 彬

(西南石油大学 经济管理学院，四川 成都 610500)

0 引言

回顾世界能源转型史，迄今为止人类历史上发生了两次能源转型。在19世纪初发生了由生物质能向煤炭的第一次能源转型。20世纪发生了第二次能源转型，可将其划分为两个阶段：前一阶段发生在上世纪60年代，呈现为石油对煤炭的替代；后一阶段发生在上世纪70年代，呈现为核电与天然气的增长。目前，第三次能源转型正在进行中，清洁能源与可再生能源成为实现能源转型的关键性目标能源，对清洁低碳能源体系的构建以及经济社会的发展具有重要意义。一部分学者对能源转型的特点进行了总结，并将其形象地概括为“固体-液体-气体”的转型，并且在每一次转型中都呈现出了低碳化的特征。城市作为能源消费的主领域，集聚了全球50%的人口，创造了80%的GDP、消费了75%的自然资源以及80%的能源供应，产生了约75%的碳排放(王雪，2018)。因此，研究城市能源转型对实现中国温室气体减排目标，促进经济绿色低碳与高质量发展具有重要意义。在城市能源清洁低碳转型过程中技术、制度和外部环境通过不同主体的多重实践和相互作用紧密地交织在一起。为此，在研究城市能源利用的清洁低碳化问题时，需要从技术、制度、外部环境因素以及之间的耦合进行分析。

本文主要从以下3个方面对城市能源系统清洁低碳转型发展进行文献梳理：第一，基于社会-技术转型理论的城市能源系统清洁低碳转型影响因素；第二，城市能源系统清洁低碳转型发展的情景设计与驱动路径；第三，在多主体多环节下城市能源系统低碳转型发展的政策协同机制。

1 基于社会-技术转型理论城市能源系统清洁低碳转型影响因素

社会—技术制度转型理论在1994年由Kemp et al.(1994)首次提出。这一理论的特点是从社会—技术环境探索能源系统低碳转型的驱动机制。近年来，许多学者对社会-技术理论展开了研究与应用，Geels等学者提出多层次框架，RenéKemp、Jan Rotmans等人提出转型管理理论。

在社会—技术多层次框架理论下，能源系统的低碳转型受创新利基、社会技术制度因素、宏观环境(外部环境)因素的共同影响(Essletzbichler, 2012)。其中，创新利基是微观层面的问题，是促使低碳转型最直接的影响因素，被誉为是低碳转型新技术的“孵化室”；社会技术制度因素是中观层面的问题，指目前主要的制度和技术环境特征；外部环境因素是宏观层面问题，指政治、社会、经济和文化。转型是创新利基、现有体制、宏观环境各因素之间相互作用的结果。其作用过程是：外部环境的变化对现有的体制产生压迫，并为利基出现带来机会，随着利基的发展与壮大，其对资源的配置能力以及制度的影响力就会不断提升，这时就会与已有的社会技术体制产生碰撞，使现有体制的稳定状态被打破，进而推动新技术的出现以及体制的改革，并对外部环境产生影响(Geels，2004)。

在社会-技术转型管理框架理论下，转型管理由转型战略管理(长期)、转型策略管理(中期)、转型运作管理(近期)三个层次所构成。转型战略管理注重可持续性发展观念与文化的建立；转型策略管理注重社会-技术体制本身的优化，例如技术、产品、政策等；转型运作管理注重转型中的实践活动，通过一系列的实践活动使得利基出现并逐步成长壮大，进而实现对现有社会-技术制度的革新或代替。转型管理理论不同于传统的线性管理，注重现有的政策体系要与愿景相匹配。并在可持续性的要求下根据愿景制定分阶段的目标，并在目标下制定具体的政策措施以及实施方案，通过阶段化目标的完成，实现愿景达成最终目标。

