全球能源脫碳目標下美國能源轉型的新特征

邊衛(wèi)紅

2050年全球能源零碳路線圖景及美國的角色

全球能源歷經三次轉型 目前處于可再生能源轉型時期

人類社會共經歷三次能源轉型，現在正處于第三次能源轉型時期。從木材到煤炭，從煤炭到石油，從石油到可再生能源，勾勒出全球主要能源需求的演變路徑。第一次能源轉型開始于18世紀60年代，主要標志是瓦特發(fā)明了蒸汽機，隨后能量密度更高的煤炭在一次能源占比中逐漸超越木材。第二次能源轉型始于19世紀下半葉，19世紀80年代左右內燃機被發(fā)明，人類對石油和天然氣的需求逐漸增加;鉆井、煉油技術的進步，推動了石油和天然氣的大規(guī)模生產。第三次能源轉型發(fā)生于當下，隨著化石能源需求峰值的來臨和生態(tài)保護的要求，對可再生能源的需求增加，未來有望成為主要能源。

凈零承諾國家在全球二氧化碳排放占比73% 減碳任務艱巨

在第三次能源轉型進程中，已有44個國家承諾將實現零碳排放目標，共占全球二氧化碳排放量的73%左右。其中，10個國家已實現零碳目標立法;8個國家處于立法審議中;26個國家發(fā)布相關政策文件。歐盟和美國承諾將于2050年實現凈零排放，中國承諾在2060年實現凈零排放，印度預計于2070年實現凈零排放。但是，減碳任務仍面臨諸多挑戰(zhàn)，一方面，減碳目標與經濟增長、結構調整、產業(yè)升級之間需要協同推動;另一方面，當前部分國家和地區(qū)僅停留在時間表的層面，尚未明確減碳具體路徑與推進安排，相關基礎設施建設依然匱乏。

國際能源署（IEA）預計，2023年全球將實現碳達峰。從減碳量來看，假設所有國家凈零排放承諾都能按時實現，到2023年碳排放量將達到36吉噸（Gt）（1吉噸相當于10億噸）的峰值。203 0年，全球二氧化碳排放量將下降至30Gt，2050年下降至22Gt。如果排放量在2050年后繼續(xù)保持下降趨勢，且非能源相關碳排放量的變化水平相似，2100年全球平均地表溫度將上升2.1攝氏度左右。從國別來看，減排的主要國家為中國、美國、歐盟等國家和地區(qū)。

美國是世界第二大碳排放國 但疫情沖擊下排放量不降反增

2000年以來，美國二氧化碳排放量大體穩(wěn)定，呈現逐年下降的態(tài)勢。2006年，美國從世界第一大碳排放國變?yōu)槭澜绲诙筇寂欧艊?007年美國已階段性碳達峰。美國2019年碳排放量為5.246吉噸二氧化碳當量，約占全球總排放量的15.33%。目前，美國能源結構呈現出石油和天然氣占主導、清潔能源迅速發(fā)展的局面，電力部門要在2035年實現全面脫碳，工業(yè)、交通部門也面臨較大減碳壓力。

然而，2021年煤炭等傳統化石能源再受追捧，美國碳排放量大幅反彈，使其暫時偏離氣候目標的軌跡。與2020年相比，運輸和電力行業(yè)的排放量增幅最大，分別為10%和6.6%，工業(yè)部門反彈約3.6%，而住宅部門僅增長1.9%。隨著疫情緩解，交通部門排放量大增，反映了美國對貨運的需求高漲和客運復蘇。電力行業(yè)煤炭發(fā)電量激增是美國溫室氣體反彈的重要原因之一，2021年同比增長約17%，為2014年以來煤炭發(fā)電量首個年度正增長。

美國能源轉型的結構特點與國際比較

化石燃料一直主導著美國的能源結構，但也面臨結構性調整和趨勢性變化。天然氣的低污染屬性使其近年來供給大幅增加;美國原油產量2008年以來穩(wěn)步攀升;污染較高的煤炭產量總體趨降。

