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史丹:新一轮能源革命的特征与能源转型的体制机制建设

新一轮能源革命的特征与能源转型的体制机制建设

作者:史丹 ,中国社会科学院工业经济研究所书记、副所长

原文刊载于:《财经智库》2018年第4期。

内容提要:本文对第二次能源革命以来新能源技术发展趋势进行了概括,指出新一轮能源革命呈现多点爆发态势,在资源开发利用上,化石能源与可再生能源资源的开发都取得革命性的进步,但页岩油、页岩气革命是第二次能源革命长尾效应,不是第三次能源革命的主要内容。第三次能源革命与前两次能源革命的主要区别不仅在清洁与低碳能源资源开发方面,而且在能源利用方式、利用水平也发生革命性的变化,更重要的一点是新一轮能源革命除了技术创新外,还有政策驱动。本文还结合中国能源革命的特点,论述了中国推进能源转型所需要的体制机制改革。

关键词:能源革命;能源转型;体制机制

能源革命是推动人类社会发展的原动力。近两百年来,世界已发生过两次能源革命,当前正处第三次能源革命阶段。能源革命大致可分为三种形态:第一种形态,能源利用效率革命,如蒸汽机与内燃机的发明与应用,这是第一次能源革命的典型特证;第二种形态,发现和开发新的能源资源品种,如石油发现,电的发明与应用等,第二次能源革命主要特征,即以能量密度更高、使用更方便的能源作为主要燃料和动力;第三种形态,能源利用模式的变革,如储能,能源互联网等。发达国家依次完成了前两次能源革命,而我国能源革命则显示迭代特点,一方面加速完成第二次能源革命,另一方面开始第三次能源革命。

与前两次能源革命不同的是,新一轮能源革命具有多点爆发的特征:一是在资源开发利用上,化石能源与可再生能源资源的开发都取得革命性的进步,如页岩气,风能和太阳能等可再生能源的大规模商业性利用;二是在能源利用方式上,储备技术实现突破,使得工业革命中最重要动力驱动可由燃料转为电力,此外,分布式、可移动能源发展,也开创了新的用能模式;三是新技术在能源领域中的应用,如智慧能源,能源互联网等。此外,最重要的一点是:新一轮能源革命除了技术创新推动外,人的发展理念转变形成了政策推动力,主动把绿色低碳作为新一轮能源革命的选择目标。

一、新一轮能源革命的主要特征

(一)能量的来源由可耗竭资源转向不可耗竭资源,人类可利用的能源进一步广泛、多元

1. 页岩油、页岩气革命是第二次能源革命长尾效应

有人把美国页岩油与页岩气的成功开发视为第三次能源革命,笔者则不以为然,美国页岩油、页岩气革命是第二次能源革命的延续,实质上还是利用化石能源,是化石能源资源的深度开发。第二次能源革命的社会经济条件是以大规模工业产品生产制造为特征的工业革命为背景,它对能源的需求是集中、连续、大规模的供应,以满足连续不断的大批量工业生产的需要。页岩油、页岩气的成功开发,使油气资源开发进入更广泛的地质领域,增加了油气供应,也避免了在新能源可替代油气之前,因为油气资源短缺造成能源成本的上升,与美国提出的“再工业化”相辅相承。目前,美国页岩油、页岩气的革命红利已充分显示出来,美国的能源价格低于其周边国家。但是页岩油、页岩气的开发并不代表新一轮能源革命的方向,因为它没有解决化石能源资源开发和加工使用过程中产生污染物和温室气体的问题。此外,页岩油、页岩气的开发需消耗更多水资源和一些驱油、驱气的化学物质,对地下和地表的环境都有一定影响。唯一值得肯定的是页岩油、页岩气的成功开发增加了油气供给,使得世界油气产量峰值平移,对促进世界经济复苏具有积极意义。

2. 可再生能源将成为人类未来的主要能源

可再生能源种类多,用之不尽,生态环境影响小,是第三次能源革命的主要方向。截止 2017 年,全球风力发电装机容量总计为 539GW,全球光伏累计装机约为 390GW,与全球核电装机水平大致相当(391.5GW)。目前,风力发电、太阳能发电等电源技术日渐成熟,已进入成本下降期,具备替代化石能源的竞争力。

国际可再生能源机构(IRENA)报告显示,陆上风力发电从 2010 8 美分降到 2017 6 美分,总体下降 23%。未来 40 年内,风电技术还将进一步突破,发电成本随技术进步有望下降 50% 以上,到 2050 年风电占世界总发电量比重有望提高到 30%,年发电量可达到 22 万亿千瓦时。

