文献阅读 | 可再生能源成本下降对电气化的影响

题目

Impact of declining renewable energy costs on electrification in low-emission scenarios

作者

Gunnar Luderer, Silvia Madeddu, Leon Merfot, et al.

期刊

Nature Energy

时间

2021年11月

一作

单位

Potsdam Institute for Climate Impact Research, Member of the Leibniz Association, Potsdam, Germany

链接

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00937-z

研究背景

在限制全球变暖、落实巴黎协定的背景下，电能和非电能的能源转型路径之间呈现出了很大的不同。对于电能，能够以较低的成本从可再生能源中获取（尤其是风电和太阳能）。相反，在现有综合评估模型的情景中指出，用于交通、工业和建筑部门的非电燃料（现主要由化石燃料提供）则很难脱碳。现在存在一些非电燃料的减排策略，例如降低终端能源需求、生物能源和CCS技术、直接空气捕集（CDR）技术等。相比于零碳电力，生物能源和CCS面临更大的资源和可持续性约束，这使得终端部门电气化变得越发重要。

本研究的目的是分析：“电气化”在全球和长期深度脱碳战略中扮演的角色和具有的潜力。本文使用REMIND-MAgPIE模型（投资和发展的区域模型和农业生产及其环境影响模型），这是一个考虑供能和用能两侧技术进步的耦合能源-土地系统IAM模型。将提供对深度电气化动态的、满足技术经济需求的和全系统影响的全面图景。随着太阳能和风力发电变得越来越便宜，对未来生物能源、CCS和CDR的依赖受到广泛质疑，以可再生能源为基础的电气化变得越来越重要。

本文尝试解决针对过去IAM研究情景的批评，即现有研究一方面过分强调生物能源，CCS和CDR的重要性，另一方面低估太阳能和终端用能技术的进步速度。相比燃烧过程，以电力为基础的终端能源使用能更有效地利用能源，从而减少了整体的能源需求，并且不需要减少能源服务。这里提出的情景与能源系统模型(ESM)文献中关于100%可再生能源情景的可行性的论述密切相关。在方法论上，ESM中的情景多是从关注能源供给侧的模型中推导出来的。通常情况下，这些模型具有较高的年内时间分辨率，但这些模型缺乏更广泛的、反映能源最终使用和气候目标经济效率的宏观经济背景。相比之下，REMIND-MAgPIE模型能反映宏观经济背景，包括与传统能源供应技术的竞争以及终端用能部门转型。在ESM文献的高可再生能源场景中，淘汰化石能源供应和需求电气化的时间阶段大多是被指定（prescribe）的。本研究的结果则是来自能源经济系统在温控目标、技术、约束和政策框架假设下的涌现属性（emergent property）

情景设置

本研究设置具体如下几种情景：

（1）1.5C-Elec

温控目标：全球气候政策努力将气候变暖限制在1.5°C以下（从2020年起，碳预算不超过500Gt）。

技术约束：全球生物质可用性限制在每年100EJ（目前为55EJ）；至2070年逐步淘汰第一代生物能源。每年的地质二氧化碳封存限制在每个地区技术地质储存潜力的0.1%，将全球封存限制在每年4Gt以下。

可再生能源发电：风能、太阳能和电池技术的成本持续快速下降。光伏技术学习率为25%（装机容量每翻一倍时），2050年的公用事业规模光伏系统成本约为每千瓦190美元（2015年价格）。通过电池存储、灵活制氢和灵活电力需求来集成可再生能源发电。

需求侧：2021-2035年，通过补贴将电池电动汽车引入市场；加速建设充电基础设施，提高消费者的接受度；在建筑和工业中采用有竞争力的需求侧电气技术。

（2）WB2C-Elec

类似于1.5C-Elec情景，但2020-2100年二氧化碳累积排放不超过900Gt，限制在低于2°C。

（3）1.5C-Conv

类似于1.5C-Elec情景，但采用更多传统技术：太阳能光伏技术进步较慢（20%的学习率，导致2050年资本成本为约每千瓦390美元（2015价格）；低需求响应，导致了更高的储能需求；没有针对电动汽车的市场引入或基础设施政策；基于农业经济潜力的生物能源供应（最高300EJ每年）；不会逐步淘汰第一代生物能源；全球CCS封存潜力为每年20Gt。

