全球清潔能源發展現狀與趨勢分析

崔榮國, 郭 娟, 程立海, 張迎新, 劉 偉

自然資源部信息中心, 北京 100830

能源是人類最早利用的自然資源之一, 其開發和利用有力地推動了人類文明的進步。隨著社會和經濟的發展、全球人口的增長及生活水平的不斷提高, 人均能源消費和全球能源消費總量快速增長,由此引發了兩方面的問題。一是能源區域短缺現象嚴重。由于經濟發展與能源關系密切(楊麗花和李捷理, 2012), 因此能源資源相對匱乏且經濟較發達或發展較快的歐洲、東亞、南亞、東南亞地區成為全球能源進口的主要區域。二是環境惡化問題日益突出(于鋒等, 2014)。長期以來, 尤其是第一次產業革命以后, 大量化石能源的開發利用造成了嚴重的環境污染(李旭東等, 2004； 李昕蕾, 2017a； 卜祥宇等,2018), 其代價巨大且難以為繼(王永培等, 2017)。如二氧化碳排放總量持續增加帶來了全球氣候變暖、海平面上升和極端惡劣天氣頻繁爆發等一系列環境問題(張玉卓, 2014； 徐斌等, 2019)。

隨著全球經濟的發展, 能源需求持續增長, 解決由化石能源開發利用引起的環境問題已成為各國面臨的重要命題。以化石能源為主的能源消費結構不可持續(劉曉燕, 2012； 鄒才能等, 2015), 因此,能源的多元化發展和清潔能源的開發利用受到各國的普遍重視(徐禮德和仝允桓, 2011； 李揚, 2011； 張玉卓, 2014； 李榮杰等, 2016； 李昕蕾, 2017b； 宋科余等, 2021； 吳林強等, 2021； 張濤等, 2021)。

1 清潔能源的概念

目前, 不同專家和學者對清潔能源的概念存在不同的認識。貢光禹(2003)認為清潔能源就是可再生能源。李亮(2012)認為清潔能源是一種最大限度實現對能源潔凈開發和利用的技術體系。鄭艷婷和徐利剛(2012)認為清潔能源就是指可再生能源或綠色能源。付麗蘋(2012)認為清潔能源是指在生產和使用過程中不產生污染的能源。李昕蕾(2017b)認為清潔能源主要指風能、太陽能、水能、生物質能、核能等能源。《現代漢語詞典(第七版)》(中國社會科學院語言研究所, 2019)將清潔能源解釋為開發利用過程中不產生或很少產生污染物的能源。總之,對清潔能源概念的認識主要分為兩種觀點：一是在開發利用過程中不產生污染的能源, 也就是能源本身是清潔的； 二是能源開發利用的技術體系, 通過技術的發展達到能源清潔化開發利用的目的, 屬于能源生產和消費的清潔化。

能源的清潔化以利用過程中的排放標準進行衡量, 達到標準即是清潔能源, 達不到標準即是不清潔能源。隨著技術的進步其范圍也不同, 因全球能源利用技術差異性大而無法準確定義其類別, 尤其是針對化石能源。在研究清潔能源時, 不能將其與可再生能源混淆, 二者是完全不同的兩個概念。首先, 二者分類方式不同：清潔能源是根據生產和消費過程中產生的污染物多少來劃分的, 可再生能源是根據能源是否能夠再生來劃分的。其次, 二者所包含的能源類別有差異。清潔能源包括風能、水能、太陽能、地熱能、海洋能等； 可再生能源不但包含所有清潔能源, 還包括生物質能。此外, 核能由于在利用過程中產生的環境污染風險無法完全可控, 所以也不應被列入清潔能源。因此, 在總結以往研究資料的基礎上, 本文認為：清潔能源是指在指生產和消費過程中對環境影響較小且環境污染風險極小的能源, 同時在其利用過程中沒有可能產生污染的C、N、S等元素遷移, 如風能、水能、太陽能、地熱能、海洋能等。

