基于情景的2050年世界能源供需展望分析——基于《bp世界能源展望(2023年版)》

李洪言 于 淼 郑一鸣 代晓东 林名桢

山东石油化工学院石油工程学院, 山东 东营 257061

0 前言

2023年6月,《bp世界能源展望(2023版)》(以下简称《展望》)在北京发布,《展望》依据“快速转型情景”“净零情景”及“新动力情景”对全球能源市场进行分析,探索至2050年能源系统在减少碳排放、向低碳清洁能源转型路径中的发展趋势。考虑到俄乌冲突对能源结构和能源安全的影响,会加快向清洁低碳能源转型的进程。本文依据《展望》中统计数据,对一次能源、石油、天然气、可再生能源、低碳氢及碳排放的转型趋势进行整理分析,指出能源转型面临“安全”“可负担”和“更低碳”的三重挑战,更加看重能源的经济性和安全性[1-6]。

1 能源需求总量分析

2019年全球能源消费总量为482 EJ(1 EJ=1018J),随着能源利用效率快速提升,“快速转型情景”中2050年全球能源消费总量为396.5 EJ,比2019年全球能源消费总量低17%(85.5 EJ),2019—2050年的年变化率为-2.6%;“净零情景”中2050年全球能源消费总量为326.7 EJ,比2019年全球能源消费总量低32.2%(155.3 EJ),2019—2050年的年变化率为-1%;“新动力情景”中2050年全球能源消费总量为512.6 EJ,比2019年全球能源消费总量增加5.9%(30.6 EJ),2019—2050年的年变化率为0.19%。可见,至2050年前,三种情景下终端全球能源消费总量都已达到峰值。

2019—2050年全球能源种类消费总量情况见表1。从能源种类上看,在一次能源消费总量中,石油、天然气和煤炭组成的化石能源在2019年消费量为300.9 EJ,占能源消费总量的64.5%。到2050年,在“快速转型情景”中,化石能源消费量为121 EJ,占能源消费总量的30%,在能源消费总量的占比中比2019年下降34.5%,其中煤炭消费量为10.3 EJ,石油消费量为80.2 EJ,天然气消费量为30.5 EJ,分别比2019年下降66.1%、55.5%和66.2%。在“净零情景”中,化石能源消费量为46 EJ,占能源消费总量的13.5%,在能源消费总量的占比中比2019年下降50.7%,其中煤炭消费量为5.4 EJ、石油消费量为25.4 EJ、天然气消费量为15.2 EJ,分别比2019年下降82.2%、86.1%和83.3%。在“新动力情景”中,化石能源消费量为241.4 EJ,占能源消费总量的48%,在能源消费总量的占比中比2019年下降17.4%,其中煤炭消费量为20.2 EJ、石油消费量为125.4 EJ,分别比2019年下降33.6%、30.4%,天然气消费量为95.8 EJ,比2019年增长6.1%。可见,在三种情景中,到2050年化石能源总消费量都将下降,煤炭在化石能源总消费量占比下降最快,化石能源由于在交通运输使用中的不断减少,在能源消费总量中占比也下降较快[7-9]。

表1 2019—2050年全球能源种类消费总量情况表

另外,随着全球能源向低碳方向的转型,在三种情景中,电能消费量均增长较快。2019年电能消费量为105.1 EJ,占比总消费量21.8%,在“快速转型情景”中,2050年电能消费量为180.5 EJ,占比总消费量46.0%,比2019年增长75.4 EJ,在能源消费总量的占比中增长24%;在“净零情景”中,2050年电能消费量为175.6 EJ,占比总消费量54%,比2019年增长70.5 EJ,在能源消费总量的占比中增长32%;在“新动力情景”中,2050年电能消费量为170.1 EJ,在能源消费总量的占比33%,消费量比2019年增长65 EJ,在能源消费总量的占比中增长11.5%。可见,到2050年,在三种情景中,电能消费量均增长较快,比2019年将增加62%～72%。

