基于情景設置的全球能源發展趨勢分析

劉之琳，李江濤，唐 偉，張成龍

(國網能源研究院有限公司，北京市昌平區，102211)

每年全球有十余家不同機構都會發布“全球能源展望”，其中絕大部分都采用了情景展望的方式。2020年至今，在全球應對氣候變化下的溫升控制目標和新冠肺炎疫情影響下，各機構全球能源展望出現了一些新變化。全球能源展望報告的發布機構主要包括國際能源組織(包括國際能源署(IEA)、國際可再生能源署(IRENA)等)、各國能源研究和咨詢機構(包括美國能源信息署(EIA)、日本能源經濟研究所(IEEJ)等)、能源公司(包括英國石油公司(BP)、殼牌石油公司(Shell)等)。國內開展能源展望的研究機構主要有國網能源研究院(SGERI)、中國石油經濟技術研究院、全球能源互聯網發展合作組織等。各個組織在呈現各自的能源展望時，必然會從不同的立場出發。筆者基于對各個報告的情景設置與展望結果進行對比研究，分析世界能源發展的未來趨勢。

1 情景設置

對11家主要機構在2021年12月之前發布的全球世界能源展望報告中的27個情景進行聚類，如表1所示。此27個情景又大致可分為3類。

(1)第一類情景為延續發展，設計的思路是“延續當前，未來走向何方”，主要是延續當前經濟社會發展、能源政策導向、技術進步創新趨勢或有限的新政策假設。主要包括IEA 既定政策情景(IEA STEPS)、IRENA基準情景(IRENA BES)、WEC硬搖滾(WEC HR)、EIA參考情景(EIA RE)、IEEJ參考情景(IEEJ RE)、BP一切如常情景(BP BAU)、OPEC參考情景(OPEC RE)、Equinor競爭情景(Equinor RV)、SGERI基準情景(SGERI RE)。

(2)第二類情景為變革轉向，設計思路是“采取行動，未來轉向何處”，主要通過變革行動推動能源轉型，研判全球能源發展的未來圖景。主要包括IEA宣布承諾情景(IEA APS)、IRENA已規劃能源情景(IRENA PES)、WEC現代爵士樂(WEC MJ)、IEEJ先進技術(IEEJ ATS)、Equinor改革情景(Equinor RF)、Shell島嶼(Shell IL)、SGERI凈零承諾情景(SGERI NZC)。

(3)第三類情景為目標倒逼(2 ℃/1.5 ℃)，設計思路是“目標導向，未來如何實現”，主要是以應對氣候變化、大氣污染防治、實現能源普及為目標，探索倒逼機制下，將全球平均溫升控制在2 ℃和1.5 ℃的全球能源轉型發展的可行路徑。其中目標倒逼2 ℃情景包括IEA可持續發展情景(IEA SDS)、WEC未完成的交響樂(WEC US)、BP快速轉型情景(BP Rapid)、IEEJ循環碳經濟情景(IEEJ CCE)、Equinor再平衡情景(Equinor RB)、Shell波浪(Shell WV)、SGERI 2 ℃情景(SGERI 2℃)；目標倒逼(1.5 ℃)情景包括IEA2050年凈零排放情景(IEA NZE)、IRENA轉型能源情景(IRENA TES)、BP凈零情景(BP NZ)、Shell天空(Shell SK1.5)、GEI碳中和情景(GEI)。

表1 國際主要機構世界能源展望情景設置及描述

續表1

2 預測情景對比和趨勢分析

不同機構的全球能源展望報告展望期不同、側重點各異、計算方法有別，筆者選擇2019年為基準，主要考慮2019年不受新冠肺炎疫情的影響，選取2050年為主要觀察年，部分報告選擇2040年或2045年為觀察年。聚焦于一次能源消費總量、分品種能源消費情況、碳排放等，從增長幅度、結構占比以及排放總量維度進行對比分析。

