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摘要:
世界能源正在经历由化石能源向新能源过渡的“第四次能源转型期”。在全球碳中和目标以及国家能源安全愈发重要的背景下，本文通过对过去能源历史的回顾，对当下能源现状的总结，提出中国在能源方面可以采取的转型措施。
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30601 能源转型的趋势图片
能源是现代文明和经济发展的重要物质基础，其生产、分配和利用已成为世界政治经济结构中不可缺少的组成部分[1]。从钻木取火、第一次工业革命燃气机兴起带来的煤炭需求量猛增，到第二次工业革命中内燃机发展带来的石油需求量攀升。近年来，城市化、电气化的推进使电力需求爆发式增长。随着人类对化石能源的枯竭的担忧，以及对自身生存环境的保护意识的觉醒，各种清洁、可再生、可持续的新能源大量投入使用，第四次能源转型已经开始[2,3]。
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图1: 能源转型中各种能源所占比例及其预测
（预测数据来自EDRI）
30602 我国当下能源结构的特点图片
2.1 化石能源中国能源资源具有“富煤少油少气”的特点。煤炭分布不均衡，煤炭开采主要分布在华北和西北地区，而消耗主要集中在中东部地区。相比于世界能源供应结构中油气占57.5%，中国煤炭供应占据61%，仍处于煤炭为主的时代（图2）。过去几十年中以及未来短期内，煤电都将是主要的电力生产来源（图3）。
油气方面，持续攀升的油气需求量以及对外依存度决定了中国能源供应“不安全”。2019年，全国一次能源供应中原油为2.8×107 TJ，其中进口占75%，天然气为1.1×107 TJ，其中进口占41%[4]。复杂的地缘属性也使得我国能源“不安全”。
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图2: 中国2019年一次能源供应比例（数据来源：国际能源署IEA）
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图3: 中国2019年各种能源发电比例
（数据来源：国际能源署IEA）
2.2 核能以及可再生能源从2011年到2019年，我国水力发电量到比重约占14%-20%之间波动。虽然我国理论水能资源丰富，但受限于区位和经济效益，预计未来新增水电装机容量增速有限[5]。基于核裂变的核能是一种清洁高效的能源，主要分布在中国东南沿海地区。中国的核电成本达到每千瓦时0.36-0.48元,目前已经基本可以与煤电竞争[6]。在过去几年，中国一直是世界新能源增长的首要贡献者，且风电和光伏装机量领跑全球，风能和光伏发电的电量持续攀升（图4）。在2021年中国可再生能源的增长占全球近一半，发电总量全球第一。
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图4: 水电、核能及可再生能源发电量
（数据来源：国际能源署IEA）
30603 中国未来能源发展的出路图片
3.1 清洁低碳的新能源是未来发展的重点中国的可再生能源发展比其他任何国家都来得迅猛。目前来看，我国新能源增长主要集中在光伏和风能。由图5可知，由于技术进步，规模效应等原因，风能和光伏成本大幅下降。2019年国内的风电平均成本大约为0.30元/kWh，光伏的成本约为0.33元/kWh，而到了2030年新建风电和光伏的发电成本将低于许多现有燃煤电厂的运行成本[6]，这不仅是由于新能源日趋明显的规模效应，燃煤电厂的过剩产能也进一步加剧了新旧技术之间的差距。
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图5: 中国新建光伏与陆上风电平准化发电成本
与现有燃煤和燃气电厂运营成本的对比[6]
在推荐情景下的中国一次能源供给结构变化趋势中[3]，第一大能源形式化石能源占比逐年减少，2040~2050年将被非化石能源取代（见图6）。由于核电容易引起民众对于核安全的担忧，目前一般认为核能可以再发展，但不宜作为主要支柱能源，图2中核电占据了中国能源的3%，考虑到未来能源需求量会继续增加，在保持当下比例不变的情况下，需要继续加大核电的开发。核能对于中国能源发展不可或缺，是战略必争能源支柱之一。需要进一步加大科研投入，提升核科技基础能力，赢得民众对于核能战略的认同，促进我国的核电安全发展。
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图6: 碳中和目标下中国一次能源供给结构变化趋势[7]
3.2 优化化石能源使用结构在一次能源消费中，煤炭石油天然气除了用于发电，也有直接能源消费，例如采暖、纺织、装备制造业等。以气代煤、以电代煤，是降低煤炭用量的关键。煤炭的清洁利用是关键之二，需要对目前现已建设的煤电、煤化工项目进行优化升级。石油是化工行业不可或缺的原材料。保证石油供给能力的稳定的情况下，加快推进从炼油厂向化工厂方向的转变。
根据预测[9]，未来2050年中国需要天然气4900亿立方米，但2019年的产量只有1773亿立方米。因此未来仍需大力开展中国的常规气、非常规气的勘探开发，推动天然气水合物（如可燃冰）技术的研究。
3.3 终端节能与电气化，促进能源消费清洁化以电力为中心的终端能源供给结构的优点很多，例如清洁，效率高，方便等等，其主要依靠各类清洁发电技术的快速发展和清洁利用。在终端能源供给中，电力占比需要继续提高，2018年该数据为25.2%，2030年的电力占比需要提高到30%[3]。居民终端耗能比例最大的两项是供暖和照明。推动绿色建筑和低碳建筑的发展，以及高效照明技术，有助于降低终端能耗。考虑到未来可再生能源发电的比例提高，在整个生命周期分析，电动车可以为交通方面的节能减排产生实质性贡献。图7展示了世界范围内电气化发展的历程和未来目标。在当前政策下，可再生能源发展、终端能源电气化、电动汽车以及电驱动的热泵装置的发展水平，都与可持续发展目标的要求有较大差距。
