李洪言 于 淼 鄭一鳴 代曉東 林名楨

山東石油化工學院石油工程學院, 山東 東營 257061

0 前言

2023年6月,《bp世界能源展望(2023版)》(以下簡稱《展望》)在北京發(fā)布,《展望》依據(jù)“快速轉型情景”“凈零情景”及“新動力情景”對全球能源市場進行分析,探索至2050年能源系統(tǒng)在減少碳排放、向低碳清潔能源轉型路徑中的發(fā)展趨勢?？紤]到俄烏沖突對能源結構和能源安全的影響,會加快向清潔低碳能源轉型的進程。本文依據(jù)《展望》中統(tǒng)計數(shù)據(jù),對一次能源、石油、天然氣、可再生能源、低碳氫及碳排放的轉型趨勢進行整理分析,指出能源轉型面臨“安全”“可負擔”和“更低碳”的三重挑戰(zhàn),更加看重能源的經(jīng)濟性和安全性[1-6]。

1 能源需求總量分析

2019年全球能源消費總量為482 EJ(1 EJ=1018J),隨著能源利用效率快速提升,“快速轉型情景”中2050年全球能源消費總量為396.5 EJ,比2019年全球能源消費總量低17%(85.5 EJ),2019—2050年的年變化率為-2.6%;“凈零情景”中2050年全球能源消費總量為326.7 EJ,比2019年全球能源消費總量低32.2%(155.3 EJ),2019—2050年的年變化率為-1%;“新動力情景”中2050年全球能源消費總量為512.6 EJ,比2019年全球能源消費總量增加5.9%(30.6 EJ),2019—2050年的年變化率為0.19%?？梢?至2050年前,三種情景下終端全球能源消費總量都已達到峰值。

2019—2050年全球能源種類消費總量情況見表1。從能源種類上看,在一次能源消費總量中,石油、天然氣和煤炭組成的化石能源在2019年消費量為300.9 EJ,占能源消費總量的64.5%。到2050年,在“快速轉型情景”中,化石能源消費量為121 EJ,占能源消費總量的30%,在能源消費總量的占比中比2019年下降34.5%,其中煤炭消費量為10.3 EJ,石油消費量為80.2 EJ,天然氣消費量為30.5 EJ,分別比2019年下降66.1%、55.5%和66.2%。在“凈零情景”中,化石能源消費量為46 EJ,占能源消費總量的13.5%,在能源消費總量的占比中比2019年下降50.7%,其中煤炭消費量為5.4 EJ、石油消費量為25.4 EJ、天然氣消費量為15.2 EJ,分別比2019年下降82.2%、86.1%和83.3%。在“新動力情景”中,化石能源消費量為241.4 EJ,占能源消費總量的48%,在能源消費總量的占比中比2019年下降17.4%,其中煤炭消費量為20.2 EJ、石油消費量為125.4 EJ,分別比2019年下降33.6%、30.4%,天然氣消費量為95.8 EJ,比2019年增長6.1%?？梢?在三種情景中,到2050年化石能源總消費量都將下降,煤炭在化石能源總消費量占比下降最快,化石能源由于在交通運輸使用中的不斷減少,在能源消費總量中占比也下降較快[7-9]。

表1 2019—2050年全球能源種類消費總量情況表

另外,隨著全球能源向低碳方向的轉型,在三種情景中,電能消費量均增長較快。2019年電能消費量為105.1 EJ,占比總消費量21.8%,在“快速轉型情景”中,2050年電能消費量為180.5 EJ,占比總消費量46.0%,比2019年增長75.4 EJ,在能源消費總量的占比中增長24%;在“凈零情景”中,2050年電能消費量為175.6 EJ,占比總消費量54%,比2019年增長70.5 EJ,在能源消費總量的占比中增長32%;在“新動力情景”中,2050年電能消費量為170.1 EJ,在能源消費總量的占比33%,消費量比2019年增長65 EJ,在能源消費總量的占比中增長11.5%?？梢?到2050年,在三種情景中,電能消費量均增長較快,比2019年將增加62%～72%。

