文献阅读 | 国家层面的风能和太阳能的动态增长与必要的全球气候目标增长相比较

题目

National growth dynamics of wind and solar power compared to the growth required for global climate targets

作者

Aleh Cherp , Vadim Vinichenko, Jale Tosun , Joel A. Gordon ，Jessica Jewell

期刊

Nature Energy

时间

2021年

一作

单位

Department of Environmental Sciences and Policy, Central European University, Vienna, Austria

链接

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00863-0

研究内容

实现气候目标需要在未来几十年风能和太阳能大量增长。前人的研究没有对必要的增长是否快于或符合历史上的技术进步给出统一意见。有些研究表明风能和太阳能的增长需要在未来十年翻倍以实现气候目标，而另外一些研究表明当考虑技术进步的加速增长时，这些技术变化能实现气候目标。这些争论与两个重要概念相关，即S形曲线的技术应用和从技术核心向四周的空间扩散。S形曲线是指新技术将加速增长直至达到最高增长量，然后增长将放缓。尽管以前的实证研究已发现风能和太阳能在不同国家加速或停滞发展，但是这些研究没有分析S形曲线所包含的增长路径和最大增长率与气候减排路径是否相一致。

观测现有的增长轨迹可能与减排路径没有直接相关，这是因为风能和太阳能在世界上大多数地方仍然没有达到最大增长率。存在这样一种可能性，在风能和太阳能引入较迟的国家，这两种能源将较快增长，因为这些国家可以从先驱者的经验获益。关于技术扩散的研究支持这个论断，这是由于许多技术在较迟引入该技术的国家将更快到达饱和状态。然而较迟的引入者也有可能具有不利的条件，比如新技术在周边区域具有更低的市场渗透，以及发达国家和发展中国家在技术使用方面存在的持续差距。总的来说，作者仍然无法确定全球学习的加速效应是否能比不利条件发挥更大作用，从而在较迟引入风能和太阳能的国家引起更快的增长。

关于过去技术变化的研究不能充分解答这个问题，这是因为采用历史技术与采用风能和太阳能不同。在过去，富有的工业化国家不仅率先引入新技术，而且支配这些新技术的全球使用，因而不可避免地使得历史技术进步的研究偏向OECD国家，即一个相对同质的群体。与之相反，为实现气候目标，大量风能和太阳能需要在原有的引入区域之外部署。世界的社会经济异质性会影响技术扩散，这个论断特别适用于风能和太阳能，因为风能和太阳能的加速发展特别需要政策支持。早期和后期采用者之间存在政策，制度和社会经济差异。

为了研究这一问题，作者查阅了60个最大国家的风能和太阳能增长轨迹，包含发达国家和发展中国家，这60个国家拥有超过95%的全球发电量。作者通过确定稳定增长的开始时间和S曲线的最大增长量而归纳出增长轨迹的特征。作者的研究表明对于绝大多数实现稳定增长的国家，最大增长量在每年电供应量的0.4%-1.1%之间。而较迟引入这些技术并不能导致更快的增长，这意味着最大增长率不太可能随着风能和太阳能的大量增长从先驱者（欧盟和OECD国家）向全球其他地方转移而增加。作者的研究还表明大多数1.5℃和2℃情景在全球范围或绝大多数区域能实现风能和太阳能的更快增长。

研究方法

作者测量了风能和太阳能增长的两个特征，即起飞年份和最大增长率，依据IEA电力生产的数据。作者的研究样本包含60个拥有最大电力系统的国家。小国被排除在研究之外是因为它们具有不规则的增长和起飞时间。

作者定义一国的起飞时间为风能或太阳能超过该国电供应量的1%。作者利用logistic回归以开展针对风能和太阳能起飞时间的事件历史分析法。在回归中，起飞时间为因变量，而前人研究中影响可再生能源发电的变量为自变量。

作者通过拟合风能和太阳能的增长曲线，发展了一个新的研究方法用于测算S曲线的最大增长率。具体而言，作者使用logistic和Gompertz模型来拟合增长曲线。作者利用计算实验和诊断分析来测验最高增长速率G对数据的稳健性。

作者使用IPCC的1.5℃情景，来测算1.5℃或2℃目标所需的风能和太阳能的增长。作者也比较了历史和未来的风能和太阳能增长率。

研究发现

采用新技术（如风能和太阳能）将经历三个不同的阶段。在最开始的形成阶段，高成本和不确定性导致缓慢而不稳定的增长；在形成阶段的最后，当社会技术体制形成时，新技术能够得到稳步的扩张。增长阶段从此开始，由于经济盈利性、技术学习和政策支持所产生的正反馈，在此阶段增长加速。在到达最高水平后，增长开始放缓，这是由于增加的边际成本，网格和系统融合的困难，地理限制，以及政策和社会的抗衡力，因而最终进入饱和阶段。在饱和阶段，新技术的市场份额不再增加。这三个阶段形成技术应用的S形曲线，用三个参数来描述特征，Griliches称为行动的开始、速率和目的地。这些参数定义了某一国采用新技术的轨迹，提供了一个描述国家差异的分析语言，不仅仅是简要比较应用水平和增长率。在本文中，作者主要研究前面两个参数，而实证研究风能和太阳能的目的还为时尚早。

