基于情景设置的全球能源发展趋势分析

刘之琳，李江涛，唐 伟，张成龙

(国网能源研究院有限公司，北京市昌平区，102211)

每年全球有十余家不同机构都会发布“全球能源展望”，其中绝大部分都采用了情景展望的方式。2020年至今，在全球应对气候变化下的温升控制目标和新冠肺炎疫情影响下，各机构全球能源展望出现了一些新变化。全球能源展望报告的发布机构主要包括国际能源组织(包括国际能源署(IEA)、国际可再生能源署(IRENA)等)、各国能源研究和咨询机构(包括美国能源信息署(EIA)、日本能源经济研究所(IEEJ)等)、能源公司(包括英国石油公司(BP)、壳牌石油公司(Shell)等)。国内开展能源展望的研究机构主要有国网能源研究院(SGERI)、中国石油经济技术研究院、全球能源互联网发展合作组织等。各个组织在呈现各自的能源展望时，必然会从不同的立场出发。笔者基于对各个报告的情景设置与展望结果进行对比研究，分析世界能源发展的未来趋势。

1 情景设置

对11家主要机构在2021年12月之前发布的全球世界能源展望报告中的27个情景进行聚类，如表1所示。此27个情景又大致可分为3类。

(1)第一类情景为延续发展，设计的思路是“延续当前，未来走向何方”，主要是延续当前经济社会发展、能源政策导向、技术进步创新趋势或有限的新政策假设。主要包括IEA 既定政策情景(IEA STEPS)、IRENA基准情景(IRENA BES)、WEC硬摇滚(WEC HR)、EIA参考情景(EIA RE)、IEEJ参考情景(IEEJ RE)、BP一切如常情景(BP BAU)、OPEC参考情景(OPEC RE)、Equinor竞争情景(Equinor RV)、SGERI基准情景(SGERI RE)。

(2)第二类情景为变革转向，设计思路是“采取行动，未来转向何处”，主要通过变革行动推动能源转型，研判全球能源发展的未来图景。主要包括IEA宣布承诺情景(IEA APS)、IRENA已规划能源情景(IRENA PES)、WEC现代爵士乐(WEC MJ)、IEEJ先进技术(IEEJ ATS)、Equinor改革情景(Equinor RF)、Shell岛屿(Shell IL)、SGERI净零承诺情景(SGERI NZC)。

(3)第三类情景为目标倒逼(2 ℃/1.5 ℃)，设计思路是“目标导向，未来如何实现”，主要是以应对气候变化、大气污染防治、实现能源普及为目标，探索倒逼机制下，将全球平均温升控制在2 ℃和1.5 ℃的全球能源转型发展的可行路径。其中目标倒逼2 ℃情景包括IEA可持续发展情景(IEA SDS)、WEC未完成的交响乐(WEC US)、BP快速转型情景(BP Rapid)、IEEJ循环碳经济情景(IEEJ CCE)、Equinor再平衡情景(Equinor RB)、Shell波浪(Shell WV)、SGERI 2 ℃情景(SGERI 2℃)；目标倒逼(1.5 ℃)情景包括IEA2050年净零排放情景(IEA NZE)、IRENA转型能源情景(IRENA TES)、BP净零情景(BP NZ)、Shell天空(Shell SK1.5)、GEI碳中和情景(GEI)。

表1 国际主要机构世界能源展望情景设置及描述

续表1

2 预测情景对比和趋势分析

不同机构的全球能源展望报告展望期不同、侧重点各异、计算方法有别，笔者选择2019年为基准，主要考虑2019年不受新冠肺炎疫情的影响，选取2050年为主要观察年，部分报告选择2040年或2045年为观察年。聚焦于一次能源消费总量、分品种能源消费情况、碳排放等，从增长幅度、结构占比以及排放总量维度进行对比分析。