化石能源占主導，但內部結構有所調整

第一，天然氣產量創(chuàng)新高，美國連續(xù)四年成為天然氣凈出口國。2019年美國天然氣達到創(chuàng)紀錄產量后，在2020年實現33.5萬億立方英尺的產量;消費量在2019年創(chuàng)下歷史新高后，2020年小幅下降至30.5萬億立方英尺。在天然氣消費方面，電力部門對天然氣的消費逆勢上升，同比增長2.6%。在進出口方面，美國連續(xù)四年成為天然氣凈出口國，2020年向38個國家出口天然氣。2020年天然氣出口總量為5.28萬億立方英尺，進口總量為2.55萬億立方英尺，凈出口2.73萬億立方英尺。

第二，2021年石油價格攀升，助推石油產量回升至接近疫情前水平。2021年美國石油日均產量約為18606萬桶，較2020年的17489萬桶同比上升6.4%左右，產量已經恢復近疫情前高位水平。雖然2020年新冠肺炎疫情導致石油行業(yè)遭受重創(chuàng)，但是疫情后消費回升以及天然氣供應短缺刺激了對石油的需求，石油價格不斷攀升，推動美國產油區(qū)頁巖油鉆探與開采活動，投資回暖將拉動未來石油產量維持在高位。

第三，煤炭產量峰值過后有所回落，電力是煤炭最大的消費部門。美國的煤炭產量在1998年達到峰值，對煤炭需求的減少以及電力部門使用低熱量煤炭份額的增加，煤炭產量逐年下降。2020年煤炭產量占一次能源供給約11.2%。

其中，煙煤和次煙煤產量占比超過90%，分別為45.9%和44.4%。煤炭消費量同比下降18.9%。電力部門是煤炭最大的消費部門，占煤炭消費總量的91.4%。但是在疫情期間的能源短缺困境背景下，2021年美國煤炭產量逆勢上升，同比增長8%。

可再生能源占比超過煤炭，成為美國第三大能源

美國可再生能源的占比約為12%，于2019年超過煤炭，成為美國第三大能源。增長最快的為風能和太陽能，但目前占一次能源的比例分別僅為3.11%和1.28%。水能的供給較為穩(wěn)定，約占一次能源的2.69%。生物質能包括廢物再利用、木材生物燃料等形式，共占一次能源的4.69%。

第一，風能在可再生能源中占比較高，海上風電發(fā)展?jié)摿^大。風能是美國主要的可再生能源之一，占可再生能源的26%左右。風電主要分為陸上風能和海上風能。美國陸上風力資源的潛在容量11000吉瓦（GW）（1吉瓦=10億瓦），而現有裝機容量為117.7GW。海上風力資源的潛在容量為4200GW，而現有裝機容量為42兆瓦（MW）（1兆瓦=1百萬瓦）。風能的快速發(fā)展與政策支持密切相關。一方面，美國政府為風電行業(yè)提供投資稅收抵免和生產稅收抵免政策。另一方面，美國政府將提供1350萬美元以支持美國在2030年之前實現30GW海上風能裝機容量。

第二，太陽能新增裝機容量創(chuàng)新高，價格因素帶動太陽能需求增長。近年來，太陽能光伏系統價格下跌，平均成本從2010年的5.79美元下降到2020年的1.25美元，促進對太陽能需求的增加。美國太陽能光伏裝機容量于2020年創(chuàng)下歷史新高，超過19.2GW，總裝機容量超過97GW。2020年，太陽能占新增發(fā)電量的43%。美國能源部的SunShot計劃旨在到2030年將太陽能價格降低50%。預計2050年太陽能將滿足美國電力需求的33%，并使電力部門的溫室氣體排放量減少18%。

