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IRENA:可再生能源正主导全球电力增量

作者:CASEnergy 来源:国际能源研究中心 发布时间:2020-05-19 浏览:
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国际可再生能源署(IRENA)于近日发布了《可再生能源展望:能源转型2050》报告,展望了实现能源系统脱碳转型的可再生能源发展目标,为低碳、清洁、可持续发展的能源未来提供参考。报告提出,当前为实现气候目标做出的努力仍有较大差距,到2050年全球能源相关碳排放需以每年3.8%的速度下降才能使全球平均温升控制在2℃以内,可再生能源在终端能源消费占比应增至66%,而能源强度改善速度需提高到每年3.2%。

报告进一步指出,加速利用可再生能源促进能源转型能够成为全球经济复苏的重要要素,到2050年全球可再生能源就业岗位将增加三倍至4200万个,能源相关工作岗位将达到1亿个。

报告主要内容如下:

一、为实现气候目标的计划与实际行动之间仍有差距

1、各国为碳减排做出的努力仍然存在差距。一些国家追求净零排放,而另一些国家仍未设定政策目标。在《巴黎气候协定》框架下提出的“国家自主贡献”(NDCs)目标不如在最新的能源计划和市场发展上有雄心。据IRENA估计,目前的国家自主贡献(NDC)电力目标仅为实现2030年全球气候目标所需可再生能源电力的40%。

新冠肺炎疫情引发的健康危机、人道主义危机、社会和经济危机可能会拉大差距抑或加速社会的脱碳进程,会出现哪条发展路线将在很大程度上取决于各国将采取的经济刺激措施,其中最重要挑战将是发展的可持续性、应对能力以及人民健康和福祉改善。通过建设脱碳社会来实现全球气候目标仍然需要加快速度。

2、世界迫切需要清洁、可持续的能源解决方案以加速碳减排步伐。近年来能源发展趋势表明了加速碳减排的必要性。尽管近年来可再生能源在能源结构中的份额、能源强度以及终端用能电气化程度都有所改善,但发展速度难以满足全球气候目标需求。根据当前各国制定的政策承诺及目标(即IRENA的参考情景“已规划能源情景”),到2050年全球一次能源需求将从目前的600EJ增长至710EJ,化石燃料消费量仍与当前持平,因此将无法满足全球碳减排目标。

IRENA的“转型能源情景”和“更深度脱碳情景”提供了全球经济长期稳定以及低碳安全发展的基础。根据“转型能源情景”,到2050年全球化石能源消费将下降75%,能源相关碳排放将以年均3.8%的速度下降至约100亿吨,比当前水平降低70%,使全球平均气温上升2℃以内(图1);而“更深度脱碳情景”则有望到2050年实现净零排放(最迟到2060年前实现),并使全球温升控制在1.5℃以内。

图1:到2050年全球一次能源需求、化石燃料需求以及能源相关碳排放变化

(TPES为一次能源供应总量;PES为“已规划能源情景”;TES为“转型能源情景”;Gt为十亿吨;EJ为艾焦)

二、能源行业已发生可喜变化,可再生能源正主导全球电力增量

1、可再生能源发电增长速度快于总体电力需求。2019年,可再生能源发电量的增长超过了电力需求的增长,而化石燃料发电量出现下降,这是几十年来在发电总量增加的情况下化石燃料发电量首次出现下降。在许多领域,光伏和风能正日益成为成本最低的电力来源,未来10年内大多数可再生能源的成本将具备竞争优势。

2、交通运输的电气化正呈现出加速变革的早期迹象,但建筑和工业部门的可再生能源消费增速较慢。由于太阳能光伏和风能(包括海上风能)的成本快速下降,加上电池、电动汽车等关键技术成本迅速下降,可再生能源制氢也被视为潜在的运输燃料,交通运输部门的转型速度正在加快。但可再生能源在建筑及工业领域的部署仍远远低于实现气候目标所需水平,必须加速提高能效和促进生物燃料发展。