对于行动的开始，作者使用风能和太阳能达到电供应量1%的年份，从而区分较早的采用者和较迟的采用者，以及分割形成和增长阶段。对于行动的速率，作者开发了一个新的测量方法。风能和太阳能在S形曲线的拐点实现最高增长速率（G），作者用logistic 和 Gompertz模型来拟合风能和太阳能生产曲线，从而估算G。作者的计算实验和诊断分析证实当国家实现稳定增长时，G对增长模型和数据变化的假设具有稳健性。此外，G也是对通常增长度量Δt（转变时期）的改善。Δt表示技术的市场份额从10%到90%或1%到50%所需的时间。Δt对S曲线中部的增长模型的假设和饱和状态时期的波动敏感，它也不反应可再生能源扩张对能源系统的影响。

上图显示出风能和太阳能在60个最大国家超过1%电供应量阈值的时间表。老欧盟成员是指最早引入风能的欧盟国家，比如丹麦在1989年实现1%的目标，西班牙在1999年实现，而大多数其他国家直到2008-2009年才实现。欧盟成员资格加速了风能的发展，因为它通过免费的设备，服务和资本援助，以及政策同质化和知识交流，便利了技术扩散。直到2013年，风能在大多数非欧盟的OECD国家，新欧盟成员，和五个最大的新兴国家（印度，中国，墨西哥，巴西，土耳其）达到1%电力生产量。风能在后引入国家起飞表明更大市场对技术研发员和投资者的吸引力和大国具有调配资源以引入新技术的能力。到2019年，风能在37个国家实现1%的目标。太阳能的起飞几乎遵循风能的序列，只不过要晚十年，1%的目标率先于2009年在德国和西班牙实现。相比较于风能，太阳能先驱者和后引入者的时间间隔更短，仅仅过了十年到2019年，60个国家中超过一半的国家（33个）到达1%的阈值。

风能和太阳能的起飞大体相关，但一些高收入的国家（比如瑞典，芬兰，挪威）仅仅风能到达1%的阈值，而另一些高收入的国家（比如瑞士，以色列，韩国，日本）仅仅太阳能到达阈值。在超过100个总共人口22亿的国家，主要包括非OECD能源出口国，风能和太阳能在2018年的发电量的比重小于1%。非OECD主要化石能源出口国延迟起飞可能是因为更高的燃料和电补贴，这使得可再生能源具有更少的获利性，以及传递出采用新技术缺少能源保障或制度容量的信号。为了分析影响起飞的因素，作者开展了事件历史分析方法，用T1%作为因变量，并且用自变量来描述形成阶段的机制。此分析大体上证明影响国家差异的因素与起飞的时间显著相关。另外一个能使风能和太阳能加速起飞的因素是更高的电力需求增长速度，这很有可能是因为扩张的市场对于投资者和政府具有更大的吸引力而确保供给和需求之间的平衡。

风能的利用也受其他因素影响，显示出采用这项技术具有更复杂的先决条件。核能的高市场份额延迟了风能起飞，而更高的太阳能潜力加速了太阳能起飞。在OECD国家，以市场为基础的支持政策与早期起飞密切相关。到达0.5%或2%阈值的时间表与1%阈值类似，本文1%阈值的研究结论能够用0.5%阈值进行敏感度分析。

在起飞后，风能和太阳能的增长大体上依照S形曲线。作者利用logistic和Gompertz增长模型来拟合陆上风能和太阳能在所有起飞的国家的时间序列。作者发现了11个国家（6个风能和5个太阳能）的增长加速，两个模型都预测未来能到达阈值。在剩余的国家中，作者发现有21个国家（10个风能和11个太阳能），最近期的水平超过90%的估算的渐近线，在2015年之前实现最大增长速度，然后逐渐减缓到少于这一速度的60%。在剩余的其他国家，增长既不加速也不减缓，作者称这些国家到达稳定状态。

对于所有到达稳定和减缓阶段的国家，两个模型估算的增长率相一致，风能的中位数为0.8%而太阳能的中位数为0.6%。与之相反，相一致的Δt仅仅发生在减缓阶段，因而Δt不能被用于可靠地估算样本中的绝大多数国家。

