可再生能源、电气化和能效是能源转型的三大主要支柱

近日,国际可再生能源机构(IRENA)发布《世界能源转型展望:1.5℃路径》报告预览版,概述了推动能源系统转型,构建一个可持续、有韧性和包容的能源系统,以实现“巴黎气候协定”目标、应对气候变化的潜在可行性途径。报告强调了技术选择、投资需求和社会经济等多种因素会对潜在途径产生影响,并探讨了上述因素的作用。主要内容如下:

一、为达到1.5℃情景目标,全球须在2050年前实现净零排放

尽管使用清洁、经济和可持续能源已成为广泛共识,但2014-2019年间,全球能源相关碳排放量依旧每年增加1.3%。2020年,由于新冠肺炎疫情全球大流行,全球碳排放下降了7%,但短时间内碳排放将反弹。过去几年,得益于政策的支持以及技术和系统的创新,能源部门已开始进行能源转型,可再生能源技术正在主导全球新增发电装机市场。随着2019年可再生能源部署的增加(全球新增规模约176吉瓦),2020年将是风能和太阳能光伏市场创纪录增长的一年,目前的市场预测显示将分别新增约71吉瓦和115吉瓦。全球交通电气化转型持续推进,与2019年相比,2020年全球电动汽车销量增长43%达到329万辆,占全球新车销量的4.2%。关键核心技术如电池组成本迅速下降,从2018年的平均181美元/千瓦时降至2020年的137美元/千瓦时(最低甚至低于100美元/千瓦时)。

然而,全球能源转型速度远低于实现“巴黎气候协定”所需的速度,根据当前各国制定的政策承诺(即IRENA的“已规划能源情景”),全球排放量将趋于稳定并在2050年略有下降。然而,如果现有政策没有完全实施,未来三十年碳排放量可能上升27%。总体而言,已规划能源情景减排速度远低于1.5℃情景[1]。人为CO2排放中能源部门占到80%,因此其将在脱碳过程中发挥核心作用。为在2050年达到净零排放,CO2排放量必须年均减少3.5%。1.5℃情景表明,这一减排速率是可以实现的,但极具挑战性,需要在多方面采取紧急行动。可再生能源在脱碳努力中将发挥关键作用。2050年90%以上的减排方案涉及可再生能源。在既有能源政策情景中,预计2050年的年排放量将达到365亿吨。在1.5℃情景下,碳排放需要降至净零,这要求所有部门都需要实现几乎净零排放。因此电力、供热和工业等部门还需要更多努力,通过负排放实现额外的碳减排量。

二、能源系统脱碳所需的技术组合大多数都存在,但仍需开发创新的减排方案

IRENA提出的1.5°C情景考虑了当今已被证实的成熟技术,以及仍在开发中、到2050年可能发挥重要作用的创新技术。例如在可再生能源发电技术领域,海上可再生能源,如海上浮动式风力发电和新兴的海洋能源技术可以支持可持续的长期发展,并推动蓝色经济繁荣发展。终端应用领域也需要创新,从电气化交通(如远程电动卡车)和电力合成制燃料(如绿氢制氨和甲醇),到传统制造业生产过程(绿氢炼钢)以及绿色建筑(如智能建筑的能源管理和净零排放建筑)。到2050年,电力将成为主要的能源消费形式,在终端能源消费总量中占比将从现在的21%上升到50%以上。预计2050年90%的电力需求将由可再生能源提供,6%由天然气提供,剩下的由核能提供。

三、可再生能源、电气化和能效是能源转型的三大主要支柱

全球能源转型中最重要的协同作用是越来越多地使用低成本可再生能源技术,以及在交通运输和供热制冷行业中更广泛地使用电力。电气化转型能够让用能终端使用零碳电力来代替化石燃料,从而显著提高能源供应系统的整体效率,如电动汽车比内燃机效率更高,水力发电比天然气发电效率更高。