2.1 能源需求总量

未来20～30 a能源需求增长速度放缓，并在21世纪中叶开始趋于平稳。不同情景下，2050年一次能源需求较2019年的增长情况如图1所示。由图1可知，在延续发展情景下，2050年的全球能源需求除了EIA RE情景外，较2019年增长12%～30%之间，增长动力依然充沛，但速度放缓。EIA预计到2050年，世界能源消耗量将增长45%，相较于其他展望报告，EIA RE情景对亚洲地区能源需求预期更高。在变革转向情景下，2050年全球能源需求增长8%～19%，SGERI NZC情景增长率为0。但大多数目标倒逼情景下，提高能源效率以降低能源需求强度，全球能源需求增长得到严格控制，2050年与2019年基本相当或略有下降。Shell情景展望中一次能源需求均较高，则是由于能源效率提高并不总能降低能源消耗，如循环经济倡议回收聚合物等以降低对石油的需求，但是将旧材料进行加工分解需要消耗更多的能量。

注： WEC*观察年为2040年，OPEC*观察年为2045年图1 不同情景下2050年一次能源需求较2019年的增长

综合分析，延续发展情景下，能源需求总量仍然增长，但能源需求增速已较之前有所下降，变革转向情景下2050年全球能源需求在206亿～239亿t标准煤之间，而目标倒逼情景下全球能源需求增长已放缓甚至有所下降。

2.2 能源消费结构

未来世界能源结构趋于多元，可再生能源均将出现大幅增长。在大多数的延续发展情景下，2050年全球化石能源总需求量与2019年水平相近，甚至显著高于2019年水平。在变革转向和目标倒逼情景下，化石能源急剧下降，但是天然气在大多数情景下保持增长。可再生能源在所有情景中都有较大幅度增长，特别是在目标倒逼情景中。

2.2.1 煤炭：消费量均呈现下降趋势，甚至需求量归零

尽管从区域上有所差异，但是在未来几十年，几乎所有情景下全球煤炭需求都会下降，煤炭占比进一步降至20%以下。其中，延续发展情景下煤炭占比降至16%～20%。在变革转向情景中，煤炭占比持续下降，除Shell IL情景，均降至15%以下。Shell的情景设置主要考虑了较高水平的碳捕获与封存(CCS)规模。在目标倒逼2 ℃情景中，煤炭需求快速下降，除Shell WV情景外，均降至4%～13%。而目标倒逼1.5 ℃下的煤炭占比除Shell SK1.5外，均降至2%～3%，需求量几乎归零。

2.2.2 石油：第一大能源品种地位逐步被取代，石油峰值提前到来

2021年，全球石油市场短期内正走出低谷向好，但并未恢复2019年水平，且远期发展空间不容乐观。在多数延续发展和变革转向情景下，石油仍能保持第一大能源品种地位，未来30 a份额下降较为有限，主要得益于发展中国家运输、航空、化工等领域的需求增长。在目标倒逼2 ℃情景下，除IEEJ ATS情景中石油占比保持27%外，2050年石油占比降至14%～23%之间。在目标倒逼1.5 ℃情景下下降较为明显，BP NZ情景中，石油占比只有7%。BP、Equinor等石油巨头均表示石油峰值将低于预期提前到来。BP认为2019年全球能源需求或是未来30 a的峰值，Equinor预测2027-2028年石油消费量达峰，OPEC则表示石油消费量将在2040年达峰。

2.2.3 天然气：将超越煤炭成为全球第二大能源品种，是全球能源转型的中坚力量

在短期内，多数情景都预计天然气快速增长，天然气相对清洁，是可再生能源发展的重要支撑，也是电力系统灵活性的重要组成。不同情景2050年一次能源分品种结构如图2所示。由图2可知，到2050年，延续发展和变革转向情景下天然气需求增长较快，目标倒逼情景下天然气需求较早达峰，目标倒逼1.5 ℃情景2050年天然气占比在10%～13%之间。

注： WEC*观察年为2040年，OPEC*观察年为2045年；EIA将水、生物质和其他合并；BP、SGERI将生物质和其他合并图2 不同情景2050年一次能源分品种结构

根据各机构的分析，煤炭消费总量最先达峰，随后石油峰值也将到来，某些目标倒逼情景下，天然气也将消费达峰，以风能和太阳能为主的可再生能源增速较快，在所有情景中的占比都呈现上升趋势，并有可能成为主要能源品种。总体而言，能源品种逐渐多元化，大多数情景下，到2050年，化石燃料仍占主体地位。