目前光伏发电主要由硅基、薄膜和聚光太阳能发电三种形式。2010 年太阳能发电全球平均成本为 1 千瓦 36 美分,2017 年降至 10 美分,降幅达 73%。国际可再生能源机构(IRENA)预测,到 2025 年全球大型光伏电站投资成本可下降到 0.8 美元 / 瓦,相比 2015 1.8 美元 / 瓦的投资成本将下降 57%IEA预期光伏发电的长期成本可以下降到 0.065 美元 / 千瓦时。据国际可再生能源署预测,到 2022 年间全球光伏装机每年将以 6.7% 速度稳定增长,到 2022 年累计装机将达 871GW2030 年将达 1757GW

3. 核电向小型堆方向发展以进一步适应市场需求

2004 6 月国际原子能机构(IAEA)宣布启动以一体化技术、模块化技术为主要特征的革新型模块式小型堆(SMR)开发计划以来,涌现了 45 种以上的革新型中小型反应堆概念。国际上众多国家都在中小型反应堆上做了大量的研发工作,美国、俄罗斯、中国和韩国等都在积极开展小堆的研发和商业化推动工作。未来,中、小型反应堆将会以众多独特的优势在世界核电领域拥有举足轻重的地位。此外,第三代核电技术日趋成熟,世界范围内正在更深入开展第四代核电技术研究。第四代核能系统所具备的特性包括:投资不超过 1000 美元 /kW;建设工期不超过 3 年;不需要厂外应急;尽可能减少核废物;很强的防核扩散能力;全寿期全环节管理系统等。第四代核能系统不仅要考虑用于发电或制氢等核反应堆装置,还要把核燃料循环也包括在内,组成完整的核能利用系统。目前国际上已开工建设或正在开发的快堆、高温气冷堆、超临界水堆、熔盐堆等,被公认为第四代核反应堆。

4. 氢能商业化利用已开始起步

氢能利用包括制氢、储氢、加氢等多个环节技术。目前氢能在日、美、欧发展迅速,在制氢、储氢、加氢等环节出现了很多创新点。制氢有三种途径:一是可再生能源制氢。例如,日本东北电力公司和东芝公司合作,从 2016 3 月份开始实验利用太阳能电解水制氢,德国推出的 Power To Gas 项目即用电低谷时通过电解水的方式制造氢气。二是利用化石燃料制氢,例如,中国神华利用煤炭制氢。三是工业副产品制氢。例如,丰田提出了从生物和农业废料中制氢的技术路线。可再生能源的剩余电力再将生成的氢气注入当地的天然气管道中进行能源的储存。

氢能的存储是氢能应用的主要瓶颈之一。现阶段液氢储运逐渐成为研发重点,据统计,美国能源部所有氢能研究经费中有用于研究氢气的储存。日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。日本已经将液氢供应链体系的发展作为解决大规模氢能应用的前提条件。目前,液氢加氢站开始遍布日本、美国及法国市场。截止 2017 年年底,欧洲拥有 139 座正在运行的加氢站,亚洲拥有 118 座,北美拥有 68 座,南美拥有 1 座,澳大利亚拥有 1 座。氢燃料电池汽车已有样车并少量投入运营。

日本氢产业发展处于全球领先地位。2009 年开发家用燃料电池,2015 年氢燃料电池车投入市场,2017 年,产业用燃料电池进入市场。未来目标是进一步降低成本,扩大市场。丰田所产的 Mirai,其燃料电池堆最大输出功率为114KW,体积功率密度为3.1KW/L,重量功率为2KW/KG,续航里程为650 公里,百公里耗氢量约为 1 公斤。

(二)能源转换技术使得能源利用更加灵活方便,创造出新的生产与生活方式

1. 储能技术的发展加速电能替代,电能有可能成为主要终端能源

储能技术是解决可再生能源大规模接入和“弃风”“弃光”“弃水”等问题的关键技术,也是分布式能源、智能电网、能源互联网发展的必备技术。储能技术的发展将提高清洁能源发电比率,实现对化石能源的替代。19802017 年,电力占全球终端能源消费的比重从 10.9% 增至 19% 左右,上升了 8 个百分点,煤炭和石油的占比明显下降。电力目前是仅次于石油的第二大能源消费品种,未来有可能成为第一大品种。根据未来清洁能源发展以及各领域用能方式、用能效率提升的趋势判断,2 摄氏度情景下,2030 年以前,全球电能占终端用能比重将平稳上升,2030 年达到 24%,比 2010 年提高 6 个百分点;2030 年以后,技术发展将推动电能替代加速,2040 年达到 36%2050 年电能占比翻倍,达到 54%。以电为动力,会进一步改变经济社会运行的模式,以交通运输产业为例,工业设计要改变,生产制造环节要改变,交通基础设施要改变。