第三，水能發(fā)電量供給份額下降，受自然環(huán)境因素影響呈波動態(tài)勢。水能主要用于發(fā)電。美國水電的發(fā)電量在1997年達到階段性高點，為3560億千瓦時，2020年為2910億千瓦時[1千瓦時（kW·h）=3.6×106焦耳（J）]。從發(fā)電占比來看，水力發(fā)電在美國總發(fā)電量中的份額逐年下降，當前約占發(fā)電總量的7%。從表現特征而言，水能的發(fā)電能力雖然長期保持穩(wěn)定，但在短期受自然環(huán)境、水文狀態(tài)的影響較為明顯。

電力部門以及工業(yè)、運輸、住宅和商業(yè)四個終端為傳統能源消耗部門

美國能源需求部門包括電力部門以及工業(yè)、運輸、住宅和商業(yè)四個終端能源消耗部門。長期以來，工業(yè)部門一直是美國最大的能源使用部門，目前約占能源使用量的33%。其次是運輸、住宅和商業(yè)部門。不同部門能源消費結構差異較大，石油約占90%的交通部門能源消費。

第一，電力部門天然氣消耗逐年上升，煤炭用量總體呈現下降趨勢。電力部門主要的能源消費為天然氣。電力部門是介于一次能源和終端能源的中間能源部門，天然氣是美國電力部門第一大能源來源，提供約40%的發(fā)電量;核能提供了美國約20%的電力;由于煤炭污染較大，發(fā)電占比總體逐年降低，煤炭約占電力能源消費的19%;而石油占比不到1%?？稍偕茉凑济绹偘l(fā)電量的20%，其中，風力發(fā)電增長迅猛。

第二，交通部門主要以消耗石油為主。交通部門占美國能源總消耗量的26%，其中，石油產品約占美國交通部門能源使用總量的90%;生物燃料約占5%，包括乙醇和基于生物質的柴油和餾分油;天然氣約占3%;電力占比不到1%，主要是用于公共交通系統中。

第三，工業(yè)部門消耗天然氣和石油占比較高。工業(yè)部門占美國終端能源消耗總量的36%。工業(yè)部門使用了多種能源，包括天然氣、石油、電力、可再生能源和煤炭。天然氣和石油分別提供了41%和33%的能源消耗，是工業(yè)部門最大的能源提供者;與此同時，工業(yè)部門還直接從電力部門購買電力，占能源使用的12%。分具體行業(yè)看，制造業(yè)占工業(yè)能源消耗的最大份額（77%），其次是采礦（12%）、建筑（7%）和農業(yè)（5%）。

國際比較而言，美國單位GDP能耗總體保持低位，但與歐洲整體水平差距較大

世界主要國家化石能源占比逐年下降，可再生能源占比逐年上升，全球能源轉型正逢其時。美國能源需求大，且國內油氣資源豐富，化石能源占比下降緩慢，從2000年的87.9%下降至83.3%。歐洲的能源轉型較為成功，近年來化石能源占比下降明顯，約占74%，與其他國家相比，占比較低。新興經濟體近年來化石能源占比也處于下降的態(tài)勢。例如，中國化石能源占比近年來下降迅速，印度、俄羅斯等國家的占比也呈下降之勢。

就美國單位GDP能耗而言，逐步降至約1.22千瓦時/美元，能源利用效率較高，轉型成效逐步顯現。英國、日本的單位GDP能耗分別為0.76千瓦時/美元和1.01千瓦時/美元。對于新興經濟體而言，中國的單位GDP能耗在20世紀90年代之前保持在相對高位，此后逐年降低。2019年中國單位GDP能耗為2.76千瓦時/美元，與發(fā)達國家相比仍存在降低的空間。俄羅斯自1999年以來單位GDP能耗也逐年下降。

美國能源轉型中的挑戰(zhàn)——不可能三角：能源安全、經濟目標和環(huán)境保護

美國的能源政策主要有三大目標：一是保證能源供給安全，二是保證相對較低的能源價格以滿足經濟所需，三是兼顧環(huán)境保護。然而，這三個能源目標實則構成了當前能源行業(yè)的“不可能三角”，即能源獨立、能源價格低廉穩(wěn)定和兼顧環(huán)境保護這三個目標不可能同時實現。