2.3 电力供需

虽然能效提升会减缓用电增长，但受工业化进程、电气化加速、城市化发展等因素驱动，全球电力需求将保持快速增长。不同情景2050年发电量及分品种结构如图3所示。由图3可知，在延续发展情景下，国际主要机构预期2050年全球电力需求约为当前的1.5～1.8倍，全球电能占终端能源需求的比重大多数在22%～26%之间；在变革转向情景下，除了Shell IL情景，2050年全球电力需求约为当前的1.7～2.0倍，2050年电气化水平在25%～37%；在目标倒逼情景下，全球电力需求大幅增长，IEA NZE、BP NZ、Shell SK1.5、SGERI 2℃情景电力需求达到了当前的2.6、2.2、2.4和2.6倍，呈现出明显的加速提升态势，在目标倒逼2 ℃情景下，2050年电气化水平基本达到27%～40%；而在目标倒逼1.5 ℃情景下，电气化水平得到了大幅提升，基本达到了43%～51%，提高电气化水平已成为减排目标的核心举措，构建以新能源发电为主体的电力结构将是实现碳中和目标的重要手段。但是IEEJ ATS情景中，得益于能源效率提高，预期电力需求水平相对较低。

图3 不同情景2050年发电量及分品种结构

化石燃料发电占比持续走低，可再生能源可满足新增电力需求。在延续发展和变革转向情景中，化石能源仍然继续是全球电力的重要来源，除个别情景外，化石能源发电占比可达32%～58%，煤炭使用量几乎保持不变，而石油使用量则在总体上接近于零，燃气发电占比则有一定程度的上升。在目标倒逼2 ℃情景下，多数情景下，2050年化石能源发电占比降至16%～34%，非水可再生能源占比达到39%～60%；在目标倒逼1.5 ℃情景下化石能源发电占比最低降至2%，非水可再生发电占比高达78%。

综合分析，在所有预测情景下，终端能源电气化水平提高都将刺激电力需求增长，所有情景下煤炭发电量占比都会下降，大多数情景下天然气发电量占比提升，可再生能源发电量所占份额则快速增长。提升电气化水平和大力发展可再生能源发电成为全球能源转型的重要路径。

2.4 碳排放

延续发展政策无法实现全球温升控制，需在能源政策、能效提升以及技术创新等方面加大力度并综合施策。为了实现《巴黎协定》中提出的长期气候目标，能源相关的二氧化碳排放量需要大幅下降。不同情景2050年能源相关碳排放如图4所示，延续发展和变革转向情景表明，目前所做出的努力还不能满足为实现既定目标的减排要求。

图4 不同情景2050年能源相关碳排放

新冠肺炎疫情大流行对2020年的能源需求产生了深远影响，全球二氧化碳排放量减少了5.1%。 2021年，尽管可再生能源发电量实现了有史以来最大的年度增加，但恶劣的天气和能源市场条件加剧了能源需求的复苏，导致燃煤量大幅反弹，IEA数据显示，2021年碳排放量较2020年增加了超过20亿t，且超过了2019年新冠肺炎疫情大流行前的水平。

在延续发展情景下，碳排放维持在稳定水平，大致在318亿～430亿t。在变革转向情景中，碳排放进入下行通道，2050年碳排放为210亿～340亿t，约为2019年前的60%～97%。在目标倒逼2 ℃情景下，2050年碳排放为89亿～252亿t，约为2019年的25%～72%。在目标倒逼1.5℃情景下，2050年碳排放约为2019年的0～28%。IEA NZE、BP NZ、GEI和IRENA TES情景中，在2050年碳排放分别降至0、14亿、18.7亿和100亿t。未来10 a继续增长的二氧化碳排放量迫使21世纪后期碳排放量更大幅度地下降，世界各国还需要在能源政策、能效提升、技术创新等方面加大力度并综合施策。

目前看来，全球能源转型路径已逐步清晰，各国正在积极采取行动，但是大多数情景显示，《巴黎协定》的气候目标依旧很难实现，需要更为激进的政策和技术突破，这也与各机构此前版本展望报告中的说法大致相似。

3 一致性和差异性分析

各机构的展望期和情景设置差异较大，考虑到能源系统和影响因素较为复杂，各情景都无法准确描述到2050年和2100年的发展趋势。笔者通过分析各展望设置情景和预测结果，寻找对未来能源发展的一致性判断和差异性分析，从不同视角研判未来能源发展趋势。

