2018年4月，国家发改委能源所、国家可再生能源中心、dena、Danish Energy Agency、NREL、giz、Agora Energiewende、Ea energy Analyses和ENERGINET联合发布《能源转型趋势2018—中国、欧洲、美国》。
1.前言
国家可再生能源中心，丹麦能源署和 电网(Energinet)，德国国际合作机构(GIZ)，德国能源署(dena)和德国Agora能源转型机构(Agora Energiewende)，以及美国国家可再生能源能源实验室(NREL)合作了一项重大课题“促进中国的可再生能源利用(Boosting RE in China)”。目的是为中国提供国际上最新的能源转型经验，并为中国制定一个长期的向低碳、清洁、高效能源系统转型的能源体系设想。
本报告是由课题合作伙伴共同编写，旨在介绍世界三大能源消费国：中国、欧洲和美国的能源转型趋势，让读者了解这3个地区能源转型的前景、可能性和挑战。
向低碳能源部门转型相关的挑战正在得到更好的界定，许多问题的解决方案也已经确定。虽然国家之间存在着经济、政治和社会的差异，但核心技术和以商业为基础的解决办法似乎是一致和广泛适用的。各国之间为分享这些创新和经验教训而进行的制度协调可以推进全球在能源转型方面取得进展。
2.能源转型的国际趋势
全球变暖影响着所有国家。只有通过国际社会的共同努力才能解决全球变暖问题。《巴黎协定》被认为是应对气候变化的一个重要里程碑。第一次，几乎所有国家都承认全球变暖的威胁是真实的，并且普遍同意“控制全球气温并使气温与工业革命以前的水平相比不高于2摄氏度，并且努力把温度差控制到1.5摄氏度以下”。为了实现这一目标，越来越多的国家公布了各自的温室气体减排目标。
图中所显示的数据一部分来自提交给联合国的国家自主贡献(Nationally Determined Contributions，NDC)指标，另一部分来自如丹麦和德国的额外国家指标。除非另有说明，所有指标的基准年是1990年。为了便于比较，对于美国来说，根据美国环保署(Environmental Protection Agency)的数据，以2005年为基准年的NDC官方指标已转换为以1990年为基准年的指标。丹麦2030年的温室气体减排目标是基于丹麦初步的非排放交易体系的减排目标，即与2005年水平相比减少39%，并非丹麦的官方目标。
全球能源转型成功的关键要素：
国际经验交流互鉴
明确的长期目标，制定和定期修订中期目标，灵活的心态调整短期目标
此外，在过去几年中，许多国家已开始将其能源系统过渡到以可再生能源为基础的更加可持续的能源供应系统。因此，中国能源系统的转型应该放在全球类似发展的背景下看待。到目前为止，所有这些国家采取的路径大相径庭，这是由于能源转型取决于若干变量，例如它们的时间和起点、地理位置或它们的政治和社会环境。下面的案例研究将陈述这种多样性。
欧盟作为世界上最大的市场，是全球领先的参与者，也是应对气候变化的有力倡导者。人们普遍认为，丹麦在可再生能源，特别是风能、电力和供暖系统转型方面是全球的先驱。德国作为欧洲最大的经济体和人口最多的国家，是一个高度工业化国家致力于实现经济脱碳很好的范例。最后，美国是一个领土辽阔、政治制度复杂的国家，为上述多样性树立了另外个榜样。
他们的共同点是有经验在高度动态和国际化的复杂背景下仍然有能力将他们的能源系统由以化石燃料为基础的持续发电的集中式方式，转变为以数千个能源生产设施(风力、太阳能、生物质能等)的波动发电为基础的分散式系统。这就要求政治和监管方面要有明确的长远眼光，有详细的、定期修订的中期目标，并在短期内可以持续采取具体的调整措施来做到。
3.中国的能源转型
3.1经济发展与生态文明
中国继续增加对环境改善和清洁能源政策方面的重视程度。2017年10月“十九大”会上，中国宣布了两个世纪目标：到2035年全面建成小康社会的目标、到2050年建立一个繁荣、民主、文明、和谐的社会主义现代化国家。“十三五”规划还强调继续坚持“四个全面的战略”，并促进经济、政治、精神、社会和生态的平衡发展。
在中国，经济增长与能源发展密切相关。展望未来，中国正在向可持续经济发展模式转变，其中包括：能源系统转型和生态文明建设。