2.1 能源需求總量

未來20～30 a能源需求增長速度放緩，并在21世紀中葉開始趨于平穩。不同情景下，2050年一次能源需求較2019年的增長情況如圖1所示。由圖1可知，在延續發展情景下，2050年的全球能源需求除了EIA RE情景外，較2019年增長12%～30%之間，增長動力依然充沛，但速度放緩。EIA預計到2050年，世界能源消耗量將增長45%，相較于其他展望報告，EIA RE情景對亞洲地區能源需求預期更高。在變革轉向情景下，2050年全球能源需求增長8%～19%，SGERI NZC情景增長率為0。但大多數目標倒逼情景下，提高能源效率以降低能源需求強度，全球能源需求增長得到嚴格控制，2050年與2019年基本相當或略有下降。Shell情景展望中一次能源需求均較高，則是由于能源效率提高并不總能降低能源消耗，如循環經濟倡議回收聚合物等以降低對石油的需求，但是將舊材料進行加工分解需要消耗更多的能量。

注： WEC*觀察年為2040年，OPEC*觀察年為2045年圖1 不同情景下2050年一次能源需求較2019年的增長

綜合分析，延續發展情景下，能源需求總量仍然增長，但能源需求增速已較之前有所下降，變革轉向情景下2050年全球能源需求在206億～239億t標準煤之間，而目標倒逼情景下全球能源需求增長已放緩甚至有所下降。

2.2 能源消費結構

未來世界能源結構趨于多元，可再生能源均將出現大幅增長。在大多數的延續發展情景下，2050年全球化石能源總需求量與2019年水平相近，甚至顯著高于2019年水平。在變革轉向和目標倒逼情景下，化石能源急劇下降，但是天然氣在大多數情景下保持增長。可再生能源在所有情景中都有較大幅度增長，特別是在目標倒逼情景中。

2.2.1 煤炭：消費量均呈現下降趨勢，甚至需求量歸零

盡管從區域上有所差異，但是在未來幾十年，幾乎所有情景下全球煤炭需求都會下降，煤炭占比進一步降至20%以下。其中，延續發展情景下煤炭占比降至16%～20%。在變革轉向情景中，煤炭占比持續下降，除Shell IL情景，均降至15%以下。Shell的情景設置主要考慮了較高水平的碳捕獲與封存(CCS)規模。在目標倒逼2 ℃情景中，煤炭需求快速下降，除Shell WV情景外，均降至4%～13%。而目標倒逼1.5 ℃下的煤炭占比除Shell SK1.5外，均降至2%～3%，需求量幾乎歸零。

2.2.2 石油：第一大能源品種地位逐步被取代，石油峰值提前到來

2021年，全球石油市場短期內正走出低谷向好，但并未恢復2019年水平，且遠期發展空間不容樂觀。在多數延續發展和變革轉向情景下，石油仍能保持第一大能源品種地位，未來30 a份額下降較為有限，主要得益于發展中國家運輸、航空、化工等領域的需求增長。在目標倒逼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%之間。在目標倒逼1.5 ℃情景下下降較為明顯，BP NZ情景中，石油占比只有7%。BP、Equinor等石油巨頭均表示石油峰值將低于預期提前到來。BP認為2019年全球能源需求或是未來30 a的峰值，Equinor預測2027-2028年石油消費量達峰，OPEC則表示石油消費量將在2040年達峰。

2.2.3 天然氣：將超越煤炭成為全球第二大能源品種，是全球能源轉型的中堅力量

在短期內，多數情景都預計天然氣快速增長，天然氣相對清潔，是可再生能源發展的重要支撐，也是電力系統靈活性的重要組成。不同情景2050年一次能源分品種結構如圖2所示。由圖2可知，到2050年，延續發展和變革轉向情景下天然氣需求增長較快，目標倒逼情景下天然氣需求較早達峰，目標倒逼1.5 ℃情景2050年天然氣占比在10%～13%之間。

注： WEC*觀察年為2040年，OPEC*觀察年為2045年；EIA將水、生物質和其他合并；BP、SGERI將生物質和其他合并圖2 不同情景2050年一次能源分品種結構

根據各機構的分析，煤炭消費總量最先達峰，隨后石油峰值也將到來，某些目標倒逼情景下，天然氣也將消費達峰，以風能和太陽能為主的可再生能源增速較快，在所有情景中的占比都呈現上升趨勢，并有可能成為主要能源品種?？傮w而言，能源品種逐漸多元化，大多數情景下，到2050年，化石燃料仍占主體地位。