1.1 城市能源系统清洁低碳转型的关键技术与驱动制度

以信息技术和新能源技术为代表的第三次科技革命正在全方位、多角度影响着城市能源利用模式的转变。当前第三次能源转型正在进行中，其特征表现为信息技术与清洁能源、可再生能源相衔接的分布式智能化能源体系，代替以化石能源为主的集中式能源体系，向绿色、低碳的可持续发展道路转变。为此，金之钧(2020)指出能源科技的发展对未来的能源格局具有深刻的影响，因而在能源转型的过程中要注重把握能源领域未来科技发展趋势。具体来说，何建坤(2014)指出氢能在能源转型过程中扮演着重要角色，而氢能技术则是这一转型过程中的关键。此外，在城市能源利用转型技术分析中，激励清洁与可再生能源发展技术进步已经成为一个热点研究领域。张昱(2019)在对北京市城市交通能源转型进研究后指出要重视节能技术的发展，并加大在节能技术方面的投入，在技术层面深入挖掘节能潜力，以期更好地完成城市交通能源的转型。陈贵锋等(2014)指出在大型煤炭生产基地,推广与实施先进技术,将煤炭转化成清洁的能源和原材料,对实现煤炭清洁高效利用具有重要作用。王少哲(2014)指出在推进清洁能源技术市场化的进程中，专利保护起着重要作用，为此我国应当加强对清洁能源技术专利政策与法律层面的支持，进而推动能源系统的清洁低碳化发展。Nicolli and Vona (2016) 通过对可在生能源政策与市场调节对不同可在生能源创新技术活动影响的研究，表明放宽进入限制是可在生能源创新更为重要的驱动因素。

由于资源配置时交易成本的存在，因此制度因素对资源配置效率起着至关重要的作用(诺斯，1992)。此外，实现制度机制的优化设计，降低交易成本，是提升效率的重要基础(Coase, 1960)。因此，在分析城市能源清洁低碳化利用的问题时，越来越多的学者开始关注制度因素的影响作用。关婷等(2016)指出提高能源利用效率能够促进节能减排、经济绿色发展与加快能源转型的步伐，而要提高能源利用的效率，必须要有合理的制度保障。同时，谢旭轩(2014)指出要推动能源生产和消费革命，现能源转型离不开制度保障。此外，鲁刚(2018)在城市能源变革的研究中指出，我国城市智慧能源系统的构建从设计到落地在理论、技术、实践方面还存在大量的难题，解决这一难题需要集成创新，更需要体制机制方面的变革。盛春红(2019)指出，我国在能源转型的过程中应当完善法律机制、信息公开透明机制以及财政机制的建设。为此，应加快能源体制、机制改革，从制度上保障城市能源转型的可持续性。

1.2 城市能源系统清洁低碳转型的外部环境压力

宏观环境(外部环境)的变化是推动社会-技术-制度体制改革的根本性因素。吕涛等(2015)指出，宏观环境主要是由政治、经济、文化、社会因素所构成。通常来说，宏观环境的变化是一个较为漫长的过程，但是只要其发生变化，便会对现有的体制产生强大的压迫力，弱化甚至于打破现有的体制结构，并为利基的出现提供窗口。党的十九大提出“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳安全高效的能源体系”。我国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段，提出发展环境友好型的低碳经济。全球气候变暖、化石能源的可耗竭性、生态环境的破坏与城市雾霾污染，给我们的生产生活带来了巨大的环境压力。资源节约型环境友好型社会理念提出、绿色低碳宣传的力度不断加大，人们的环保意识不断增强。孙祥栋等(2017)通过对我国能源转型过程中外部环境的约束与规律以及能源生产与消费现状的分析，认为能源体系的清洁低碳是未来的发展方向。周志洪等(2018)认为随着我国外部环境的变化，应对电力体制的改革提出新要求，为此国网公司应当及时应对外部环境的变化对其供电服务体系进行优化与升级，以推动我国能源系统清洁低碳转型的顺利进行。

1.3 技术、制度因素通过外部环境对城市能源系统清洁低碳转型作用机制

技术、制度因素对城市能源系统清洁低碳转型的作用机制包括直接作用与间接作用两条路径，直接作用主要体现在能源转型相关的技术进步及政策措施对城市能源系统清洁低碳转型产生的直接影响，间接作用主要是指技术、制度因素通过外部环境对城市能源系统清洁低碳转型产生的影响。聂龑等(2017)将电网转型分为4个阶段:外部环境压迫阶段、多利基涌现阶段、优势利基成长阶段、新体制建立阶段。这4个阶段依次推进、相互协调，形成连贯的转型战略，完善了电网转型机制的建设。对现有文献进行梳理时发现，关于技术、制度因素通过外部环境对城市能源系统清洁低碳转型的作用机制的研究还基本处于空白，然而厘清技术、制度—外部环境—能源系统清洁低碳转型这一传导路径中各因素之间的作用关系，对推动城市能源系统清洁低碳转型具有重要现实意义。