第一，美國成為能源凈出口國，但能源供給安全是建立在化石能源基礎之上。能源安全是美國能源政策的核心目標。美國一直致力于減少對中東石油的依賴以及建立美國戰(zhàn)略石油儲備。2019年美國成為能源凈出口國，實現能源獨立，主要與原油和天然氣的進口依賴大幅下降有關。

原油方面：近年來美國原油凈進口量大幅下降，處于1985年以來的最低水平。但是，目前原油仍是美國能源進口的重要種類。石油產品方面：一些進口原油被精煉成石油產品并出口，從2011年開始美國成為石油產品的凈出口國。天然氣方面：自2007年以來，美國天然氣出口總額逐年增加，并在2017年成為天然氣凈出口國。煤炭方面：美國一直是煤炭凈出口國?？梢?，美國能源安全的重中之重仍是傳統能源的安全，當出現因極端情況造成的能源供給問題時，清潔能源的供給能力依然受限。

第二，歐佩克仍主導原油定價權，美國難以實現能源價格長期穩(wěn)定且低廉的目標。一是原油價格在疫情期間遭受重挫并在后疫情時代維持高位震蕩。經濟目標是美國能源政策的主要考量因素，其致力于維持油價的穩(wěn)定以保證經濟的平穩(wěn)發(fā)展，這一目標與能源獨立目標相輔相成。隨著美國頁巖油的開發(fā)，美國原油供給快速上升，原油供給的獨立性大大增強，成為世界主要的產油國之一。但是，近年來原油價格波動加劇，用油成本也在相對高位震蕩。一方面，原油的定價權仍掌握在“歐佩克+”手中。另一方面，疫情反復加劇了經濟的不穩(wěn)定因素，疊加全球流動性寬裕背景下金融投機因素影響，原油價格的動蕩加劇。二是天然氣價格終結10年來的低位運行，呈現大幅飆升之勢。2009—2020年，美國天然氣的成本相對較低且較為穩(wěn)定。然而，2021年以來，美國中部寒潮天氣的出現助推天然氣價格走高。2021年2月，美國城市天然氣價格達到12.45美元/千立方英尺，創(chuàng)下歷史新高。與此同時，隨著美國能源轉型的加速，其他高污染傳統能源的退出或加大對天然氣等相對清潔能源的消費，進一步推動天然氣價格的提升。

第三，能源環(huán)境目標重要性逐步提升，但可再生能源替代傳統能源受到周期性因素困擾。近年來，美國能源環(huán)境目標的重要性逐漸提升。美國低碳能源發(fā)展最初目標是為了優(yōu)化能源結構，保障能源安全，改變以傳統燃料為導向、旨在保障供給的政策方向，強調提高能源效率、促進可再生能源發(fā)展和減少環(huán)境影響。通過減少溫室氣體排放來減緩全球變暖，最后過渡到清潔的能源經濟。拜登政府表達了其應對氣候變化和推廣清潔能源的決心，并宣布重返《巴黎協定》。拜登政府主張在美國和世界范圍內發(fā)展清潔能源產業(yè)以應對氣候變化，其能源政策包含雙重目標：應對氣候變化、重建美國在應對氣候變化和未來低碳經濟關鍵領域的領導地位，使美國在2035年實現100%無碳發(fā)電，到2050年實現凈零排放。

但是可再生能源替代傳統能源受到周期性因素的困擾。

一是可再生能源供給存在周期性，不穩(wěn)定特征明顯。目前，美國的能源供給主要依賴傳統能源，較為清潔的可再生能源雖增長迅速但占比仍然較小。若追求環(huán)境目標，則傳統高污染能源退出造成的缺口容易導致能源供給不足，價格高企。更重要的是，可再生能源中主要能源，即風能、水能和光能都存在季節(jié)性波動，供給不穩(wěn)定，容易引發(fā)能源供給短缺，甚至能源危機。若追求能源供給穩(wěn)定且價格低廉，則不得不兼顧一部分傳統能源的使用。