2 石油需求量下降

2019—2050年石油需求量趨勢見圖1。石油需求量呈現(xiàn)降低趨勢,凸顯全球能源開始逐步向更低碳方向轉型。2019年石油消費量為9 800萬桶/d,到2025年,在“快速轉型情景”中石油消費量為9 600萬桶/d,比2019年減少200萬桶/d,下降2%;在“凈零情景”中石油消費量為9 400萬桶/d,比2019年減少400萬桶/d,下降4.1%;在“新動力情景”中,石油消費量與2019年相比基本保持不變。到2035年,在“快速轉型情景”中石油消費量為8 000萬桶/d,比2019年減少1 800萬桶/d,下降18.4%;在“凈零情景”中,石油消費量為6 800萬桶/d,比2019年減少3 000萬桶/d,下降30.6%;在“新動力情景”中,石油消費量為9 200萬桶/d,比2019年減少600萬桶/d,下降6.1%。到2050年,在“快速轉型情景”中,石油消費量為4 400萬桶/d,比2019年減少5 400萬桶/d,下降55.1%;在“凈零情景”中,石油消費量為2 200萬桶/d,比2019年減少7 600萬桶/d,下降77.6%;在“新動力情景”中,石油消費量為7 600萬桶/d,比2019年減少2 200萬桶/d,下降22.4%。由此可見,在2035年前,全球石油需求量變化較緩慢,但之后隨著電動汽車快速發(fā)展和更低碳替代能源用量的增加,交通運輸中石油需求量將下降,特別是在展望后期的“凈零情景”和“快速轉型情景”中,石油需求量下降較快[10]。

圖1 2019—2050年石油需求量趨勢圖

3 天然氣需求量變化趨勢差異較大

2000—2050年天然氣需求量趨勢見圖2。在三種情景中,天然氣需求量變化趨勢差異較大。2000年天然氣需求量為2 400×109m3,到2019年天然氣需求量為3 800×109m3,比2000年增長1 400×109m3,增長率為58.3%。到2030年,在“快速轉型情景”中天然氣需求量為4 050×109m3,比2019年增長了250×109m3,增長率為6.6%;在“凈零情景”中天然氣需求量為3 600×109m3,比2019年減少200×109m3,增長率為-5.3%;在“新動力情景”中天然氣需求量為4 200×109m3,比2019年增長400×109m3,增長率為10.5%。到2050年,在“快速轉型情景”中天然氣需求量為2 400×109m3,比2020年下降1 400×109m3,與2019年相比增長率為-34.2%;在“凈零情景”中天然氣需求量為1 700×109m3,比2019年下降2 100×109m3,增長率為-55.3%;“新動力情景”中天然氣需求量為4 400×109m3,比2019年增長600×109m3,增長率為18.4%?？梢?在“凈零情景”中,天然氣需求量在2019年左右已達到峰值,之后開始下降,到2050年,天然氣需求量比2019年下降35.1%;在“快速轉型情景”中天然氣需求量在2030年左右將達到峰值,之后開始下降,到2050年,天然氣需求量比2019年下降56.7%。以上這兩種情景中天然氣需求量都將大幅下降,主要原因是發(fā)達國家天然氣需求量的下降、電氣化程度的提升和可再生能源的快速增長。而在“新動力情景”中,考慮到新興經(jīng)濟體(主要指中國、印度、中東、俄羅斯和巴西)對天然氣需求量的增加,到2050年,天然氣需求量持續(xù)增長,比2019年增加8.1%。

圖2 2000—2050年天然氣需求量趨勢圖

4 可再生能源增長快速

4.1 風能和太陽能裝機容量快速增長

由于風電和光伏發(fā)電技術水平的提高,以及全球各國對低碳電力的政策扶持,風能和太陽能發(fā)電迅速增長。2019—2050年風能和太陽能裝機容量變化見圖3。