1.4 基于转型管理理论的城市能源系统低碳转型

转型管理理论强调当前策略要与长远的愿景相一致，为此许多学者将其运用到城市能源系统低碳转型的可持续性研究中。李彪铭(2019)指出在城市能源系统中，城市能源规划与城市规划政策、城市总体规划及其他层次的规划应紧密结合。城市能源战略实施中，要注重城市基础设施建设与城市能源战略相匹配，推动城市发展规划与能源规划的长期协调发展。罗曦(2016)在对城市能源进行规划时，建立了宏观层面、中观层面、微观层面的低碳能源规划体系，这有利于能源结构的调整、提高城市能源利用效率以及低碳城市的建设。另外，瑞典斯德哥尔摩环境研究所开发了LEAP模型(Giatrakos etal, 2009)，它可模拟未来中长期时间段内的各情景下的能源消费量及CO2排放情况，为城市能源转型战略与策略的制定提供信息技术支持。

2 城市能源系统清洁低碳转型发展的情景设计与驱动路径

中国提出在2030年碳排放达峰目标，为此有学者通过能源规模型对能源系统低碳转型情景进行分析，提出可再生能源的最优接入方案。刘国旺(2019)指出推进全球能源转型需遵循4个路径：一是推动能源终端利用环节从“肮脏”向清洁转型；二是推动能源供应链从高碳向低碳转型；三是推动能源利用方式从低效向高效转型；四是推动能源产业由传统向智能发展，使电子信息技术与新能源技术紧密结合，打造绿色低碳智慧能源系统。本文主要从节能减排与利益协调约束、产业结构优化路径、市场化改革路径、区域能源交易路径4方面对城市能源系统清洁低碳转型发展的情景设计与驱动路径展开文献梳理。

2.1 节能减排与利益协调约束下的城市能源清洁低碳化情景设计

目前，有许多关于能源系统分析的模型，但是只有四个：EnergyPLAN、Mesap PlaNet、INFORSE和LEAP已经模拟了100%的可再生能源系统的利用情形。其中，EnergyPLAN、Mesap PlaNet 可以实现进行1小时或更短时间步长的分析。由于EnergyPLAN 模型操作性更强、使用更简便，所以更经常地被用于能源系统分析，然而运用该模型对中国能源系统进行分析的研究还比较少。孙肖杨(2017)采用 Energy PLAN模型以及多指标评估方法对我国能源转型中可在生能源组合的选择进行了评估。在综合考虑碳减排、投入成本、多余电量的产生、能源系统的可持续、水电资源的限制等因素之后得出：低核电-均衡情景(16.55%的水电、13.72%的风电、8.79%的太阳能光伏发电)是可能最易实现的情景。此外张春成等(2016)利用Energy PLAN模型对未来可再生能源的发展情景进行了分析，以京津冀地区为例构建了基准情景、中等情景、高等情景三类情景，并分析了每种情景下在2016、2020、2030年这三个时点的可再生能源发展状况。最后得出，政府需要在当前政策的基础上进一步加大可再生能源发展的政策激励。

2.2 产业结构调优化路径对城市能源系统清洁低碳转型发展的影响

产业结构中第一产业、第二产业及第三产业之间的相互转化以及每个产业的内部调整都会对城市能源系统清洁低碳转型产生重要影响。在我国，第二产业在城市经济社会发展中扮演着重要角色，但由于其工艺流程的自身特点在日常的生产作业中需要消耗大量的能源，不可避免地造成大量的碳排放。因此，其内部结构的调整以及规模大小的改变均将极大程度影响着城市能源系统的清洁低碳转型发展。马丽梅(2018)指出一定的产业基础是能源转型的必备条件，优化产业结构将为能源转型奠定重要基础，并在能源转型的阶段式发展路径中指出2025—2035年中国的人均GDP将与产业结构处于同一水平上，并且已经实现了中等收入陷阱的跨越，经济发展质量得到提升，因此在能源消费上可以制定较高比例的可再生能源发展目标。在这一期间，我国的能源转型应当围绕着产业革命展开，甚至于由其决定。另外，王震(2016)指出我国的工业化进程在世界上已经取得了不错的成就，国内工业生产总值在2010年首次超过日本，并在此后一直位居第二，且与美国的差距不断缩小，与此同时我国能源消费以及碳排放总量也连续多年保持世界第一的位置。煤炭在我国能源消费中长期占据着半壁江山，大量的碳排放给我国带来了严重的环境问题，这与我国产业结构的不合理密不可分，与美日德等发达国家相比我国第三产业在经济中的占比仍然偏低。能源转型与产业结构的转型升级互为依存关系，为实现能源系统的清洁低碳化发展，必须加快产业结构优化升级的步伐。