2 石油需求量下降

2019—2050年石油需求量趋势见图1。石油需求量呈现降低趋势,凸显全球能源开始逐步向更低碳方向转型。2019年石油消费量为9 800万桶/d,到2025年,在“快速转型情景”中石油消费量为9 600万桶/d,比2019年减少200万桶/d,下降2%;在“净零情景”中石油消费量为9 400万桶/d,比2019年减少400万桶/d,下降4.1%;在“新动力情景”中,石油消费量与2019年相比基本保持不变。到2035年,在“快速转型情景”中石油消费量为8 000万桶/d,比2019年减少1 800万桶/d,下降18.4%;在“净零情景”中,石油消费量为6 800万桶/d,比2019年减少3 000万桶/d,下降30.6%;在“新动力情景”中,石油消费量为9 200万桶/d,比2019年减少600万桶/d,下降6.1%。到2050年,在“快速转型情景”中,石油消费量为4 400万桶/d,比2019年减少5 400万桶/d,下降55.1%;在“净零情景”中,石油消费量为2 200万桶/d,比2019年减少7 600万桶/d,下降77.6%;在“新动力情景”中,石油消费量为7 600万桶/d,比2019年减少2 200万桶/d,下降22.4%。由此可见,在2035年前,全球石油需求量变化较缓慢,但之后随着电动汽车快速发展和更低碳替代能源用量的增加,交通运输中石油需求量将下降,特别是在展望后期的“净零情景”和“快速转型情景”中,石油需求量下降较快[10]。

图1 2019—2050年石油需求量趋势图

3 天然气需求量变化趋势差异较大

2000—2050年天然气需求量趋势见图2。在三种情景中,天然气需求量变化趋势差异较大。2000年天然气需求量为2 400×109m3,到2019年天然气需求量为3 800×109m3,比2000年增长1 400×109m3,增长率为58.3%。到2030年,在“快速转型情景”中天然气需求量为4 050×109m3,比2019年增长了250×109m3,增长率为6.6%;在“净零情景”中天然气需求量为3 600×109m3,比2019年减少200×109m3,增长率为-5.3%;在“新动力情景”中天然气需求量为4 200×109m3,比2019年增长400×109m3,增长率为10.5%。到2050年,在“快速转型情景”中天然气需求量为2 400×109m3,比2020年下降1 400×109m3,与2019年相比增长率为-34.2%;在“净零情景”中天然气需求量为1 700×109m3,比2019年下降2 100×109m3,增长率为-55.3%;“新动力情景”中天然气需求量为4 400×109m3,比2019年增长600×109m3,增长率为18.4%。可见,在“净零情景”中,天然气需求量在2019年左右已达到峰值,之后开始下降,到2050年,天然气需求量比2019年下降35.1%;在“快速转型情景”中天然气需求量在2030年左右将达到峰值,之后开始下降,到2050年,天然气需求量比2019年下降56.7%。以上这两种情景中天然气需求量都将大幅下降,主要原因是发达国家天然气需求量的下降、电气化程度的提升和可再生能源的快速增长。而在“新动力情景”中,考虑到新兴经济体(主要指中国、印度、中东、俄罗斯和巴西)对天然气需求量的增加,到2050年,天然气需求量持续增长,比2019年增加8.1%。

图2 2000—2050年天然气需求量趋势图

4 可再生能源增长快速

4.1 风能和太阳能装机容量快速增长

由于风电和光伏发电技术水平的提高,以及全球各国对低碳电力的政策扶持,风能和太阳能发电迅速增长。2019—2050年风能和太阳能装机容量变化见图3。

图3 2019—2050年风能和太阳能装机容量变化趋势图

2019年,风能和太阳能装机容量为2 000 GW。到2030年,在“快速转型情景”中,风能和太阳能装机容量为5 000 GW,比2019年提高了3 000 GW,增长了1.5倍;在“净零情景”中,风能和太阳能装机容量为7 000 GW,比2019年提高了5 000 GW,增长了2.5倍;在“新动力情景”中,风能和太阳能装机容量为4 000 GW,比2019年提高了2 000 GW,增长了1倍。

到2040年,在“快速转型情景”中,风能和太阳能装机容量为11 000 GW,比2019年提高了9 000 GW,增长了4.5倍;在“净零情景”中,风能和太阳能装机容量为14 500 GW,比2019年提高了12 500 GW,增长了6.25倍;在“新动力情景”中,风能和太阳能装机容量为8 000 GW,比2019年提高了6 000 GW,增长了3倍。

到2050年,在“快速转型情景”中,风能和太阳能装机容量为18 000 GW,比2019年提高16 000 GW,增长了8倍;在“净零情景”中,风能和太阳能装机容量为20 000 GW,比2019年提高18 000 GW,增长了9倍;在“新动力情景”中,风能和太阳能装机容量为12 000 GW,比2019年提高10 000 GW,增长了5倍。

可见,在展望期间,三种情景下风能和太阳能装机容量都将大幅提高,主要原因是由于技术水平的提高,以及成本随用量大幅增加而下降。在展望前期主要由中国及发达国家贡献了风能和太阳能装机容量的快速增长,展望后期新兴经济体(中国除外)风能和太阳能装机容量的增长占主导地位。