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图7: 能源系统电气化的近期发展与目标[10]
3.4 构建智能能源系统，提高能源消费信息化传统能源网络运营存在多方面问题，如生产安排过剩，调度精确度较低、能源传输损耗大、与新能源接入兼容性差等缺点。未来的我国的能源必将是多种能源协调供给的结构，这一方面的问题势必更加严峻。利用网络，智能控制系统，可以实现对储能设备以及可控负荷之间的优化控制，更好地利用广域网内分布式电源的时空互补性，以及储能设备与需求侧可控资源之间的系统调节能力，从而应对分布式可再生能源间歇特性对局部电网的冲击，为分布式可再生能源的大规模介入提供可行路径，真正实现清洁能源比重的大幅度增加[9]。在国内风光弃电现象逐步缓和的积极变化下，智能电网以及储能技术的引入，将进一步提高新能源的消纳力度（图8[11]）。
由于智能能源系统涉及过广，内容繁多，此处仅用几个例子进行简单说明。一，利用智能终端测量系统及设备实现电能、热力、制冷等能源消费等实时计量、信息交互和主动控制。二，建设以智能电网为基础，与热力管网、天然气管网、交通网络等多种类型能源互联互通，多种能源形态协同转化、集中式与分布式能源协调运行的综合能源网络。
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图8: 中国不同地区风电弃电率[11]
3.5 促进能源技术发展智能电网方面，需要对关键技术和核心装备进行突破，例如高压直流输电方面需要用到的直流输电、电力电子、可再生能源发电的关键技术和设备，并制定相应的国标，以支撑智能电网的建设。
风力发电技术方面，在空气动力学计算、流体分析载荷计算等基础能力，以及风电机组设计、轴承、主控、变桨等高端技术上实现突破，着力解决风电基础理论研究薄弱和关键设备“非中国芯”问题。光伏发电技术方面，在 IBC（全背电极接触）技术、HIT（异质结）技术、PERC（钝化发射极背面接触）技术方面进行研究，带动光伏转换效率提高。
储能方面，储能技术是未来电力革命的关键技术，可再生能源发电的真正有用的效率能否显著提高，能源消费能否稳定可靠，主要依赖储能技术。从技术方面看，物理储能、化学储能、氢能、甲醇经济、以及燃料电池等等都将在竞争中发展。
根据国际再生能源总署IRENA的统计，2018年中国在可再生能源技术的专利申请量居于世界首位[10]。通过技术创新来整合可再生能源价值链中的高附加值部分，在带动能源相关制造产业的发展过程中，可以帮助释放能源转型更广泛社会经济效益。
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图9: 2018年可再生能源技术的专利申请[10]
30604 中国能源转型以及
产业转型的政策研究
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前文已经提到关于新能源成本的问题，在技术进步进一步带动新能源成本显著降低之前，相较于传统煤炭石油天然气，单纯依靠市场行为来提高新能源渗透率以及产业清洁化发展显然是不可持续的，故而需要考虑政策工具干预。环境污染和全球气候变暖都属于工业生产过程中负的外部性问题。通常采用的政策工具有两类，一类是命令与控制政策，例如直接管制；另一类是基于市场的做法，即通过政策手段将企业的负外部性内部化，使得企业自身主动去完成节能减排的目的。常用的做法，环境税及排污权交易，而对于碳排放来说，则是碳税征收和碳排放权交易。从2011年7个碳排放权交易区域试点运行，到2021年7月上线全国碳排放权交易市场，再到2022年3月生态环境部着重强调推动《碳排放权交易管理暂行条例》的出台、加强监督和规范，我国碳交易市场逐渐发展完善。同时欧盟碳交易市场发展时间长，具有相对成熟的制度管理模式，也可为后续发展提供借鉴。
总结：
目前新一轮的能源革命转型在全球范围内蓬勃兴起。它以能源高效化、低碳化、清洁化、智能化为方向，以现代信息技术、能源技术、智能技术为支撑。能源转型是无可逆转的未来潮流。中国需要采取有效措施走过阵痛期，才能牢牢把握能源安全这一发展的命脉。
参考文献图片
[1] 杨宇,于宏源,鲁刚,王礼茂,赵媛,郝丽莎,任东明,方伟,安海忠,蔡国田.世界能源百年变局与国家能源安全.自然资源学报,35(11):2803–2820.
[2] 罗佐县,许萍,邓程程,杨宁,王殿铭等.世界能源转型与发展——低碳时代下的全球趋势与中国特色.石油石化绿色低碳,(2019年01):6–16,2019.
[3] 国务院发展研究中心，壳牌国际有限公司.全球能源转型背景下的中国能源革命.中国发展出版社,2019.
[4] https://www.iea.org/data-and-statistics/data-products/?filter=balances/statistics,国际能源署，2022
[5] 2019中国电力年鉴.彭博新能源财经
[6] 新能源展望. 彭博新能源财经. 2019
[7] 中国能源体系2060碳中和报告. 壳牌能源远景. 2021.
[8] 国务院发展研究中心，壳牌国际有限公司.中国天然气发展战略研究.中国发展出版社,2015.
[9] 郭世楫，郭焦锋. 能源互联网助推中国能源转型与体制创新. 中国发展出版社，2017
[10] 全球新能源展望. 国际再生能源总署. 2020
[11] China’s plan to cut coal and boost green growth. Nature 584, S1-S3 (2020)
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