2. 分布式能源将进一步提高能源效率,改变能源集中供应的格局

分布式电源是指位于用户侧,就近接入低电压等级电网的发电设施或能量综合梯级利用的多联供设施,包括风能、太阳能等清洁能源分布式发电,以及余热、余压、余气发电和小型天然气冷热电多联供等。21 世纪以来,小水电、风电、太阳能发电等分布式电源效率比以往有了很大的提升,而且更加低碳、环保,成为未来发展的重要方向。随着物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代技术的快速发展,分布式利用方式将成为提升能源效率,降低用能成本,促进竞争与合作的重要发展方向。传统能源供给方式将从生产供应侧为中心转变到以用户为中心,在用户侧形成多种能源互补、多样化、互动化发展格局。传统电力系统面临重大转型。

3. 移动能源技术将使能源利用更为便捷

移动能源技术从广义上看是分布式能源的一种形式,但它具有独立的特性,由于它是以薄膜电池为主,体量轻,在弱光下也可以发电,并可与其他系统紧密相嵌,因此,在个人消费电子产品、国防、航空航天,航海等方面具有较大的应用潜力。受成本制约,移动能源技术最初应用于航空航天,但随着薄膜电池转化率的提高和成本的下降,呈现由“天上”向“地上”转移的趋势。移动能源技术的发展对当前来看,一是使消费者摆脱充电源的地理限制,二是脱离电力网络,创造出新的太阳能利用市场。

4. 能源互联网使能源供应进入平台式时代

能源互联网的概念与推动力源于中国。2015 9 26 日联合国发展峰会上,中国国家主席习近平面向全球,首次提出探讨构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架、以智能电网技术为基础支撑,实现清洁能源在全球范围大规模开发、输送、使用的基础平台。目前我国已成立全球能源互联网的国际组织,致力于推动能源互联互通,尤其是“一带一路”能源建设做出努力。从全球来看,一些地区跨国电力互联互通已有一定的规模,但阻碍互联互通发展的不是技术,而是政治与安全问题。

(三)政策驱动使得能源效率和绿色低碳技术成为主流,高碳能源使用受到限制

1. 政策选择与政府干预加快了第三次能源革命的进程

从第一次能源革命到第二次能源革命,能源结构转换持续了近百年时间,这一百年之久实际上是市场逐步接受和选择的过程,最终使得石油取替煤炭成为主要能源。若没有政策干预,第三次能源革命也不会在较短时期内完成。若以清洁能源的占比作为一个标志的话,第三次能源革命才刚刚揭开序幕,实现可再生能源为主的能源结构,最短需要数十年的时间。为此,一些国家积极推动能源转型,制定了一系列措施,加快了能源革命的步伐。例如,欧盟在《2050 年能源路线图》中提出到 2050 年可再生能源要占到全部能源消费的 55% 以上。中国提出温室气体排放在 2030 年前后达峰,并制定了控制能源消费总量、一些地区“禁煤”的严格措施。

2. 企业采取积极的行动,创造绿色低碳发展的市场空间

根据绿色低碳发展的趋势,一些企业进行了发展战略的重大调整。例如,挪威国家公司更名,由 Statoil 改为 Equinor,表明企业的发展战略重点将由石油转向包括可再生能源在内的全面发展,并致力于经济发展与生态环境的平衡协调。梅赛德斯 - 奔驰官方宣布,到 2022 年前旗下的传统燃油车将全部停产停售,届时所有生产的车型只提供混合动力版或者纯电动版。荷兰、德国、法国和英国等多个国家也公布禁售燃油车时间表。

二、中国能源革命的任务和能源转型的目标

(一)中国能源革命的任务

近年来,世界新增能源需求主要源于中国、印度等新兴经济体。从新能源发展速度、装机规模以及中国能源结构的变化来看,中国在新一轮能源革命中无疑是处在第一方队。但是,与其他国家相比,中国能源革命的领域更为宽广,任务更加艰巨。

首先,由于中国尚未完成能源结构由以煤为主转向以油为主的第二次能源革命,因此,在新一轮的能源革命中,中国能源革命要使中国能源结构发生迭代性的变化,具体体现为油气消费比重和可再生能源将同步快速增长。近年来,我国天然气消费增长速度和新能源投资与发电装机均居世界第一位。中国要尽快完成由煤炭到油气的过渡,转向全力发展可再生能源。

第二,煤炭清洁高效利用是中国能源革命的重要内容。尽管我国新能源发展迅速,但以煤为主的能源结构在短期内难以根本改变。目前,我国煤炭70% 用于发电,经过多年的技术改造,我国煤电已经可以实现超低排放,排放水平与天然气接近。煤电利用效率大幅度提高,发电煤耗处于世界领先水平。