由于海洋能等數據統計難度比較大, 本文的清潔能源數據統計中僅包括水能、風能、太陽能和地熱, 特殊說明的情況除外。

2 全球清潔能源的發展概況

清潔能源的開發利用成為改善當前能源消費結構、實現多元化能源供給、應對全球氣候變化的最重要方式之一(劉邦凡等, 2015)。清潔能源產業發展被認為是第四次技術革命的突破口, 也是應對氣候變化和能源危機的重要手段(鄭艷婷和徐利剛,2012), 引起了世界各國的廣泛重視。

20世紀末, 聯合國開始重視清潔能源問題。1997年簽署的《京都協議書》為清潔能源的發展創造了平臺, 2004年在德國波恩通過的《波恩政治宣言》有力地推動了清潔能源的國際合作(李昕蕾,2017a)。2009年, 在德國推動下建立的國際清潔能源機構(International Renewable Energy Agency)持續推動全球清潔能源的發展。

自20世紀70年代起, 歐美發達國家開始推動清潔能源發展(鄭艷婷和徐利剛, 2012)。自1978年起, 美國開始利用稅收、利息等手段鼓勵清潔能源的生產與消費, 多部能源法案均通過經濟手段扶持清潔能源的開發利用(張憲昌, 2011)。尤其是21世紀以來, 美國出臺的《2003年能源稅收激勵法案》《2005年美國能源政策法案》《2006年先進能源倡議》《2007年十年二十年倡議》《2007年能源獨立和安全法》《2009年復蘇與再投資法案》《2009年美國清潔能源與安全法》等政策都給予清潔能源產業的發展強有力的支持, 極大的推動了美國清潔能源產業發展(鄭艷婷和徐利剛, 2012； 楊麗花和李捷理,2012)。

日本國土面積小, 化石能源極度匱乏, 因此政府非常重視清潔能源的開發利用。自20世紀70年代起, 大力支持清潔能源發展, 80年代設立了專門機構促進清潔能源技術研發、推廣和應用, 90年代開始全面推行清潔能源宣傳和教育, 21世紀以來, 通過立法支持清潔能源發展(鄭艷婷和徐利剛, 2012)。

歐盟非常重視清潔能源發展。20世紀90年代末, 鼓勵各成員國大力發展清潔能源, 通過《1997年清潔能源決議》《1998年清潔能源決議》《綠皮書：能源安全供應的歐洲戰略》(2000年)、《能源戰略綠皮書：能源安全供應的歐洲戰略》(2002年)、《歐洲智能能源消費計劃》(2003年)、《2006年能源政策綠皮書》《能源 2020：具有競爭力的、可持續和安全的能源戰略》(2010年)、《2011年“2050能源路線圖”》等措施支持清潔能源產業的發展。歐盟各成員國也紛紛出臺政策鼓勵本國清潔能源產業, 如德國于2000年出臺了《清潔能源優先法》, 英國通過稅收、財政投入等方式鼓勵清潔能源的消費(鄭艷婷等, 2012)。

為解決溫室氣體排放過多的問題, 2011年11月8日, 澳大利亞于通過了《清潔能源法案》, 旨在通過實施碳稅減少污染排放, 鼓勵發展清潔能源(陸燕等, 2011)。

相對于西方發達國家而言, 中國是清潔能源發展的后起之秀。雖然進入21世紀后開始大力發展清潔能源, 但經過十幾年的學習與創新實現了超越式發展, 目前已成為全球清潔能源利用最多的國家(李昕蕾, 2017c)。

能源供需矛盾突出的印度在進入 21世紀后也開始積極發展清潔能源產業, 出臺了一系列政策并成立了相關機構。如印度政府出臺了《農村電氣化政策》《2005年國家電力政策》《2006年電價政策》《清潔能源政策(草案)》等, 成立了新能源與清潔能源部等相關機構推動清潔能源發展(劉曉燕, 2012)。