4.2 现代生物能源产量迅速增长

现代生物能源主要包括生物甲烷、生物燃料和现代固体生物质能,易从农业、林业获取,对生态系统无害。现代生物能源需求不断增长,逐步取代了传统生物能源(如废木料、农业秸秆)的燃烧,有利于减少碳排放。“快速转型情景”下传统生物能源与现代生物能源产量见图4。2019年,传统生物能源产量为25.3 EJ,现代生物能源产量为30.5 EJ,其中现代固体生物质能产量为25.1 EJ,生物燃料产量为5.4 EJ,生物甲烷产量不足0.2 EJ。到2050年,在“快速转型情景”中,传统生物能源产量为3.3 EJ,而现代生物能源产量增长为65.9 EJ,其中现代固体生物质能产量为50.2 EJ,生物燃料产量为9.6 EJ,生物甲烷产量为6.1 EJ。可见,到2050年,在“快速转型情景”中,传统生物能源产量比2019年传统生物能源产量减少了22 EJ,减少87%,而现代生物能源产量增长了35.4 EJ,比2019年现代生物能源产量增长了约1.2倍,抵消了传统生物能源产量的减少,其中产量增长最快的是现代固体生物质能,增长了25.1 EJ,比2019年现代固体生物质能产量增长了1倍;到2050年,现代生物能源产量在“净零情景”与“快速转型情景”中趋势相近,传统生物能源基本被淘汰,逐渐向现代生物能源转型;在“新动力情景”中,到2050年,现代生物能源产量为49 EJ,其中生物甲烷产量为4.3 EJ,传统生物能源使用会继续延续。在三种情景中,现代生物能源产量增长都是由新兴经济体的发展主导。

图4 “快速转型情景”下传统生物能源与现代生物能源产量图

5 低碳氢需求量增长强劲

随着低碳能源逐渐在全球能源系统中占主导地位,低碳氢的使用有利于实现减排,特别是为运输业和工业实现脱碳、减排。展望期内,在“快速转型情景”和“净零情景”中,低碳氢需求最为凸显,尤其在展望期后二十年的“新动力情境”中,由于脱碳程度较低,对低碳氢的需求不明显,见图5。在“快速转型情景”中,到2030年,低碳氢在运输业的需求量为3×106t/a,在工业上的需求量为1×106t/a,作为原料的需求量为12×106t/a,其他的需求量为5×106t/a;到2050年,低碳氢在运输业的需求量为105×106t/a,比2030年需求量增长了102×106t/a,在工业上的需求量为75×106t/a,比2030年需求量增长了74×106t/a,作为原料的需求量为70×106t/a,比2030年需求量增长了58×106t/a,其他的需求量为40×106t/a,比2030年需求量增长了35×106t/a。在“净零情景”中,到2030年,低碳氢在运输业的需求量为10×106t/a,在工业上的需求量为2×106t/a,作为原料的需求量为20×106t/a,其他的需求量为8×106t/a;到2050年,低碳氢在运输业的需求量为190×106t/a,比2030年需求量增长了180×106t/a,在工业上的需求量为120×106t/a,比2030年需求量增长了118×106t/a,作为原料的需求量为60×106t/a,比2030年需求量增长了40×106t/a,其他的需求量为90×106t/a,比2030年需求量增长了82×106t/a。可见,展望中后期,在“快速转型情景”和“净零情景”中,由于生产技术水平提高、生产成本下降及各国碳排放政策的限制,低碳氢需求量增长强劲[11-13]。

图5 各行业低碳氢需求量图

6 碳排放

6.1 碳排放量下降

展望期内,在三种情景中,全球碳排放量在21世纪20年代均已达到峰值,三种情景下碳排放量见图6。2019年全球碳排放量为39.8 Gt,到2050年,在“快速转型情景”中,碳排放量为9.1 Gt,比2019年碳排放量下降30.7 Gt,碳排放量减少了77.1%;在“净零情景”中,碳排放量为2 Gt,比2019年碳排放量下降37.8 Gt,碳排放量减少了95%;在“新动力情景”中,碳排放量为28.7 Gt,比2019年碳排放量下降11.1 Gt,碳排放量减少了27.9%。可见,在三种情景中,到2050年,碳排放量将下降27.9%～95%,全球能源向低碳能源发展趋势显著增强。特别是美国在《通货膨胀削减法案》中对低碳能源和技术支持下,在三种情景中,碳排放量都下降较快,其中,在“净零情景”中,碳排放量更是下降到了负值(-0.2 Gt)。