3、到2050年,能源相关碳排放平均每年需要下降3.8%,可再生能源和能效将做出巨大贡献。按照“转型能源情景”,到2050年能源相关碳排放将比今天的水平下降70%,其中一半以上的减排量来自可再生能源(包括发电和终端用能部门),约1/4来自能效,加上直接和间接电气化(例如绿色氢能和电动汽车等技术),共可贡献90%以上的减排量(图2)。按照“更深度脱碳情景”,剩余的减排量(其中2/3以上来自航空、船运和重工业等具有挑战性的部门),主要依靠增加可再生能源、电气化(直接使用和绿色氢能)、进一步提升能效、采用碳管理以及其他消费习惯的改变等来完成。在能源领域以外,还需要努力减少非能源使用产生的排放,土地使用、土地利用变化和林业产生的排放以及煤炭、石油和天然气行业中的气体排放。

图2:报告各情景到2050年全球能源相关减排情况预测(单位:十亿吨/年)

4、作为降低碳排放的主要解决方案,能效和可再生能源需加速部署。能效和可再生能源是实现全球能源转型的两个关键解决方案。然而,由于能源需求持续增长,2010年以来可再生能源在全球终端能源消费中所占的份额仅在10%左右缓慢增长。2019年能源强度仅增长1.2%,低于过去十年的平均水平(1.8%)。按照“转型能源情景”,可再生能源、能效和电气化将共同贡献90%的能源相关减排量,可再生能源在终端能源消费占比到2030年应增至28%,到2050年需达到66%,而能源强度改善速度需提高到每年3.2%,才能满足全球气候目标(图3)。

图3:到2050年可再生能源在终端能源消费占比及能源强度提升速度变化

(TFEC为终端能源消费总量;PES为“已规划能源情景”;TES为“转型能源情景”)

三、为实现气候目标对能源系统的投入将带来多方面的收益

1、为了确保气候安全,需要扩大对清洁能源技术的投资并转变投资方向。需要将化石燃料投资转向可再生能源和能效,逐步取消化石燃料补贴。到2050年,“转型能源情景”中能源系统总投资需要达到110万亿美元,约占同期年均GDP的2%。其中,超过80%的资金应投资可再生能源、能效、终端用能电气化以及电网和灵活性。如果以年度计算,每年的投资水平应达到约3.2万亿美元。相比之下,2014-2018年期间平均每年的投资约为1.8万亿美元,而在“已规划能源情景”下未来将达到2.9万亿美元/年。如果希望实现“零碳排放”,到2050年对能源系统总投资需要达到130万亿美元(见图4)。

图4:到2050年能源系统总投资情况(单位:万亿美元)

2、加快可再生能源部署和提高能效回报将远大于投入。按照“转型能源情景”,能源转型每花费1美元,将获得3-8美元的投资回报(图5)。换言之,到2050年“转型能源情景”将增加19万亿美元的成本,但通过降低环境和健康损害,将获得50-142万亿美元的回报。要实现净零排放,“更深度脱碳情景”将需再增加16万亿美元投入,如果实现完全无排放则将增加26万亿美元成本,但零碳排放带来的收益将达到62-169万亿美元。另一种衡量成本的方法是在此期间减少一吨碳排放的成本。对于“转型能源情景”,该成本为34美元/吨,对于“更深度脱碳情景”净零排放,成本为100美元/吨,对于“更深度脱碳情景”完全零排放,成本为156美元/吨。

图5:到2050年能源系统脱碳转型的成本及收益(单位:万亿美元)

3、可持续的能源系统转型有望带来全新的社会经济发展模式,提升GDP增速并更深入改善民生。到本世纪中叶,GDP增速将比当前计划提升2.4%。累计收益将达到98万亿美元,远远超出能源系统转型所需的额外投资。能源转型有望带来全新的社会经济发展模式,到2050年全球可再生能源就业岗位将增至4200万个,是现有岗位的4倍,能效相关岗位将达2100万个,电网和灵活性相关岗位达到1450万个,能源相关工作岗位将达到1亿个,比当前就业岗位多72%。世界各地区将感受到环境和健康水平的提升,大众福祉得到广泛改善,福祉指数将提高13.5%。