此外, 法國、荷蘭、加拿大等國家也積極發展清潔能源產業。

3 全球清潔能源產業發展現狀

3.1 清潔能源投資呈現增長態勢

據彭博能源財經(BNEF, 2020)和國際可再生能源署(IRENA, 2020a)統計, 2019年全球清潔能源投資為3830億美元, 是2010年投資的1.3倍, 占全球能源投資的23.6%, 比2010年提高了6.1個百分點(圖1)。其中, 風能投資最高, 為1430億美元； 其后依次為太陽能(1410億美元)、地熱(770億美元)； 水電投入最少, 為220億美元, 不足2013年投資最高峰701億美元的1/3。

圖1 全球清潔能源投資變化Fig.1 Global clean energy investment

3.2 清潔能源裝機容量增長明顯

據國際可再生能源署(IRENA, 2020b)統計,2019年全球清潔能源總裝機容量為 2533 GW, 是2010年總裝機容量的2倍(圖2)。其中, 太陽能總裝機容量增長最快, 2019年為586 GW, 是2010年的14.1倍； 其后依次是風能623 GW, 是2010年的3.4倍； 地熱 13.9 GW, 是 2010年的 1.4倍； 水電1310 GW, 是2010年的1.3倍。此外, 海洋能總裝機容量相對較低, 自2011年超過500 MW后保持緩慢增長態勢, 2019年為531 MW。

圖2 全球清潔能源裝機容量變化Fig.2 Global clean energy installed capacity

3.3 清潔能源多元發展

隨著環境保護意識逐漸增強, 全球各國不斷加大清潔能源的開發利用, 清潔能源消費持續增長,不斷優化全球能源消費結構。據BP(2019)數據統計,2018年, 全球清潔能源消費14.15×108t油當量, 同比增長6.9%, 是1990年的2.8倍, 占全球一次能源消費的10.2%, 比1990年提高了3.8個百分點。其中, 水電消費 9.49×108t油當量, 是 1990年的 1.9倍, 占全球清潔能源消費的67.1%； 風能2.87×108t油當量, 是 1990年的 350倍, 占 20.2%； 太陽能1.32×108t油當量, 是1990年的1506倍, 占9.4%； 地熱4620×104t油當量, 是1990年的2.5倍, 占3.3%。

進入21世紀以來, 清潔能源產業迅速發展, 有效地緩解了全球一次能源需求增長對化石能源的壓力。2000—2018年, 全球一次能源消費累計增長了47.36×108t油當量, 其中 18.5%的增量來自于清潔能源。清潔能源在能源消費中發揮了越來越重要的作用。2000年, 全球清潔能源消費增加了1 472.4×104t油當量, 占全球一次能源消費增量的6.7%； 2018年, 全球清潔能源消費增加了9992×104t油當量, 占 23.4%, 全球超過五分之一的一次能源消費需求增量來自于清潔能源； 其中, 2015年清潔能源貢獻最大, 其消費增量占全球一次能源消費增量的46.3%(圖3)。清潔能源消費增量結構變化明顯,由水電的“一家獨大”向多元化發展(崔榮國等,2018)。在清潔能源消費增量中, 2000年水電占主導地位, 為 69.1%； 風能 15.2%, 地熱 15.4%, 太陽能僅占0.3%。2018年, 清潔能源消費增量結構發生明顯變化, 風能占比最高, 為 35.1%, 提高了 19.9個百分點； 太陽能占 32.4%, 提高了 32.1個百分點；水電降至31.6%, 地熱降至0.9%。