（4）WB2C-Conv

类似于1.5-Conv情景，但2020-2100年的累积排放量不超过900Gt。

（5）Reference

继续执行目前已实施的能源和气候政策，而未来不加强雄心。

本研究还将与IPCC1.5度特别报告中的情景进行比对，将其中的1.5度相关情景子集称为SR15-1.5C，将2度相关情景子集称为SR15-WB2C。

电力在降碳中的角色

图1 电气化转型的核心特征

情景分析一致认为：终端用能的电气化比率将提升。在没有强化气候政策的参考情景中，2050年的电气化比率将达到33%，而在1.5C-Elec和WB2C-Elec情景中将分别达到66%和58%。这一结果将高于IPCC报告对应情景中的大部分子集甚至超过所有情景子集（图1a），其中风电和光伏将成为非生物质可再生能源的供应主力（图1b）。与IPCC1.5度报告中的情景相比，1.5C-Elec和WB2C-Elec两个情景中，一次能源的化石能源占比更低，并且更少依赖CDR（图1c）。

1.5C-Elec景下的终端用能量比当前更低。因为电气化水平提高，电力成为主要能源。一单位电力提供的服务比一单位燃料或热更高。例如在交通部门，从电动车插座到车轮（socket-to-wheel）的效率大概为80%，但是燃料汽车从油箱到车轮（tank-to-wheel）的效率却低于30%。在居民部门，电力热泵是寻常热泵效率的三倍，1kWh电至少值3kWh热量。在钢铁行业，与高炉中的传统钢生产相比，由电弧炉中的废钢再生产的能源输入减少了多达10倍。因此，电力在最终能源中所占的份额往往低估了电力对提供能源服务和材料的贡献。除了最终的能源需求之外，向风能和太阳能电力的转变进一步降低了初级能源需求，因为它几乎消除了火电厂的能源转换损失。

电气化的经济驱动力

在减排情景中显示出的高电气化现象是由碳定价和技术进步导致的能源价格结构的根本性转变所驱动的。历史上，能源结构背后呈现的逻辑是：电力是一种宝贵的能源载体，比化石燃料昂贵得多。但是本研究显示未来电能与非电能的价格比例将会下降甚至在长期出现反转，主要原因有两条：一是碳价升高，生物质潜力难以完全替代化石燃料。二是太阳能、风、电池技术成本持续下降。

图2 二次能源的能源价格演变趋势

如图2所示，在参考情景下，未来电价的变化主要是由化石能源开采成本决定，但在1.5C-Elec和WB2C-Elec情景中，碳价的引入将首先使电价大幅攀升，因为目前发电行业仍是化石能源主导，但到2035年全球平均电价将降至80美元/MWh。到2050年，除少数国家外，全球光伏度电成本可能会降到10美元/MWh以下。在1.5C-Elec情景，大约在2030年左右，液体燃料价格将超过全球平均电价，气体燃料价格将于2035年超过电价，固体燃料价格将于2040年超过电价。作为高能源品质的电力也将成为最价廉的能源载体。

能源系统的转型启示

图3 1.5C-Elec情景下的能源供给结构

在1.5C-Elec这个代表性情景中，2050年的电力生产将比2015年增长3.5倍，到本世纪末将增长6倍。由于快速技术进步、成本下降和碳价的作用，以风能、太阳能为主的间歇性可再生能源将主导全球电力供应。水电也将适当增长，但其资源潜力更加受限。由于比风电、光伏缺乏成本竞争力，核电将逐步退出。在所有减缓情景中，化石能源发电都将快速退出，1.5C-Elec情景中的煤电，在2035年将只占到不到1%，2050年的气电也将呈现出同样特征。尽管可能有着不同的部门能源需求和能源资源禀赋，这些核心结论在世界各个地区都将是稳健的（图1d）。1.5C-Elec情景中的风电和太阳能发电将至少占到2050年总发电量的65%，到2050年，电能在所有地区都将是最便宜的能源。