图6 三种情景下碳排放量图

6.2 碳捕集、利用与封存

碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术在向低碳能源转型中发挥巨大作用,各种排放源的CCUS量见图7。按排放源来看,在“快速转型情景”中,到2035年,气、煤、生物能源与碳捕集与封存及工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为500×106t CO2、100×106t CO2、10×106t CO2和150×106t CO2;到2050年,气、煤、生物能源与碳捕集与封存及工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为2 100×106t CO2、900×106t CO2、450×106t CO2和550×106t CO2,分别比2035年增长1 600×106t CO2(3.2倍)、800×106t CO2(8倍)、440×106t CO2(44倍)和400×106t CO2(2.7倍)。在“净零情景”中,到2035年,气、煤、生物能源与碳捕集与封存及工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为800×106t CO2、250×106t CO2、150×106t CO2和250×106t CO2;到2050年,气、煤、生物能源与碳捕集与封存及工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为2 800×106t CO2、1 100×106t CO2、1 200×106t CO2和900×106t CO2,分别比2035年增长2 000×106t CO2(2.5倍)、850×106t CO2(3.4倍)、1 050×106t CO2(7倍)和650×106t(2.6倍) CO2。在“新动力情景”中,到2035年,气、煤和工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为200×106t CO2、50×106t CO2和10×106t CO2;到2050年,气、煤、生物能源与碳捕集与封存及工业过程排放作为排放源的CCUS量分别为600×106t CO2、200×106t CO2、50×106t CO2和100×106t CO2,分别比2035年增长400×106t CO2(2倍)、150×106t CO2(3倍)、50×106t CO2和90×106t CO2(9倍)。可见,三种情景中以气作为排放源的CCUS量最大,到2050年,在“快速转型情景”“净零情景”和“新动力情景”中,占比分别为52.5%、46.7%和63.2%,其中,CCUS与气结合最多的是美国,其次为中东、俄罗斯和中国。

图7 各种排放源的CCUS量图

7 中国能源转型发展

2020年9月,中国明确提出2030年碳达峰与2060年碳中和的“双碳”目标。中国的能源结构以煤炭、石油为主,要达到这一目标,减少碳排放,能源结构要向低碳能源、可再生能源转型。在《展望》的三种情景中,到2050年,可再生能源(包括生物燃料在内)将成为中国最大的一次能源来源。其中,在“净零情景”和“快速转型情景”下,可再生能源消费在一次能源消费中占比将达到60%;煤炭消费量大幅下降,煤炭消费在一次能源消费中的占比将下降到5%～20%;在“新动力情景”下,风能和太阳能在发电总量中的占比将从现在不到10%增加到超过50%[14-18]。

中国的碳排放在三种情景中均大幅下降,在“快速转型情景”中,到2035年,CCUS量为200×106t CO2,到2050年,CCUS量为1 000×106t CO2,比2035年CCUS量增加了800×106t CO2(4倍);在“净零情景”中,到2035年,CCUS量为500×106t CO2,到2050年,CCUS量为1 200×106t CO2,比2035年增加了700×106t CO2(1.4倍);在“新动力情景”中,到2035年,CCUS量为50×106t CO2,到2050年,CCUS量为450×106t CO2,比2035年增加了400×106t CO2(8倍)。可见,在“新动力情景”下,碳排放强度下降速度最快,在“快速转型情景”和“净零情景”下,碳减排的速度需要更快一些,才有助于实现中国的“双碳”目标[19-21]。

8 结论

通过《展望》中“快速转型情景”“净零情景”和“新动力情景”分析,探索到2050年能源系统在减少碳排放、向低碳清洁能源转型路径中的发展趋势,对一次能源、石油、天然气、可再生能源、低碳氢及碳排放的转型趋势进行整理分析。到2050年前,三种情景下,终端能源消费总量均已达峰值,在“快速转型情景”和“净零情景”中,能源消费总量降低17%～32.2%,而在“新动力情景”中,能源消费总量增加5.9%;石油、天然气总需求量呈降低趋势,与2019年相比,石油消费量下降22.4%～77.6%,天然气消费量下降18.4%～55.3%,减少量由更低碳、清洁能源替代,显示能源正快速向低碳能源转型;可再生能源增长快速,低碳氢需求强劲,展望期间三种情景下风能和太阳能装机容量将大幅提高5～9倍;CCUS技术的利用使得碳排放量大幅下降,碳排放量将下降27.9%～95%。中国作为全球能源大国,在“双碳”目标下,要提升能源安全,更快推动向更低碳能源结构的转变。