2.3 電力供需

雖然能效提升會減緩用電增長，但受工業化進程、電氣化加速、城市化發展等因素驅動，全球電力需求將保持快速增長。不同情景2050年發電量及分品種結構如圖3所示。由圖3可知，在延續發展情景下，國際主要機構預期2050年全球電力需求約為當前的1.5～1.8倍，全球電能占終端能源需求的比重大多數在22%～26%之間；在變革轉向情景下，除了Shell IL情景，2050年全球電力需求約為當前的1.7～2.0倍，2050年電氣化水平在25%～37%；在目標倒逼情景下，全球電力需求大幅增長，IEA NZE、BP NZ、Shell SK1.5、SGERI 2℃情景電力需求達到了當前的2.6、2.2、2.4和2.6倍，呈現出明顯的加速提升態勢，在目標倒逼2 ℃情景下，2050年電氣化水平基本達到27%～40%；而在目標倒逼1.5 ℃情景下，電氣化水平得到了大幅提升，基本達到了43%～51%，提高電氣化水平已成為減排目標的核心舉措，構建以新能源發電為主體的電力結構將是實現碳中和目標的重要手段。但是IEEJ ATS情景中，得益于能源效率提高，預期電力需求水平相對較低。

圖3 不同情景2050年發電量及分品種結構

化石燃料發電占比持續走低，可再生能源可滿足新增電力需求。在延續發展和變革轉向情景中，化石能源仍然繼續是全球電力的重要來源，除個別情景外，化石能源發電占比可達32%～58%，煤炭使用量幾乎保持不變，而石油使用量則在總體上接近于零，燃氣發電占比則有一定程度的上升。在目標倒逼2 ℃情景下，多數情景下，2050年化石能源發電占比降至16%～34%，非水可再生能源占比達到39%～60%；在目標倒逼1.5 ℃情景下化石能源發電占比最低降至2%，非水可再生發電占比高達78%。

綜合分析，在所有預測情景下，終端能源電氣化水平提高都將刺激電力需求增長，所有情景下煤炭發電量占比都會下降，大多數情景下天然氣發電量占比提升，可再生能源發電量所占份額則快速增長。提升電氣化水平和大力發展可再生能源發電成為全球能源轉型的重要路徑。

2.4 碳排放

延續發展政策無法實現全球溫升控制，需在能源政策、能效提升以及技術創新等方面加大力度并綜合施策。為了實現《巴黎協定》中提出的長期氣候目標，能源相關的二氧化碳排放量需要大幅下降。不同情景2050年能源相關碳排放如圖4所示，延續發展和變革轉向情景表明，目前所做出的努力還不能滿足為實現既定目標的減排要求。

圖4 不同情景2050年能源相關碳排放

新冠肺炎疫情大流行對2020年的能源需求產生了深遠影響，全球二氧化碳排放量減少了5.1%。 2021年，盡管可再生能源發電量實現了有史以來最大的年度增加，但惡劣的天氣和能源市場條件加劇了能源需求的復蘇，導致燃煤量大幅反彈，IEA數據顯示，2021年碳排放量較2020年增加了超過20億t，且超過了2019年新冠肺炎疫情大流行前的水平。

在延續發展情景下，碳排放維持在穩定水平，大致在318億～430億t。在變革轉向情景中，碳排放進入下行通道，2050年碳排放為210億～340億t，約為2019年前的60%～97%。在目標倒逼2 ℃情景下，2050年碳排放為89億～252億t，約為2019年的25%～72%。在目標倒逼1.5℃情景下，2050年碳排放約為2019年的0～28%。IEA NZE、BP NZ、GEI和IRENA TES情景中，在2050年碳排放分別降至0、14億、18.7億和100億t。未來10 a繼續增長的二氧化碳排放量迫使21世紀后期碳排放量更大幅度地下降，世界各國還需要在能源政策、能效提升、技術創新等方面加大力度并綜合施策。

目前看來，全球能源轉型路徑已逐步清晰，各國正在積極采取行動，但是大多數情景顯示，《巴黎協定》的氣候目標依舊很難實現，需要更為激進的政策和技術突破，這也與各機構此前版本展望報告中的說法大致相似。

3 一致性和差異性分析

各機構的展望期和情景設置差異較大，考慮到能源系統和影響因素較為復雜，各情景都無法準確描述到2050年和2100年的發展趨勢。筆者通過分析各展望設置情景和預測結果，尋找對未來能源發展的一致性判斷和差異性分析，從不同視角研判未來能源發展趨勢。