2.3 市场机制改革路径对城市能源系统清洁低碳转型发展的影响

市场机制改革是能源清洁低碳化利用的重要驱动力。如何发挥市场机制的作用，通过竞争手段来促进城市能源清洁低碳利用，已经得到了越来越多国家的关注与重视(Meyer,2004；Zarnikau,2011)。关于市场化机制改革，已有许多学者从财税机制、价格机制改革的角度对能源的清洁低碳化转型展开研究，认为财政补贴政策对低碳能源的发展有正向效应(Carley, 2009；Zhao et al., 2013； Polzin et al., 2015；Romano et al., 2017)。目前可再生能源利用技术尚不成熟，相对于其他能源来说在成本上不具有竞争力，因此仅仅凭借市场的自我调节难以推动可再生能源的发展，为此要想推动能源系统的清洁低碳化转型，政府应当充分发挥宏观调控的作用，利用“有形的手”制定一系列财税政策与措施助力可再生能源的发展。盛春红(2019)在对德国能源转型进行研究后指出，财政机制是公众参与能源转型的经济保障。德国将许多能源转型项目的财政补贴政策对公众进行开放,以保障公众能够在能源转型中获得收益。这种财政政策与直接对企业进行补贴有着明显的区别,是以公众需求为导向的财政补贴，这种以市场方公众需求为导向的财政政策更具有针对性。而我国在能源改革方面的财政措施政策针对公众为补贴对象的还比较少,大部分都是针对产品和服务的供应方企业进行补贴。为此，应当加快财政机制改革，以适应市场的灵活需求。

可再生能源在近些年来迅速发展，已经成为我国能源供应形式之一。当前我国正在进行新一轮电力体制改革，关于可再生能源的消纳问题，康重庆指出应当进行市场化改革，建立完善的价格补贴机制以及交易机制(康重庆等，2016)。许多学者对电力的价格机制改革进行了研究，其中肖云鹏指出我国目前电力市场价格机制过于单一，不利于对电力市场的供需两侧进行挖掘，为此我国应当提升电力价格机制的灵活性，使价格更能够反映供需两侧的实际情况，推动电力市场的持续健康发展(肖云鹏，2018)。2019年10月，我国开始进行新一轮煤电上网价格机制改革，主要特征是将原有的燃煤发电标杆上网电价机制转变为“基准价+上下浮动”的市场化价格机制。并将煤电价格形成机制的理论与实践相结合，系统分析现行的煤电价格机制存在问题，得出需要进一步加快价格机制改革的结论，以推进煤电在新定位下继续发挥支持能源转型的作用，使煤电发展中的矛盾得到有效缓解(赵毅，2019)。

2.4 可再生能源并网路径对城市能源系统清洁低碳转型发展的影响

可再生能源存在不稳定、不可调等缺陷，因此不可避免地引发产能过剩问题，目前中国部分城市在可再生能源利用过程中出现严重“窝电”现象，其内部电能饱和而多余产能又难以实现外输。在此背景下，亟需推进高压电网等新能源产业配套设施建设一体化，推动能源设施调控一体化，以减少可再生能源资源的浪费，为可再生能源发电并网提供稳定的渠道，实现城市电力资源的有效整合及优化配置。肖云鹏在对电力市场进行研究后指出，我国可再生能源还存在着地区分布不均衡的问题，不利于对可再生能源进行充分利用。他提出应当加快电网基础设施的建设，提升其互联互通的水平；逐步建立完善的跨区跨省电力交易机制，实现可再生能源的有效消纳(肖云鹏，2018)。也有学者对区域能源的协同消纳进行了研究，苏铭指出云贵川渝区域清洁电力协同消纳和外送存在瓶颈制约：一是因为除了既有通道拥挤、外送通道与电源建设时序不匹配外,云贵川渝4省市之间电力基础设施互联不足、协同消纳和外送能力差。二是因为由于跨省跨区电力交易涉及相关市场主体所在省(市)的直接利益,而各省(市)电力市场开放程度不同、准入标准不一、隐形壁垒依然存在,跨省跨区电力交易机制远不健全,也对区域电力市场建设和清洁电力协同消纳构成显著制约。为此她提出应探索建立云贵川渝区域能源电力市场,加快区域内联网及外送通道建设,提升水电协同消纳能力，推进能源基础设施共建共享,协同保障能源供应安全(苏铭，2019)。