圖3 2019—2050年風能和太陽能裝機容量變化趨勢圖

2019年,風能和太陽能裝機容量為2 000 GW。到2030年,在“快速轉型情景”中,風能和太陽能裝機容量為5 000 GW,比2019年提高了3 000 GW,增長了1.5倍;在“凈零情景”中,風能和太陽能裝機容量為7 000 GW,比2019年提高了5 000 GW,增長了2.5倍;在“新動力情景”中,風能和太陽能裝機容量為4 000 GW,比2019年提高了2 000 GW,增長了1倍。

到2040年,在“快速轉型情景”中,風能和太陽能裝機容量為11 000 GW,比2019年提高了9 000 GW,增長了4.5倍;在“凈零情景”中,風能和太陽能裝機容量為14 500 GW,比2019年提高了12 500 GW,增長了6.25倍;在“新動力情景”中,風能和太陽能裝機容量為8 000 GW,比2019年提高了6 000 GW,增長了3倍。

到2050年,在“快速轉型情景”中,風能和太陽能裝機容量為18 000 GW,比2019年提高16 000 GW,增長了8倍;在“凈零情景”中,風能和太陽能裝機容量為20 000 GW,比2019年提高18 000 GW,增長了9倍;在“新動力情景”中,風能和太陽能裝機容量為12 000 GW,比2019年提高10 000 GW,增長了5倍。

可見,在展望期間,三種情景下風能和太陽能裝機容量都將大幅提高,主要原因是由于技術水平的提高,以及成本隨用量大幅增加而下降。在展望前期主要由中國及發(fā)達國家貢獻了風能和太陽能裝機容量的快速增長,展望后期新興經(jīng)濟體(中國除外)風能和太陽能裝機容量的增長占主導地位。

4.2 現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量迅速增長

現(xiàn)代生物能源主要包括生物甲烷、生物燃料和現(xiàn)代固體生物質能,易從農(nóng)業(yè)、林業(yè)獲取,對生態(tài)系統(tǒng)無害?，F(xiàn)代生物能源需求不斷增長,逐步取代了傳統(tǒng)生物能源(如廢木料、農(nóng)業(yè)秸稈)的燃燒,有利于減少碳排放?！翱焖俎D型情景”下傳統(tǒng)生物能源與現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量見圖4。2019年,傳統(tǒng)生物能源產(chǎn)量為25.3 EJ,現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量為30.5 EJ,其中現(xiàn)代固體生物質能產(chǎn)量為25.1 EJ,生物燃料產(chǎn)量為5.4 EJ,生物甲烷產(chǎn)量不足0.2 EJ。到2050年,在“快速轉型情景”中,傳統(tǒng)生物能源產(chǎn)量為3.3 EJ,而現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量增長為65.9 EJ,其中現(xiàn)代固體生物質能產(chǎn)量為50.2 EJ,生物燃料產(chǎn)量為9.6 EJ,生物甲烷產(chǎn)量為6.1 EJ?？梢?到2050年,在“快速轉型情景”中,傳統(tǒng)生物能源產(chǎn)量比2019年傳統(tǒng)生物能源產(chǎn)量減少了22 EJ,減少87%,而現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量增長了35.4 EJ,比2019年現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量增長了約1.2倍,抵消了傳統(tǒng)生物能源產(chǎn)量的減少,其中產(chǎn)量增長最快的是現(xiàn)代固體生物質能,增長了25.1 EJ,比2019年現(xiàn)代固體生物質能產(chǎn)量增長了1倍;到2050年,現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量在“凈零情景”與“快速轉型情景”中趨勢相近,傳統(tǒng)生物能源基本被淘汰,逐漸向現(xiàn)代生物能源轉型;在“新動力情景”中,到2050年,現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量為49 EJ,其中生物甲烷產(chǎn)量為4.3 EJ,傳統(tǒng)生物能源使用會繼續(xù)延續(xù)。在三種情景中,現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量增長都是由新興經(jīng)濟體的發(fā)展主導。