在1.5℃情景下,可再生能源在一次能源中的份额必须从2018年的14%增长到2050年的74%。在此期间,由于能效提升和可再生能源部署规模增长,一次能源供应趋于稳定。在未来的十几年里,循环经济将发挥越来越重要的作用,有助于减少能耗,提高资源使用率;同时受到创新驱动,工业部门的材料利用率将得到进一步提高。先进的数字通信技术以及连通性的增强将使重型货物的运输得以优化(如交通管理的效率提高,货运整体能耗减少)。技术的创新发展也将促使工业生产过程发生根本性变革,如从传统的能源密集型炼钢转向采用绿氢的绿色炼钢。电弧炉的广泛使用可以使钢铁行业迁往成本相对低廉且可再生能源丰富的地区。上述转变还可能对地缘政治和全球经济产生影响。在1.5℃情景下,能源强度的年度改善速度需从2019年的1.2%提高到3%。终端用能部门的电气化转型和使用可再生能源将发挥重要作用。到2050年,可再生能源(包括可再生燃料和基于生物质的除碳技术)、电气化和能效将贡献90%以上的CO2减排量。

四、到2050年发电量需增至三倍,且可再生能源电力占比需达到90%

在1.5℃情景下,终端用能部门的的快速电气化以及绿色制氢技术的兴起将推动电力需求的增加。到2050年,发电量将是当前水平的3倍,可再生能源在总发电量中占比将达到90%,远高于2018年的25%。其余的电力主要来自天然气(约6%)和核能(约4%)。风能和太阳能光伏发电在发电组合中占主导地位,到2050年将提供电力需求总量的63%。其他成熟的可再生能源技术(如水电、生物质发电、地热能发电、太阳能热发电)和新兴技术(如海洋能发电)也将在电力部门脱碳方面发挥重要作用。

与此同时,可再生能源装机容量需从目前的2500吉瓦增加到2050年的27700吉瓦,意味着每年需新增840吉瓦,远高于近年来年均200吉瓦的增量。太阳能光伏和风能(包括陆上风能和海上风能)将成为这一增长趋势的主要贡献者。到2050年,太阳能光伏装机容量将超过14000吉瓦,风能装机容量将超过8100吉瓦。其余的增长主要来自水电、生物质发电、地热能发电、太阳能热发电以及海洋能发电。

太阳能、地热能和生物质能将为工业生产过程、烹饪、建筑供暖提供能量,并为交通运输部门提供动力燃料。在1.5℃情景下,可再生能源的直接使用需求将从2018年的44艾焦增长至2050的77艾焦。在工业和交通领域,生物质能将是重要的燃料来源,到2050年现代生物能源在终端能源消费中的占比将从目前的1.5%左右增至17%。生物质能主要应用领域包括为航空和航运部门提供先进生物燃料,为化学工业提供可再生燃料和原料,以及为特定的工业部门供热。此外,生物质能结合碳捕集与封存技术(BECCS)还将用于电力和热力生产以及一些工业过程(如水泥生产)。IRENA分析发现,可以在不引起森林砍伐或破坏土地生态环境的情况下实现可持续发展的一次生物质原料收集,但需要在全球建立健全的监管、认证和监测体系,以确保生物质供应的环境、社会和经济可持续性。