(1)新冠肺炎疫情短期内带来了巨大的不确定性，但目前能源消费需求已恢复至疫情前水平。疫情使终端用能加速向生活消费转移，建筑用能需求占比稳步提升，疫情下生产生活方式变革使世界石油需求峰值和化石燃料消费峰值提前到来，报告普遍认为能源消费在2021-2023年恢复至疫情前水平。IEA报告指出，2021年全球能源需求已反弹，相较于疫情前增加4%。但是不平衡的经济复苏对能源系统产生影响，天然气、煤炭、石油价格大幅上涨，化石能源使用量大幅反弹可能会影响全球复苏步伐。

(2)各机构普遍下调全球能源需求增长预期，但达峰时间差异较大。长期来看，经济和人口增长仍将推动世界能源需求增长。受能效提升、气候承诺压力等因素影响，能源持续增长趋势正在逐步被扭转，各机构不同程度下调对全球能源需求的长期预期，但达峰时间差异较大。部分分析认为到2050年全球一次能源需求持续增长，如Shell报告认为虽然能效得到提升，但中间环节将消费更多能源。也有报告认为能源需求将呈现下降趋势，或在几年内达峰后下降。

(3)化石能源份额持续下降，对传统能源利用仍有争议。多数报告认为煤炭需求持续下降，考虑到电动汽车快速普及、燃油效率提升等因素，石油需求达峰也将提前到来，天然气虽然还有较大潜力，但化石能源所占份额将持续下降。但是部分报告对传统能源利用仍有争议，如Shell认为未来碳捕获与利用技术将使煤炭仍有一席之地。EIA也认为虽然可再生能源能满足新增用电需求，但是天然气、煤炭等未来也将用于保证供电可靠性。

(4)电气化水平显著提高，电力需求水平受能源效率影响不容忽视。相较于之前报告，各机构均调高了预期电气化水平，但是电力需求水平并不一定快速提高，在部分情景下，如IEEJ ATS情景，得益于能源效率提高，预期电力需求水平相对较低。

(5)碳达峰时间未定，实现温控目标仍需作出巨大努力。相较于此前版本，各机构均认为碳达峰时间会提前，峰值会降低。Equinor RF情景甚至认为2019年已经实现碳达峰，但是IEA最新报告显示2021年碳排放相较于2020年已出现反弹。虽然各机构调前了对全球实现碳达峰的时间预期，但是普遍认为当前政策和技术难以满足全球气候目标需求。为应对气候变化，实现全球温升控制目标，各国需采取更为积极的能源转型政策。

4 结论与启示

(1)各种不确定性因素对未来能源发展产生较大影响。各机构在进行能源展望中均考虑了疫情和温升控制目标的影响，设置了多种预测情景，探索不同条件下潜在的发展路径并研判未来能源发展趋势。当前全球疫情仍在持续，大宗商品价格高位波动，石油、天然气等能源原材料供应偏紧，俄乌冲突造成地缘政治局势紧张，外部环境更趋复杂严峻和不确定，多重不确定因素综合作用，将对未来能源发展产生深刻影响。

(2)能源低碳化转型需化石能源转型与可再生能源发展双轮推动。化石能源在全球能源消费中占比仍然较高，能源绿色低碳转型的关键是降低化石能源消费比重，但从各机构预测来看，大多数情景下全球能源需求仍在增长，化石能源消费在中期仍有较大空间，并且应考虑到疫情后全球经济复苏和能源危机下欧洲各国重新启用煤炭。我国资源禀赋条件也决定了煤炭仍将被使用。因此，能源绿色低碳转型不是简单地减少化石能源生产，而应有更为明确的方案和路线图进行化石能源转型并大力发展可再生能源。

(3)发展可再生能源需更加灵活的电力系统。目前可再生能源发展较快，但是风、光等可再生能源的间歇性、波动性、随机性对整个电力系统的灵活性提出了更高的要求。因此，要实现可再生能源的快速发展，除了降低成本以外，还需要推动整个电力系统的转型，构建以新能源为主体的新型电力系统。

(4)实现碳排放控制目标需要积极推动技术革新和制定相关政策。各机构在进行情景设置时主要参考了技术发展和相关政策。实现能源绿色低碳转型需要在更广泛的能源技术领域取得突破，包括核电、碳捕集与利用和封存、氢能等。同时政府应积极制定能源转型和碳减排政策和路线图，发挥引领作用。