二是極端氣候頻發(fā)挑戰(zhàn)可再生能源供給。近年來，全球各地相繼出現極端氣候狀況，也對可再生能源的穩(wěn)定供給提出挑戰(zhàn)。2021年初寒潮席卷美國德州，風力渦輪機由于結冰停止運營，風力發(fā)電供給的穩(wěn)定性與可靠性在面對極端天氣情況時表現不佳，導致德州大范圍輪流停電、電價飆升。雖然加州是能源轉型的先鋒，可再生能源使用量居美國之首，但加州也曾連續(xù)多次宣布進入三級緊急狀態(tài)，40多萬企業(yè)和家庭出現停電情況。面對極端天氣引發(fā)的電力短缺和電價飆升等問題，若過快切換以可再生能源為主的能源供應，將帶來諸多挑戰(zhàn)。

總體而言，雖然美國已經實現能源獨立，能源安全戰(zhàn)略發(fā)展取得進展，但是以化石能源為主導的能源供給結構，與長期環(huán)境保護目標相悖。由于全球原油定價主導權仍在中東地區(qū)，再加上金融投機等因素影響，化石能源，尤其是原油、天然氣價格巨幅動蕩。美國保持長期能源價格穩(wěn)定且低廉的目標難以實現，這無疑將通過諸多渠道抑制經濟增長的步伐。為實現環(huán)境保護目標，可再生能源雖帶著綠色光環(huán)，但是其發(fā)展之路并非坦途，波動性、間歇性、成本高等特點使其在遇到極端天氣、能源危機時難以及時彌補缺口。此外，部分石油巨頭仍在增加化石燃料勘探的面積，清潔能源研發(fā)投資額度占比較小，且缺乏透明度。高油價刺激下美國頁巖油公司產量也在逐步恢復生產?？梢?，美國能源轉型步伐出現倒退，環(huán)境保護目標向經濟目標讓步的效應顯現，諸多政策和目標的落地仍面臨較大挑戰(zhàn)。

未來展望

展望未來，美國乃至全球能源轉型是大勢所趨，但也不是一路坦途。轉型進程中需要平衡新能源與傳統能源替代，需要平衡發(fā)達國家和發(fā)展中國家、工業(yè)國家和農業(yè)國家、氣候脆弱國家和氣候不敏感國家等。各國有著不同目標和發(fā)展優(yōu)先級的訴求，全球氣候治理框架需要重塑。

第一，可再生能源的技術突破將成為美國破解低碳轉型“不可能三角”的關鍵。推動可再生能源的發(fā)展與使用，關鍵在于能夠低成本、穩(wěn)定地獲得可再生能源。未來的電力系統需要大量運用可變和間歇性的可再生能源，以滿足對發(fā)電和脫碳的需求。其間技術突破應該貫穿可再生能源的生產、儲存和轉換等全流程，降低可再生能源供給的不穩(wěn)定性，降低能源成本。

促進可再生能源領域的投資與創(chuàng)新。在投資方面，拜登政府承諾投入大量資金發(fā)展清潔能源，其2022年預算將向能源效率和可再生能源部門投資數十億美元，以支持各終端能源部門發(fā)展可再生能源并脫碳，包括儲能技術、交通部門減排、農業(yè)部門減排、建筑部門減排、風能和太陽能發(fā)展等領域。與此同時還重點關注核能的利用，包括核設施、核反應堆發(fā)展以及核反應堆燃料循環(huán)技術等。此外，美國將進一步加大力度，限制石油和天然氣的開采。為了實現電力部門2035年脫碳等政策目標，美國仍需要在后疫情時代逐步降低天然氣的使用。