圖4 “快速轉型情景”下傳統(tǒng)生物能源與現(xiàn)代生物能源產(chǎn)量圖

5 低碳氫需求量增長強勁

隨著低碳能源逐漸在全球能源系統(tǒng)中占主導地位,低碳氫的使用有利于實現(xiàn)減排,特別是為運輸業(yè)和工業(yè)實現(xiàn)脫碳、減排。展望期內(nèi),在“快速轉型情景”和“凈零情景”中,低碳氫需求最為凸顯,尤其在展望期后二十年的“新動力情境”中,由于脫碳程度較低,對低碳氫的需求不明顯,見圖5。在“快速轉型情景”中,到2030年,低碳氫在運輸業(yè)的需求量為3×106t/a,在工業(yè)上的需求量為1×106t/a,作為原料的需求量為12×106t/a,其他的需求量為5×106t/a;到2050年,低碳氫在運輸業(yè)的需求量為105×106t/a,比2030年需求量增長了102×106t/a,在工業(yè)上的需求量為75×106t/a,比2030年需求量增長了74×106t/a,作為原料的需求量為70×106t/a,比2030年需求量增長了58×106t/a,其他的需求量為40×106t/a,比2030年需求量增長了35×106t/a。在“凈零情景”中,到2030年,低碳氫在運輸業(yè)的需求量為10×106t/a,在工業(yè)上的需求量為2×106t/a,作為原料的需求量為20×106t/a,其他的需求量為8×106t/a;到2050年,低碳氫在運輸業(yè)的需求量為190×106t/a,比2030年需求量增長了180×106t/a,在工業(yè)上的需求量為120×106t/a,比2030年需求量增長了118×106t/a,作為原料的需求量為60×106t/a,比2030年需求量增長了40×106t/a,其他的需求量為90×106t/a,比2030年需求量增長了82×106t/a。可見,展望中后期,在“快速轉型情景”和“凈零情景”中,由于生產(chǎn)技術水平提高、生產(chǎn)成本下降及各國碳排放政策的限制,低碳氫需求量增長強勁[11-13]。

圖5 各行業(yè)低碳氫需求量圖

6 碳排放

6.1 碳排放量下降

展望期內(nèi),在三種情景中,全球碳排放量在21世紀20年代均已達到峰值,三種情景下碳排放量見圖6。2019年全球碳排放量為39.8 Gt,到2050年,在“快速轉型情景”中,碳排放量為9.1 Gt,比2019年碳排放量下降30.7 Gt,碳排放量減少了77.1%;在“凈零情景”中,碳排放量為2 Gt,比2019年碳排放量下降37.8 Gt,碳排放量減少了95%;在“新動力情景”中,碳排放量為28.7 Gt,比2019年碳排放量下降11.1 Gt,碳排放量減少了27.9%?？梢?在三種情景中,到2050年,碳排放量將下降27.9%～95%,全球能源向低碳能源發(fā)展趨勢顯著增強。特別是美國在《通貨膨脹削減法案》中對低碳能源和技術支持下,在三種情景中,碳排放量都下降較快,其中,在“凈零情景”中,碳排放量更是下降到了負值(-0.2 Gt)。