(1)新冠肺炎疫情短期內帶來了巨大的不確定性，但目前能源消費需求已恢復至疫情前水平。疫情使終端用能加速向生活消費轉移，建筑用能需求占比穩步提升，疫情下生產生活方式變革使世界石油需求峰值和化石燃料消費峰值提前到來，報告普遍認為能源消費在2021-2023年恢復至疫情前水平。IEA報告指出，2021年全球能源需求已反彈，相較于疫情前增加4%。但是不平衡的經濟復蘇對能源系統產生影響，天然氣、煤炭、石油價格大幅上漲，化石能源使用量大幅反彈可能會影響全球復蘇步伐。

(2)各機構普遍下調全球能源需求增長預期，但達峰時間差異較大。長期來看，經濟和人口增長仍將推動世界能源需求增長。受能效提升、氣候承諾壓力等因素影響，能源持續增長趨勢正在逐步被扭轉，各機構不同程度下調對全球能源需求的長期預期，但達峰時間差異較大。部分分析認為到2050年全球一次能源需求持續增長，如Shell報告認為雖然能效得到提升，但中間環節將消費更多能源。也有報告認為能源需求將呈現下降趨勢，或在幾年內達峰后下降。

(3)化石能源份額持續下降，對傳統能源利用仍有爭議。多數報告認為煤炭需求持續下降，考慮到電動汽車快速普及、燃油效率提升等因素，石油需求達峰也將提前到來，天然氣雖然還有較大潛力，但化石能源所占份額將持續下降。但是部分報告對傳統能源利用仍有爭議，如Shell認為未來碳捕獲與利用技術將使煤炭仍有一席之地。EIA也認為雖然可再生能源能滿足新增用電需求，但是天然氣、煤炭等未來也將用于保證供電可靠性。

(4)電氣化水平顯著提高，電力需求水平受能源效率影響不容忽視。相較于之前報告，各機構均調高了預期電氣化水平，但是電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，預期電力需求水平相對較低。

(5)碳達峰時間未定，實現溫控目標仍需作出巨大努力。相較于此前版本，各機構均認為碳達峰時間會提前，峰值會降低。Equinor RF情景甚至認為2019年已經實現碳達峰，但是IEA最新報告顯示2021年碳排放相較于2020年已出現反彈。雖然各機構調前了對全球實現碳達峰的時間預期，但是普遍認為當前政策和技術難以滿足全球氣候目標需求。為應對氣候變化，實現全球溫升控制目標，各國需采取更為積極的能源轉型政策。

4 結論與啟示

(1)各種不確定性因素對未來能源發展產生較大影響。各機構在進行能源展望中均考慮了疫情和溫升控制目標的影響，設置了多種預測情景，探索不同條件下潛在的發展路徑并研判未來能源發展趨勢。當前全球疫情仍在持續，大宗商品價格高位波動，石油、天然氣等能源原材料供應偏緊，俄烏沖突造成地緣政治局勢緊張，外部環境更趨復雜嚴峻和不確定，多重不確定因素綜合作用，將對未來能源發展產生深刻影響。

(2)能源低碳化轉型需化石能源轉型與可再生能源發展雙輪推動。化石能源在全球能源消費中占比仍然較高，能源綠色低碳轉型的關鍵是降低化石能源消費比重，但從各機構預測來看，大多數情景下全球能源需求仍在增長，化石能源消費在中期仍有較大空間，并且應考慮到疫情后全球經濟復蘇和能源危機下歐洲各國重新啟用煤炭。我國資源稟賦條件也決定了煤炭仍將被使用。因此，能源綠色低碳轉型不是簡單地減少化石能源生產，而應有更為明確的方案和路線圖進行化石能源轉型并大力發展可再生能源。

(3)發展可再生能源需更加靈活的電力系統。目前可再生能源發展較快，但是風、光等可再生能源的間歇性、波動性、隨機性對整個電力系統的靈活性提出了更高的要求。因此，要實現可再生能源的快速發展，除了降低成本以外，還需要推動整個電力系統的轉型，構建以新能源為主體的新型電力系統。

(4)實現碳排放控制目標需要積極推動技術革新和制定相關政策。各機構在進行情景設置時主要參考了技術發展和相關政策。實現能源綠色低碳轉型需要在更廣泛的能源技術領域取得突破，包括核電、碳捕集與利用和封存、氫能等。同時政府應積極制定能源轉型和碳減排政策和路線圖，發揮引領作用。