五、电力系统需变得更加灵活,因为波动性可再生能源发电占比将达到63%

波动性可再生能源(VRE)将是未来电力主要来源,因此电力系统灵活性将是高比例集成耦合VRE的关键因素。到2030年,VRE在总发电量中的份额将达到42%。到2050年,73%的装机容量和63%的发电量将来自VRE(主要是太阳能光伏和风能),而目前其在全球总装机容量和发电量的占比分别仅为15%和17%。因此,需进一步创新改进升级当前技术才能实现上述目标。世界各国在VRE消纳方面已取得一些较好进展:2019年,VRE在丹麦发电结构中的占比超过50%(其中风电占47%,光伏发电占3%),在立陶宛发电结构中占比超过40%,在德国发电结构中的占比超过34%(其中风电占23%,光伏发电占11%)。需要进行系统性创新,包括商业模式、市场、监管和系统运行等多方面整体性创新,以增强电力系统的灵活性,消纳比例不断上升的VRE。IRENA充分考虑到不同国家和地区电力系统的具体情况,已经提出了30种潜在的电力系统灵活性改善方案,这些方案还可以相互组合形成全面的解决方案。随着越来越多的国家设立高比例甚至100%可再生能源电力系统的目标,采用系统性的创新方法将变得更加重要。

未来的智能电力系统将会集成极高比例的VRE,因此需要在电网和灵活性措施(如储能)方面进行大量投资,预计到2050年对VRE的年投资额将增长近两倍,从2019年的2750亿美元增长到7300亿美元。

六、电力将成为关键能源载体,到2050年占终端能源消费的50%以上

到2050年,电力将成为最重要的能源消费形式。到2030年,直接电力消费(即直接使用电力,不包括电力合成燃料)在终端能源消费中的份额将超过30%,到2050年这一比例将超过50%,远高于当前21%的水平。到2030年,绿氢和以绿氢为载体的燃料(如氨和甲醇)在终端能源消费中的占比将达到2%,到2050年,这一比例将进一步增长到7%,而目前这一比例可以忽略不计。总而言之,到2050年直接和间接电力消费将占终端能源消费的58%以上。

到2050年,建筑行业的直接电气化率最高,将从目前的32%上升到73%;工业部门直接电气化率也将增长,从目前的26%上升到35%(加上间接电气化,2050年电气化率将接近40%)。而对于供热制冷部门,热泵的安装数量到2030年将超过1.8亿台,到2050年将接近4亿台。

未来几十年,交通运输行业电气化率增长最快。到2050年,交通运输行业的电气化率将从目前的1%大幅增长至49%;电动汽车的保有量将从目前的1000万辆增加到2030年的3.8亿辆,到2050年将达到17.8亿辆;到2050年电动卡车的保有量将增加到2800万辆。到2050年,电动汽车将占到全部销售汽车的80%以上(其中轻型汽车中88%为电动汽车,重型汽车中比例为70%)。技术创新和大规模部署将使交通运输电气化成本降低,如果目前成本下降趋势能够继续持续,到2050年全球大部分道路运输服务都可以通过电动汽车来实现具有成本效益的运营。

七、到2050年,氢及其衍生物将占终端能源消费的12%

到2050年,30%的用电量将用于生产绿氢以及衍生物,如电制氨或电制甲醇,氢及其衍生物将占终端能耗的12%左右。为实现这一目标,制氢电解槽的装机容量需达到5000吉瓦,而目前仅为0.3吉瓦。到2030年,通过使用低成本的可再生能源电力(约20美元/兆瓦时)可使绿氢生产成本与蓝氢相当,如果未来十年制氢规模快速扩大,绿氢生产成本将继续下降至1.5美元/千克。

与已规划能源情景相比,在1.5℃情景下氢能将分别为工业和交通运输部门减少12%和26%的CO2排放量,这为难以通过直接电气化实现减排的行业提供了一种潜在的选择方案。目前,全球每年生产约1.2亿吨氢气(14艾焦),但几乎都来自化石燃料制氢,绿氢产量占比不足1%。随着电解槽成本下降以及可再生电力成本的进一步降低,在来5-15年内,许多地区的绿氢成本将低于蓝氢成本。在1.5℃情景下,到2050年,氢的需求量将达到6.13亿吨(74艾焦),其中三分之二将是绿氢;而生产上述氢所需消耗的电力将接近21000太瓦时,几乎相当于目前全球电力消费水平。实现上述目标意味着要大规模部署电解槽,即从当前到2050年,年均电解槽装机新增容量需达到160吉瓦。安装速度将从未来几年的每年新增数吉瓦开始,到2030年开始显著上升,到2050年将超过400吉瓦/年。