四、实现能源系统转型的五大技术途径

1、电气化

(1)电力将成为未来能源系统的核心能源载体。尽管可再生能源补贴不断减少,全球GDP增速不断放缓,但可再生能源发电技术成本下降和新增装机容量正在刷新纪录。在能源转型的情况下,到2050年,电力将成为核心的能源载体,在终端能源消费占比从20%增长到接近50%,全球总用电量将增加一倍以上。

(2)电力在终端能源消费占比增速将增至四倍,从每年增长0.25个百分点增至1个百分点。在现有计划的基础上,每年还要增加1000TWh的电力需求,用于终端用能的电气化。为满足这一额外的可再生能源电力需求,每年需新建超过520GW的可再生能源发电容量。到2030年,可再生能源发电占比需从目前的26%上升到57%,到2050年则将上升至86%。可再生能源成本下降将加速这一增长,2020年投产的太阳能光伏和风能项目中4/5的机组发电成本将低于所有化石燃料发电。

IRENA新能源发电装机总量预测(2017-2050)

(3)终端用能部门电气化将推动可再生能源电力需求增长。在交通领域,电动汽车的数量将从2019年的约800万辆增至2050年的11亿辆以上。在供暖领域,热泵效率提升是传统供暖系统的2-4倍,到2050年,热泵安装数量将增加10倍,向此类高效电气化技术的转变也会带来能效的提升。

2、提升电力系统灵活性

(1)电力系统的灵活性是集成高比例波动性可再生能源电力的关键因素。气候友好型能源系统是分布式、数字化和电气化。目前,一些国家对波动性可再生能源的并网比例超过30%,这意味着波动性可再生能源的瞬时渗透率可能接近甚至超过电力需求,造成的电力过剩为进一步电气化提供了新的机遇。在“转型能源情景”中,73%的装机容量和超过60%的发电将来自波动性可再生能源(光伏和风能),而目前这一比例仅为10%。

(2)电力系统必须在技术创新、商业模式、市场设计和系统运行等方面实现最大的灵活性。在技术层面上,长期和短期储能对于增加灵活性都很重要,固定式储能(不包括电动汽车)的容量需要从现在的30GWh增加到2050年的9000GWh。如果将电动汽车用于电网储能计算在内,则将增加14000GWh至23000GWh。然而,大部分灵活性仍将通过其它方案来实现,包括电网扩张和运行措施、需求侧灵活性和部门耦合。智能解决方案如电动汽车智能充电可通过利用储能容量和需求侧的灵活性潜力,极大地促进波动性可再生能源并网。到2050年,“转型能源情景”下对终端用能电气化、电网和灵活性的投资将达到26万亿美元。

3、传统可再生能源

水电、生物能源、光热和地热等可再生能源都有着显著的开发潜力,其在“转型能源情景”中的减排贡献达到1/4以上,其中尤其重要的技术是水电和生物能源。

(1)水电可以为未来的能源系统提供重要的协同作用。在“转型能源情景”下,到2030年水电装机容量将需增加25%,到2050年需增加60%,而抽水蓄能容量则需增加一倍,即未来30年共需新增水电装机容量达到800GW,相当于2020年欧盟电力系统总容量。水力发电和其他可再生能源技术在电力系统运行方面的协同作用包括通过水力发电减轻风能和太阳能发电的短期波动性成本,以及实现资源的季节性互补。多用途水电基础设施还可以提供诸如调节河流流量和减少洪水等功能。

增加水电容量包括新建机组、升级现有电厂的涡轮机和系统,以及通过对非发电水坝进行改造。对于新建水电站需考虑当地的环境影响以探讨可行性。还需根据电力系统实际需求对水电机组进行调整,包括更快、更频繁地爬坡,以及评估气候变化对供水和水库蓄水需求的影响等。