第二，電力部門將率先脫碳，交通部門是減碳的難點與關鍵。能源獨立背景下，能源轉型目標重要性提升，低碳成為重要執(zhí)政目標。為實現2035年無碳發(fā)電，2050年實現碳中和目標，美國從多部門、多維度提出減排量化目標，體現了未來一段時間美國能源結構轉型的方向。其中，主要是電力部門和交通部門的脫碳。美國政府設定電力部門脫碳的目標，并投資650億美元對電網進行現代化改造。但是交通部門大量使用石油作為燃料，脫碳任務較為艱巨。美國設定了在2030年清潔能源的車輛銷售要占到一半以上的目標，并提出了更嚴格的輕型車輛燃油效率和排放標準，以促進交通部門的減碳進程。

第三，能源轉型伴隨碳價格上漲，或將構成通脹上行風險。碳定價是實現氣候目標的有效手段。目前，只有21.5%的全球排放量被碳定價工具覆蓋。而最近的一項調查顯示，大多數氣候學家認為到2050年碳的價格應該在每噸75美元以上才能實現凈零排放。碳價格的顯著上漲將抑制對化石能源的投資和需求，并刺激低碳技術的投資與創(chuàng)新，進而加速低碳轉型。雖然這種價格變化對環(huán)境有益，但如果不能實現技術突破，研發(fā)出低碳且低廉的能源產品，高企的碳價格將會對經濟造成一定壓力，并形成能源價格抬升引發(fā)的高通脹預期。預計未來美國或將實施減稅、退稅或設置價格上限等手段來應對能源價格上漲保障能源需求，貨幣政策或將偏離“通盤考慮”的政策傳統，需要對高通脹作做反應，以保持中期價格的穩(wěn)定。

第四，未來須彌補《格拉斯哥氣候公約》的實現目標控溫1.5攝氏度的缺口。據能源轉型委員會（ETC）的數據，《格拉斯哥氣候公約》使得2030年全球溫室氣體排放量由此前預計的52.4Gt降至41.9Gt。但是，如果要實現控溫1.5攝氏度的目標，2030年全球溫室氣體排放量需要降至26.6Gt，這意味著《格拉斯哥氣候公約》距離控溫1.5攝氏度目標仍有很大缺口。而氣候行動追蹤組織（CAT）的預測數據表示，根據各國發(fā)布的未來減排目標，全球溫度的上升最終可能達到2.4攝氏度。如果要確?？販?.5攝氏度目標的實現，需要各國在完成已有減排承諾的基礎上，承擔額外的減排任務?？販厝笨诘膹浹a，美國既需要突破能源結構調整、新興技術研發(fā)等發(fā)展瓶頸，實現國內綠色轉型，也需要與其他國家合作，加速能源轉型。

第五，關注能源體系革命引發(fā)的國際貿易、產業(yè)結構變革，新興經濟體應加強低碳能源轉型合作。長期而言，未來美國以及國際能源結構的變革意味著全球能源體系的國際規(guī)則將發(fā)生重大變化，傳統能源的清潔化及可再生能源的發(fā)展將成為各國競爭的核心。環(huán)境標準、生態(tài)效率越來越成為重要的國際競爭要素之一，低碳成為影響并決定國際生產與服務標準的核心指標。未來低碳能源為主的發(fā)展模式不僅給交通運輸、基礎設施等帶來直接變化，產業(yè)發(fā)展的空間與碳密度高低的關聯度增強，而且將為經濟增長核心要素構成、國際貿易體系、全球氣候治理規(guī)則帶來深刻的調整。

新興經濟體應深刻認識到這場能源、經濟貿易、地緣政治等領域的系統性變革，多措并舉，推進低碳能源轉型全方位合作。增進能源轉型與氣候變化領域的溝通，打造低碳能源轉型領域的合作空間。深化能效合作，擴大低碳能源領域的投資，推動清潔能源設備發(fā)展，促進低碳產業(yè)轉型升級。推動能源科技創(chuàng)新技術融合交流。發(fā)揮各自優(yōu)勢，加快突破能源領域的核心技術，在太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、核電、儲能、氫能等方面實現突破。