第三,发挥拥有特高输电技术和规模庞大的电网优势。在输配电技术和电网基础设施方面,我国居于世界第一方队。这些技术优势,可以使我国通过优化产业布局和能源布局,降低能源消耗,提高能源利用效率和清洁能源发电上网的比例。

在新一轮能源技术革命的推动下,能源转型在各国逐步展开。但能源系统是经济系统的一个组成部分,能源转型能达到一个什么样的目标最终还是取决于经济系统相互的作用。中国应该抓住新一轮能源革命的机遇,结合国情,发挥经济领域比较优势,利用政治领域的制度优势,实现绿色低碳发展。

(二)中国能源转型的目标

能源转型从结果来看体现在能源结构的根本性变化。我们在相关研究中,利用系统动力学模型,根据资源与温室气体排放的约束条件,对我国各能源品种消费趋势、二氧化碳排放进行了模拟,结果显示,2020 年我国能源消费总量达到 49.83 亿吨标煤炭,2030 年达到 55.3 亿吨标煤,2050 年达到 57.57 亿吨标煤。其中,可再生能源占比可分别达到 15.8%26.4% 62.8%。二氧化碳排放分别为 98.5 亿吨、90.8 亿吨和 44.1 亿吨。2050 年二氧化碳排放比 2020年减少近一半,能源利用效率提高 60% 以上。若按能源结构标准来衡量,2050 年我国基本上实现了能源转型。

综合考虑成本与收益,中国能源转型可分三个阶段推进。第一阶段是换档调整期,可再生能源中低速发展,比例提高到 15%,人均二氧化碳排放量将在 20252030 年达到峰值。第二阶段是可再生能源中速发展,能源比例有较大的提高,预期人均二氧化碳排放量将与世界平均水平接近。第三阶段是高速发展期,可再生能源占主导地位,能源效率进入世界前列,人均二氧化碳排放量远低于其他发达国家,能源转型初步实现。

三、中国体制机制建设

从总体上看,当前世界各国能源转型均处于初期阶段。促进能源转型,有多种路径和政策措施选择,但概括起来,可分为三类:一是实施可再生能源配额,为可再生能源提供市场发展空间,促进可再生能源发展;二是改变现有的价税体系,包括取消化石能源补贴,征收资源税、碳税和环境税等,制定清洁能源电价;三是实施能效政策,改进能源利用效率。体制机制是能源转型的重要保障。从能源转型的客观需要出发,中国当前体制机制改革与建设需要做好以下几方面的工作。

一是强化有利于能源转型的电力市场制建设。新能源利用主要是以发电的形式,电力市场体制建设至关重要。在电力体制改革过程中,要注意以能源转型为最终目标,建立适应新能源发电的电力系统,发展智能电网和电动汽车,促进跨区域电力交易,开展新能源发电的辅助服务,在条件许可的地区,推动电力与其他能源的综合供应。

二是完善可再生能源发电补贴政策。根据测算,2020 年以后,一些可再生能源不再需要补贴,但是从总体来看,可再生能源价格仍不具有市场竞争力。目前,中国可再生能源补贴存在一定的缺口。随着可再生能源发展及其内外环境的变化,政府对可再生能源的补贴要发挥政策导向作用,注意对分布式发电的补贴,提高可再生能源发电装机的利用率,优化可再生能源补贴资金来源,保持补贴政策的稳定性。

三是要发挥产业在节能减排的积极作用。产业具有双重身份,一方面是能源消耗的主体,另一方面也是推动节能减排和能源转型的技术载体。能源转型要坚持以产业为重点,强化节能减排措施,一方面降低能源需求增速,另一方面强化低碳清洁技术的供给与应用。要大力发展低碳绿色农业,积极构建低碳工业体系,实施服务业的绿色发展,加强行业准入管理,规范新能源产业发展。

四是大力发展绿色金融。可再生能源发展和化石能源的清洁利用,需要巨大的投入,资金投入不足会严重影响能源转型。要强化新能源产业的投融资机制建设,完善金融服务,扩大银行业对新能源产业的信贷支持,鼓励金融创新,推进与新能源相关的金融产品开发。完善资本市场,实现新能源产业金融支持的多元化,加快设立新能源产业投资基金,大力发展风险投资和创业投资,拓宽资金来源渠道,促进新能源投资主体多元化。

五是相当长的时间内,化石能源仍将是我国的基础能源。改革化石能源的管理体制,做好行业的兼并重组和企业退出机制建设,避免低效低成本过度竞争,有效化解过剩产能。提高化石能源生产与消费的环境标准,推进化石能源生产和消费的高效化、清洁化。

来源:财经智库CASS

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