(2)生物能源在终端用能领域将变得越来越重要。目前,生物能源在可再生能源的使用中占很大比例,并将继续成为工业发电和供热以及交通运输的重要燃料来源。在“已规划能源情景”下,到2050年现代生物能源(不包括生物燃料的传统用途)在一次能源供应占比将从目前的5%增加到10%。在“转型能源情景”中,生物能源在难以电气化的领域,如船运、航空和工业领域中将发挥重要作用,既可用于供热,又可作为原料,到2050年其在一次能源供应中占比将增至23%。与此同时,占生物能源需求很大一部分的传统生物能源将逐步被淘汰。

4、绿色氢能

(1)氢能可以为难以直接通电的能源需求提供解决方案。目前,每年大约生产120Mt(14EJ)的氢气,几乎所有都来自化石燃料或由化石燃料发电,仅有不到1%的“绿色”氢能。绿色制氢技术正取得进展,2020年全球最大(10MW)的绿色制氢工厂将在日本投产。绿色制氢主要通过可再生能源电力电解水生产,其成本正在迅速下降。

在未来几年内,绿色氢气将在低成本可再生能源电力的地区具备蓝色氢气(由配备碳捕集与封存系统的化石燃料制氢技术生产)的成本竞争力。随着成本的进一步下降,在未来5-15年内,许多地区的绿色氢气成本将低于蓝色氢气。某些能源密集型产业未来可能会迁移到可再生能源资源丰富的地区,以开发绿色氢气的应用潜力,如用于炼钢和氨生产。第一家利用绿色氢制氨的工厂预计将于2020年投产。

(2)绿色氢可以进一步加工成碳氢化合物或氨,以减少船运和航空排放。天然气行业也将氢视为天然气系统低碳化和延长现有基础设施寿命的潜在解决方案。氢的商品属性开发尚处于萌芽阶段,但它可能成为清洁能源的载体,增加对丰富、遥远、成本低廉的可再生能源资源的利用,这一发展可能产生重要的地缘政治影响,并进一步加速对可再生能源发电的需求。到2050年,在“转型能源情景”下,每年将生产160Mt(19EJ)的绿色氢,但这仅能满足当今全球能源需求的5%,每年还将生产80Mt(10EJ)蓝色氢。要达到这一产量,必须大幅扩大电解槽规模,从现在起到2050年,每年需新增50-60GW的容量。

5、通过创新应对行业挑战

(1)“更深度脱碳情景”提出在“转型能源情景”基础上进一步脱碳的挑战。在“转型能源情景”下,到2050年电力将满足一半的能源需求,剩下一半中1/3由终端用能的可再生能源提供,其余2/3由化石燃料提供。进一步减少化石燃料使用的解决方案包括增加可再生能源(生物能源、光热、地热)的直接使用,提高能效,以及深度电气化等。

从长远来看,“转型能源情景”下2050年剩余碳排放中有3/4来自船运、航空和重工业等行业,因此仍需应对此类行业的减排挑战。在这些具有挑战性的行业,生物燃料、合成燃料、新材料和循环经济的技术进步都极为重要。在中国等许多国家和地区,工业是占主导地位的能源消费领域,占终端能源消耗约一半。因此,迫切需要通过创新为钢铁、水泥和石化等关键行业找到工业过程和非能源使用的零碳排放解决方案。此外,创新对于解决航空和海运等难以电气化的运输方式仍至关重要。

(2)“更深度脱碳情景”提供了零碳排放的实现情景。在“转型能源情景”基础上,可再生能源、绿色氢和基于可再生能源的电气化贡献了剩余减排量的60%,还有37%来自能效和用能行为变化,其余3%来自碳捕集、利用与封存(CCUS)和核能。与“已规划情景”相比,若要将能源和工业过程相关的碳排放完全消除,各类技术所做出的贡献将为:可再生能源占43%、能效占26%、电动汽车占12%、绿色氢占9%、蓝色氢和CCS占7%、用能行为变化占2%、核能在1%以下(电动汽车和用能行为变化也可以被视为能效的一部分,或者电动汽车使用可再生能源电力也可归为可再生能源)。

关键字:可再生能源

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