3 多主体多环节下城市能源系统低碳转型发展的政策协同机制

政策协同的内涵包含了多重含义，被看作是政策配套、政策整合、政策协调等多个政策研究领域的宏观概念(Meijers E，2004)。政策协同意味着政策的一致性、综合性，取决于政策要素与政策子系统之间的相互合作，能够形成不同于单独微观子系统或是其简单线性加总的综合宏观政策系统，从而达到政策间彼此协作、兼容、相互促进的结果(李荣，2019)。Fischer(2008)通过对减少二氧化碳排放和促进可再生能源创新与推广的不同政策进行评估，发现相对于单一政策而言政策协同在推动节能减排的过程中使运行成本的降低更为显著。薛奕曦等(2016)指出，由于能源低碳转型涉及多区域、多部门和多主体,不同主体有着不同的利益诉求，协调不同主体之间的利益诉求对能源转型合力的形成尤为关键；因此,要确保能源转型过程中不同利益主体之间的一致性和协同性。陈国平(2020)提出能源转型这一过程中，推动新能源高质量发展是一项复杂的系统工程，需要政府的科学指引以及全行业共同努力。此外，史丹(2018)指出在我国“煤改气”“煤改电”的过程中应避免“一刀切”的做法，应当注重能源政策之间的协同，以推动京津冀的绿色协同发展。总之，城市能源的清洁低碳化利用是一个多层次、多规模、长期性和相互联系的复杂问题，它涉及到多个主体的决策，涉及到不同利益集团的博弈，多部门、多主体以及政策间的协同运行是保障城市能源清洁低碳化转型目标实现的重要基础。

4 研究现状与发展动态评述

从上述文献综述中可以看出，相关学者已经对城市能源系统清洁低碳转型的影响因素以及如何有效促进进行了大量研究，取得了许多有价值、有意义的结论。但是现有研究仍然存在以下不足之处：第一，通过对现有文献进行梳理发现，大多数学者主要是从技术、制度、外部环境某一方面对能源的清洁低碳转型展开研究，而很少从技术、制度、外部环境的耦合角度出发，研究技术、制度—外部环境—能源系统清洁低碳转型这一传导路径中各因素之间的作用关系，以及推动多因素协调发展的城市能源系统清洁低碳转型的正向传导机制。第二，通过对现有文献的梳理，本文发现现有学者关于能源转型中可再生能源选择情景的对比分析较少。此外，EnergyPLAN模型由于操作性强、使用方便而被经常用于能源系统分析，但是运用该模型对我国城市能源系统研究还比较少，这不利于我国城市能源转型过程中能源系统的情景设计以及转型路径构建，也不利于我国城市能源转型的可持续进行。第三，通过对现有文献的梳理，本文发现关于城市能源系统低碳转型发展的政策协同机制以及可再生能源消纳的实证研究还比较缺乏，多数学者主要从理论层面提出宏观的政策或方案。尽管这些方案具有一定的合理性，但是缺乏严密的数据以及逻辑推理作为支撑，可能会出现政策或方案与实际不符的情形，进而阻碍我国城市能源转型的进程。第四，尽管现有文献对我国能源转型过程中“煤改电”“煤改气”的研究较为丰富，但是从多部门技术耦合、利益协调以及高成本问题与补贴有限角度，对城市可再生能源综合利用技术方案与“煤改电、煤改气”方案的可持续瓶颈问题的研究还比较缺乏。为此，本文认为可以从以上不足之处对城市能源系统的清洁低碳转型展开进一步研究，完善城市能源系统清洁低碳转型理论体系，注重制约城市能源清洁低碳转型过程中瓶颈问题的解决，进而推动我国城市能源系统清洁低碳转型的可持续进行。