圖3 全球清潔能源消費增量變化Fig.3 Consumption increment of global clean energy

4 清潔能源發展趨勢

4.1 清潔能源裝機成本預測

隨著科技的進步, 清潔能源開發利用成本不斷降低。據國際可再生能源署(IRENA, 2020a)統計,2010—2019年, 光伏發電裝機成本由4702 USD/kW降至 995 USD/kW, 下降了 78.8%； 陸上風電由1949 USD/kW 降至 1473 USD/kW, 下降了 24.4%；海上風電由4650 USD/kW降至3800 USD/kW, 下降了 18.3%； 聚光太陽能發電由 8987 USD/kW 降至5774 USD/kW, 下降了 35.8%； 地熱發電由5254 USD/kW降至3916 USD/kW, 下降了25.5%。由于相對比較容易開發的水電資源大部分已被利用,因此水電成本處于不斷增長的趨勢, 由1254 USD/kW增至1704 USD/kW, 增長了35.9%。雖然水電成本出現了明顯的增長, 但相對于海上風電、聚光太陽能發電和地熱發電依然具有較大的成本優勢, 因而水電項目仍將持續上馬。近年來, 光伏發電和陸上風電裝機容量快速增長的主要原因是其成本大幅下降, 相對于水電具有比較明顯的優勢。該機構預測至2030年, 聚光太陽能發電成本將進一步下降 35%, 光伏發電成本下降 58%, 海上風電成本下降55%, 陸上風電成本下降25%。

隨著全球各國對清潔能源重視程度的提高, 清潔能源利用成本將進一步下降。以國際可再生能源署(IRENA, 2020a)統計的過去10年的清潔能源發電成本為原始數據, 運用趨勢預測法對清潔能源發電裝機成本進行了預測, 結果表明：與 2019年相比,2050年光伏發電裝機成本下降接近六成至約400 USD/kW, 陸上風電下降超過六成至約500 USD/kW, 海上風電下約六成至約1500 USD/kW, 聚光太陽能下降超過七成至約1500 USD/kW, 地熱下降超過六成至約1500 USD/kW, 水電上升約一成至約1900 USD/kW(圖 4)。

圖4 清潔能源發電裝機成本預測Fig.4 Installed capacity cost of clean energy

4.2 清潔能源需求量預測

美國能源署(EIA, 2020)預計, 若2018—2050年全球GDP年均增長2.4%、人口年均增長0.7%, 2030年全球清潔能源需求約為21.8×108t油當量, 占一次能源需求總量的13.6%； 2050年全球清潔能源需求約為40.1×108t油當量, 占一次能源需求總量的19.7%。

國際可再生能源署(IRENA, 2020c)對全球清潔能源發展分三種情形進行了預測。假定2050年全球人口增至97億, 一是基準情形。根據2015年《巴黎協定》通過以后的各國實施政策進行預測, 2050年全球CO2排放量為43 Gt/yr。二是計劃情形。根據各國已發布的能源計劃進行預測, 2050年全球CO2排放量為 33 Gt/yr, 清潔能源占全球一次能源需求的25%, 將貢獻相對基準情形減少CO2排放量的45%。三是理想情形。根據清潔能源及其利用效率大幅提高進行預測, 2050年CO2排放為9.5 Gt/yr,清潔能源占全球一次能源需求的 66%, 將貢獻相對計劃情形減少CO2排放量的52%。

根據目前清潔能源產業的發展現狀和各國的重視程度, 本文認為美國能源署低估了清潔能源的發展, 其發展情形將略好于國際可再生能源署的計劃情形, 但其理想情形明顯過高預估了清潔能源的發展。本文根據生長曲線預測模型(SGompertz曲線模型)對清潔能源利用進行了預測, 結果如下：2030年全球清潔能源需求約為 30.5×108t油當量, 約占全球一次能源需求的 18%。其中, 太陽能需求約為6.4×108t油當量, 風能 9.2×108t油當量, 地熱2.8×108t油當量, 水電 12.1×108t油當量。2050 年全球清潔能源需求約為 57×108t油當量, 約占全球一次能源需求的 30%。其中, 太陽能需求約為12×108t油當量, 風能 22×108t油當量, 地熱 7×108t油當量, 水電16×108t油當量(圖5)。

圖5 全球清潔能源需求預測Fig.5 Demand forecast of global clean energy

5 中國清潔能源發展現狀

5.1 中國是全球最大的清潔能源消費國

據BP(2019)統計數據測算, 中國清潔能源消費增長迅速, 自 2004年起成為全球最大的清潔能源消費國, 2018年, 中國消費了全球 27.5%的清潔能源, 比美國、印度、俄羅斯、日本四國之和高出6.6個百分點, 成為全球二氧化碳減排的主要力量。美國和印度的清潔能源消費占全球的比重變化較小,美國在 10%～12%之間波動, 印度在 2.5%～4.0%之間波動。俄羅斯和日本的清潔能源消費占全球消費的比重呈下降態勢, 俄羅斯由2000年的5.7%波動降至2018年的2.9%, 日本則由3.6%降至2.9%(圖6)。