最大增长率在风能或太阳能后引入者并不比先驱者高，这与之前其他技术的研究相一致。为了检测潜在的背景因素的混合效应，作者实施了线性回归，以G为因变量，而起飞时间T1%为其中一个自变量。作者的控制变量的作用与文献研究相一致。作者的分析表明风能的起飞时间不在统计上能显著解释G的变化，而太阳能的起飞时间对G具有负向作用。太阳能的后引入者具有更低的增长率，这是因为加速增长的背景因素在先驱者比后引入者更有利。因而后引入者通过技术学习所获收益似乎被这种不利的社会经济和制度条件所抵消。与此同时，作者证实前人的发现，即风能的后引入者的Δt持续时间更短。

作者的研究也表明风能的最高增长率为超过电供应量的1.8%，而大于发电量1.1%的太阳能仅仅在发电量小的国家，比如爱尔兰，葡萄牙和智利。与之相反，在电力系统最大的国家或区域，比如欧盟，中国，印度和美国，风能的最大增长率不超过1%（欧盟），而太阳能的最大增长率不超过1.1%（日本）。这是因为在大的异质性系统内，在不同地方同时实施快速增长具有较低的可能性。

在1.5℃或2℃气候稳定情景中，2030-2040年时，全球风能增长的中间值可以分别达到520和500千瓦时/年,而太阳能分别达到380和360千瓦时/年。这个增长比2016-2018年增长的3-4倍还高。大约80%的增长发生在亚洲和OECD国家，在这些地方化石能源的需求被以最快速度替代。在亚洲和OECD国家，风能和太阳能在1.5℃情景的增长中间值在2020-2030年间预计是当前水平的两倍，太阳能在2030-2040年将再次翻倍而风能将增加50%。这二十年的快速增长对OECD国家特别具有挑战力，这是因为风能和太阳能在绝大多数OECD国家已不再加速增长。

当电力生产标准化时，1.5℃或2℃情景中全球风能年增长率的中间值将翻倍。1.5℃情景中的全球太阳能增长的中间值将至三倍，从近期的0.4%到2030-2040年的1.1%；而在2℃情景中，这一数值略低，不过仍然超过最大增长率的75%。

现有研究经常依赖Δt或者其衍生物，比如年复合增长率，作为比较的主要测量方法，然而使用Δt可能引起转变的偏差以及错失气候减排所需的系统变化。与之相反，G能够反映增长达到顶峰的限制条件和转变的系统影响，比如可再生能源代替化石能源的能力。作者用增长模型拟合国家增长和估算在拐点的最大增长率的研究方法，也能够用来描绘引入风能和太阳能的可行性空间。

研究结论

风能和太阳能首先在欧盟和其他高收入OECD国家被引入，在这些国家风能和太阳能已经从最初的加速增长以后实现稳定化。在一些新兴经济体，尤其在亚洲，风能和太阳能较迟引入，而其增长仍然处于加速状态。到目前为止，在世界其他地方，风能和太阳能的利用仍然处于非常小的规模。S曲线的最大增长率具有相当的可持续性，不在先驱者更高，也不在1.5℃和2℃减排情景更低。根据这些发现，第一个挑战是使得风能和太阳能在OECD国家再次加速发展和保持亚洲的加速发展，从而使得增长率在未来10年至20年翻二倍或三倍。第二个挑战是确保风能和太阳能在世界其他地方起飞，从而最终实现德国、英国和智利已实现的增长率。如此雄心勃勃的广泛增长暗示出在单个国家需要实现更快的增长，因而需要新的增长机制。

其中一个机制是能够减少成本的技术学习。技术的下降成本已经导致了OECD国家相对高的增长，尽管当前的增长受限于社会技术和政策而不是经济条件。即便在没有限制的市场，成本削减并不自动导致风能和太阳能的增长以满足1.5℃或2℃的目标。必要的加速增长需要加大可再生能源与非竞争者成本差距的政策支持，这包括补贴，对其他技术征税，支持网格一体化。

作者的研究表明未来风能和太阳能可以在与欧盟类似的区域一体化经济体实现更快增长。另外，太阳辐照量对发展中国家更有利，尽管作者发现当一国停止加速增长时，仅仅利用了少于风能和太阳能潜能的10%。作者的研究指出一些1.5℃或2℃减排路径存在可行性问题，这是因为这些减排路径预测风能和太阳能将持续数十年增长，且比在有利条件下观测到的历史顶峰阶段还要快。

作者的分析也与其他低碳能源技术的增长相关联。这表明研究应该从单个logistic增长模型向不对称模型转变，暗示着研究重点应从Δt向确保更高的增长率并持续较长时间以实现气候目标。

编辑：陈抒炀

排版：陈抒炀

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