但是，可再生能源要想发挥决定性作用，还需要依赖于跨区域的电网建设、电池储能技术来降低供给和需求的错配。此外，氢能将与可再生能源产生协同配合效果，将有效发挥为可再生发电削峰填谷的作用。在1.5C-Elec情景，2050年和本世纪末，终端部门每年将消费12EJ和47EJ的氢能。

终端部门的能源使用

图4 电气化情景中的终端能源需求和能源服务

1.5C-Elec情景中，2050年的剩余碳基终端用能大约为98EJ，2100年降到68EJ（图4a），它主要来自生物能源和石油（图3b）。在交通运输领域，电池技术的进步是电动汽车发展的关键推动因素。由于市场引导政策，成本竞争力增加和消费者接受度提高，导致轻型汽车行业向电动汽车快速过渡，到2050年其全球份额接近100%（图4b,c）。卡车部门的电池或燃料电池竞争力也在逐渐增强。

剩余的烃类燃料使用来源主要是由于航空业和船运业。对于航空来说，可以想象未来存在电力或氢作为能源的空气推进器，但这需要几十年的研发时间，并也许只能用于短途旅行。氢或氨被认为是水运的零碳燃料，但迄今为止的技术成熟度很低。由于以上限制，目前模型只考虑传统烃类燃料作为航空和船运业的能源。

对于建筑部门，即使在没有强化气候政策的情况下，其也有明显电气化转型趋势。大部分的能源需求增长来自于电器和空调。1.5C-Elec情景中建筑部门2050年的电气化率将达到88%。

对于工业部门，电气化转型的程度是较低的。碳基燃料需求主要来自于化工行业（1.5C-Elec：22EJ，2050年），化工原料不能直接由电能替代，导致2050年的电气化水平仅达到40%。使用电还原和废钢生产的钢铁行业，碳基燃料消费在2050年将降至2EJ，并且全球82%的钢铁产量将来自于废钢的电融化。在2050年，水泥和其他工业子部门将消耗21EJ的碳基燃料。

以氢能为媒介的间接电气化也将是一个可靠的选择。在很多情况下，氢能可以替代天然气、煤炭和焦炭进行工业生产（如氨合成、铁还原、作为化学原料等）。在1.5C-Elec情景下，2050年的工业部门用氢量将为11EJ，2100将达到25EJ。

经济与环境层面影响

图5  电气化转型的经济与环境影响

如图5所示，相比于参考情景，在1.5C-Elec和1.5C-Conv情景中，2020-2050年的气候减缓的总GDP损失将小于2%。GDP损失较高的地区主要是资源出口地区如中东、非洲和经济快速增长地区如印度、中国等。在2050年，生物质能的土地需求在1.5C-Elec和1.5CConv情景中分别为140Mha和370Mha。

此外，尽管1.5C-Elec情景的其他非生物质可再生能源远高于其他情景，但是由此带来的土地需求只是略微增加，这是因为生物质能的单位土地需求远高于风能和光伏。

在水耗层面，1.5C-Conv这一传统情景的灌溉水耗（450立方千米/年）高于1.5C-Elec，非生物质水耗仅为6立方千米/年。并且降低生物质能需求也降低食物价格上升压力。但是风电和光伏的大规模发展也将加速重要金属资源的耗竭。

结论与讨论

与生物质能的可持续性和监管挑战和CCS大规模部署挑战相比，光伏、风电和电池技术的快速进步使得这些技术是转型过程中最鼓舞人心的。

对终端部门的详细分析指出此前研究低估了需求侧的电气化潜力。

航空、航运和一些工业工程以及化学工业的原材料是未来剩余碳基能源载体。

除技术进步、碳价以外，研究得出的高电气化率来自于本文的核心假设：生物质有限 、CCS受限 、CDR选项受限 。

本文研究指出了未来良好的气候政策环境的重要性：

1.推行全面的化石能源碳价机制 。

2.加快储能建设和提升终端需求的灵活性 。

3.促进基础设施建设的政治协作（如区域间大电网建设、大力建设电动汽车充电桩等）。

编辑&排版：黄晨

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