圖6 清潔能源消費國別占比Fig.6 Global clean energy consumption structure (by country)

5.2 清潔能源優化了中國能源消費結構

據BP(2019)統計數據測算, 中國一次能源消費中, 2018年清潔能源占比為12.7%, 較2010年提高了5.5個百分點, 明顯超過傳統化石能源天然氣5.3個百分點, 成為繼煤炭、石油之后的中國第三大能源來源(圖7)。中國一次能源消費中清潔能源的占比遠高于美國和印度的 7.3%、俄羅斯的 6.0%、日本的 9.6%, 因此, 中國清潔能源的大規模利用為實現碳減排目標奠定了良好的基礎, 極大地促進了生態文明建設。

圖7 中國一次能源消費結構變化Fig.7 Consumption structure of primary energy in China

6 結論

6.1 清潔能源的利用程度與碳排放量呈負相關關系

本文按年度計算了 2000—2018年的二氧化碳排放變化率、清潔能源在一次能源消費增量中的占比(圖8), 并對以上2組數據進行了相關性分析, 運用 correl函數計算得出兩者之間的相關系數為-0.518, 表明兩者之間為負相關關系。也就是說, 清潔能源的利用程度越高, 對二氧化碳減排的貢獻越大； 反之, 清潔能源的利用程度越低, 對二氧化碳減排的貢獻越小。因此, 為了達到二氧化碳減排目標, 各國應當進一步重視清潔能源的發展。

圖8 一次能源增量中清潔能源占比與二氧化碳排放量變化率之間的相關性Fig.8 Correlation between proportion of clean energy in the primary energy increment and the rate of carbon dioxide emission change

6.2 清潔能源利用將改變全球一次能源格局

目前, 全球能源消費格局基本處于以化石能源煤炭、石油、天然氣“三分天下”的狀態, 清潔能源和核能消費處于起步階段。隨著清潔能源的快速發展, 清潔能源在2030年將占一次能源需求的20%左右, 2050年約占 30%左右, 甚至更高, 全球一次能源消費的格局將變為煤炭、石油、天然氣、清潔能源“四分天下”。這種格局改變對全球環境保護和二氧化碳減排具有重大意義, 同時也將對一次能源的供應格局產生深遠的影響。全球清潔能源潛力巨大, 分布在全球各個角落, 大規模開發利用將大幅度提高各國的能源自給率, 改變目前部分國家因化石能源分布集中而受制于他國的狀態。一旦全球各國的能源安全有了保障, 世界的政治和經濟格局也將發生相應的改變。

6.3 中國清潔能源發展在全球處于領先地位

進入 21世紀以來, 中國加速開發利用清潔能源, 2018年中國消費了全球超過五分之一的清潔能源, 遙遙領先于其它國家, 高于排名第二的美國16.3個百分點。一方面是因地制宜地充分發揮了中國豐富的風能、太陽能等清潔能源, 另一方面是政府出臺了一系列鼓勵清潔能源發展的政策措施。雖然中國清潔能源發展取得了巨大的成就, 但在能源消費結構中占比相對較低, 與煤炭、石油等一次能源差距較大。因而, 中國應當繼續支持和鼓勵清潔能源的大規模開發, 在一定程度上替代煤炭、石油等一次能源, 最大限度的降低對環境的干憂, 為全球環保貢獻力量。

總之, 大力發展清潔能源是大勢所趨, 全球各國都應當抓住這一發展機遇, 將清潔能源利用打造成新的經濟增長極, 加快推動經濟和社會的發展,為全人類謀求幸福。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.Zhongdidiaoyan[2019]410).