圖6 三種情景下碳排放量圖

6.2 碳捕集、利用與封存

碳捕集、利用與封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技術在向低碳能源轉型中發(fā)揮巨大作用,各種排放源的CCUS量見圖7。按排放源來看,在“快速轉型情景”中,到2035年,氣、煤、生物能源與碳捕集與封存及工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為500×106t CO2、100×106t CO2、10×106t CO2和150×106t CO2;到2050年,氣、煤、生物能源與碳捕集與封存及工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為2 100×106t CO2、900×106t CO2、450×106t CO2和550×106t CO2,分別比2035年增長1 600×106t CO2(3.2倍)、800×106t CO2(8倍)、440×106t CO2(44倍)和400×106t CO2(2.7倍)。在“凈零情景”中,到2035年,氣、煤、生物能源與碳捕集與封存及工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為800×106t CO2、250×106t CO2、150×106t CO2和250×106t CO2;到2050年,氣、煤、生物能源與碳捕集與封存及工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為2 800×106t CO2、1 100×106t CO2、1 200×106t CO2和900×106t CO2,分別比2035年增長2 000×106t CO2(2.5倍)、850×106t CO2(3.4倍)、1 050×106t CO2(7倍)和650×106t(2.6倍) CO2。在“新動力情景”中,到2035年,氣、煤和工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為200×106t CO2、50×106t CO2和10×106t CO2;到2050年,氣、煤、生物能源與碳捕集與封存及工業(yè)過程排放作為排放源的CCUS量分別為600×106t CO2、200×106t CO2、50×106t CO2和100×106t CO2,分別比2035年增長400×106t CO2(2倍)、150×106t CO2(3倍)、50×106t CO2和90×106t CO2(9倍)?？梢?三種情景中以氣作為排放源的CCUS量最大,到2050年,在“快速轉型情景”“凈零情景”和“新動力情景”中,占比分別為52.5%、46.7%和63.2%,其中,CCUS與氣結合最多的是美國,其次為中東、俄羅斯和中國。

圖7 各種排放源的CCUS量圖

7 中國能源轉型發(fā)展

2020年9月,中國明確提出2030年碳達峰與2060年碳中和的“雙碳”目標。中國的能源結構以煤炭、石油為主,要達到這一目標,減少碳排放,能源結構要向低碳能源、可再生能源轉型。在《展望》的三種情景中,到2050年,可再生能源(包括生物燃料在內(nèi))將成為中國最大的一次能源來源。其中,在“凈零情景”和“快速轉型情景”下,可再生能源消費在一次能源消費中占比將達到60%;煤炭消費量大幅下降,煤炭消費在一次能源消費中的占比將下降到5%～20%;在“新動力情景”下,風能和太陽能在發(fā)電總量中的占比將從現(xiàn)在不到10%增加到超過50%[14-18]。

中國的碳排放在三種情景中均大幅下降,在“快速轉型情景”中,到2035年,CCUS量為200×106t CO2,到2050年,CCUS量為1 000×106t CO2,比2035年CCUS量增加了800×106t CO2(4倍);在“凈零情景”中,到2035年,CCUS量為500×106t CO2,到2050年,CCUS量為1 200×106t CO2,比2035年增加了700×106t CO2(1.4倍);在“新動力情景”中,到2035年,CCUS量為50×106t CO2,到2050年,CCUS量為450×106t CO2,比2035年增加了400×106t CO2(8倍)。可見,在“新動力情景”下,碳排放強度下降速度最快,在“快速轉型情景”和“凈零情景”下,碳減排的速度需要更快一些,才有助于實現(xiàn)中國的“雙碳”目標[19-21]。

8 結論

通過《展望》中“快速轉型情景”“凈零情景”和“新動力情景”分析,探索到2050年能源系統(tǒng)在減少碳排放、向低碳清潔能源轉型路徑中的發(fā)展趨勢,對一次能源、石油、天然氣、可再生能源、低碳氫及碳排放的轉型趨勢進行整理分析。到2050年前,三種情景下,終端能源消費總量均已達峰值,在“快速轉型情景”和“凈零情景”中,能源消費總量降低17%～32.2%,而在“新動力情景”中,能源消費總量增加5.9%;石油、天然氣總需求量呈降低趨勢,與2019年相比,石油消費量下降22.4%～77.6%,天然氣消費量下降18.4%～55.3%,減少量由更低碳、清潔能源替代,顯示能源正快速向低碳能源轉型;可再生能源增長快速,低碳氫需求強勁,展望期間三種情景下風能和太陽能裝機容量將大幅提高5～9倍;CCUS技術的利用使得碳排放量大幅下降,碳排放量將下降27.9%～95%。中國作為全球能源大國,在“雙碳”目標下,要提升能源安全,更快推動向更低碳能源結構的轉變。