在交通运输领域,直接电气化和氢能将贡献67%的减排量。在工业领域,电气化和氢能将贡献27%的减排量。在建筑领域,电气化(直接和间接)是最关键的减排手段,将贡献超过一半的减排量,其次是能效。创新将有助于推动能源转型,并使能源部门快速脱碳。降低低碳技术(如绿氢等新兴技术)的成本是创新的首要任务,一系列新兴技术解决方案将显著影响能源部门脱碳进程。在创新和规模经济的推动下,可再生能源成本竞争力将逐步增强。

八、降低其余能源和工业过程相关碳排放需要利用碳捕集与封存技术(CCS)以及其他脱碳技术

到2050年,除使用上述可再生能源和氢能外,仍将消费部分化石燃料,因此化石燃料使用和工业生产过程仍将会产生一定的碳排放。既需要CCS技术来减少排放到大气中的CO2,也需要其他脱碳措施/技术,并与长期碳封存技术相结合,以实现负排放。其他脱碳措施/技术包括:植树造林,生物质能结合碳捕集与封存技术(BECCS),以及直接空气碳捕集与封存技术和其他一些目前尚处于试验阶段的方法。BECCS涉及生物质燃烧、生物质发酵或生物质气化/热解,其优势在于,实现CO2排放实际为负排放。

BECCS技术的应用案例很多,包括,利用生物质(如木屑颗粒或甘蔗渣)发电和供热,其中CO2被捕集和封存;在水泥窑和炼钢高炉中使用木炭作为燃料并捕集CO2;在以生物质为原料的化工厂(如生物乙醇的生产和其他生物塑料制品的生产)进行碳捕集;分离沼气中的CO2来生产生物甲烷。在1.5℃情景下,BECCS技术主要在电力、热电联产和工业生产(如水泥)中发挥重要作用,到2050年利用BECCS技术每年将捕集和封存近40亿吨CO2,而2020年这一数值不足200万吨。

在1.5℃情景下,CCS技术的作用受限,主要应用于水泥、钢铁、化工生产过程中,而其在工业/垃圾焚烧等方面并不常用。到2050年,工业生产和蓝氢生产过程的碳捕集量将从目前的4000万吨/年增长到30亿吨/年。BECCS将在发电厂、热电联产、特别是水泥和化工行业发挥关键作用。到2050年,BECCS将贡献超过52%的碳捕集量。

九、基于快速的能源转型措施,到2050年化石燃料使用量将减少75%以上

在1.5℃情景下,从2021年到2050年,伴随着化石燃料消费的持续走低,化石燃料产量将减少75%以上。在电力和一部分工业领域,化石燃料仍将发挥作用,到2050年其仍将占一次能源供应的19%。石油和煤炭下降速度最快,而天然气预计在2025年左右达到峰值后开始下降。到2050年,天然气将是最大的化石燃料来源(占化石燃料供应总量的70%);天然气产量将从目前的4.2万亿立方米下降到2.2万亿立方米,其中70%的天然气用于电力/热力以及蓝氢生产,其余主要用于工业领域。到2050年,全球石油产量将较目前水平大幅下降约85%,降至略高于1100万桶/天,主要用于石化工业,以及航空和海运。煤炭产量下降幅度更大,2050年全球煤炭产量将从2018年的57.5亿吨/年降至近2.4亿吨/年。具体来说,到2030年燃煤发电量较目前水平将大幅下降55%,到2040年将下降75%,到2050年将逐步淘汰。剩余的煤炭需求将主要集中在工业领域,用于钢铁生产(结合CCS)和化学品生产。

[1] 1.5℃情景:即到本世纪末,将全球温升控制在1.5℃以内.
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