中国的整体能源战略包括几个方面。工业政策方面，“2025年中国制造”计划强调绿色科技，如可再生能源、电动汽车和先进的电力系统设备。短期发展方面，国家能源局(NEA)近期发布了2018年能源工作指导意见，强调转向低碳、清洁能源和清洁供热发展，同时限制煤炭的使用。此外，全国人民代表大会今年3月刚刚通过了政府机构改革计划，根据该计划，两个新成立的部门—自然资源部和生态环境部，将加强中央政府在这些领域的管理。
3.2光伏迅猛发展
近年来，中国发展可再生能源，向能源结构多元化发展。从2005~2016年，可再生能源的比例从16%增至26%。向清洁能源系统发展是为了改善空气质量，应对气候变化，最终减少对化石燃料的依赖。
近年来，随着太阳能光伏发电装机的迅猛发展，风力发电装机容量增长速度有所回落。2017年，新增并网的风电装机容量下降为15.03GW，而两年前新增并网装机容量超过30GW，;而光伏新增并网装机容量超过53GW，使得累积装机容量超过2020年最低目标(105GW)的24%。
根据国家可再生能源中心年度旗舰出版物《2017年中国可再生能源展望》((CREO2017))中假设平均温度下降2℃的情况下，预计风电占一次能源供应总量的比例将从2016年的0.7%上升至2020年的4%、2035年的12.5%和2050年的21.8%。预计光伏发电将从2016年的0.3%上升至2020年的1%、2035年的6.5%和2050年的13.4%。
图2 中国能源系统转型的主要效果指标
图3 中国2017年可再生能源展望2050年气温下降2°C中国一次能源供应总量预测
表1：2025年、2030年至2050年风电和光伏占一次能源供应总量比例
图4 2017年新增电力装机容量(GW)
图5 2017年光伏和风电新增装机容量和发电量增量
3.3温室气体减排和能源系统改革政策的框架
减排和体制改革是过去二十年能源部门发展的两个重点。自从2001年“十五”规划起，中国就制订了严格的环境保护目标，并设置了切实的污染防治措施。
在“十二五” 规划期间(2011-2015年)，中国制定了2020年温室气体排放强度目标，并通过市场和行政手段相结合来降低排放强度。国家发展改革委(NDRC)宣布在2011年启动碳市场试点。
在体制改革方面，2015年中国开始大力推进电力行业改革，以最终形成双边电力交易、电力现货市场和辅助服务市场。自全面改革以来，先后出台了六项配套政策，包括输配电价格改革、建立现货市场试点、建立电力交易所、形成双边市场(发电和效率)、开放电力零售市场、规范所谓工业自备燃煤电厂等。与电力部门改革相结合，国家能源局启动燃煤电厂灵活性改造试点项目，以便整合风电和光伏产生的间歇性电力。
图6 政策时间表
3.4从补贴向市场化发展的转变
中国致力于推进市场化机制，以实现向绿色和低碳能源转型。从2009年开始，中国一直依靠上网电价补贴来推动风电和光伏发电，中国可能转向可再生能源配额制度自从2017年推出了自愿交易的绿色证书制度。到2020年，全国非水电可再生能源的电力消费量将达到总电力消费量的9%，所有发电公司将生产9%的能源来自非水电可再生能源。2018年3月，政府开始收集关于强制性可再生能源配额机制的意见。主要反馈意见的企业包括电网企业、配电和电力销售企业，以及有自备电厂企业。
碳市场是另一种趋势。从2011年到2016年，中国已经在北京、天津、深圳、上海、湖北和广东等启动了7个碳市场试点。到目前为止，这些市场的配额主要是通过基准和标杆的方式进行分配，只有小规模的在进行交易。2017年12月正式宣布了全国碳市场，主要是在电力和供热行业，这些行业占煤炭总使用量的大部分。市场将在未来几年才开始正式交易，碳排放配额机制将继续得到推广。决策者希望碳价格在促进低碳转变方面发挥越来越重要的作用。
3.5低碳发展的障碍
尽管中国长期目标无疑致力于实现低碳能源转型，但短期内仍存在诸多障碍。能源需求量继续快速增长，化石燃料短期内仍然是满足需求的关键。
此外，省级和国家目标之间的冲突是迫切需要解决的。大多数省份的煤炭产能过剩，省级官员对可能威胁到地方财政活力的改革仍持谨慎态度。这意味着双边合同、省级间电力交易和现货市场试点并不是促进经济调度必要的。人们一致认为，迄今为止的改革仍未突破中国分析人士所称的“省级壁垒”，这些壁垒阻碍了竞争和经济调度。
中国还在努力实施优先发展可再生能源的政策。例如，尽管中央政府制定了多项政策，规定风电和光伏的最短调度时间以及消除弃风和弃光问题，在2017年，风电和光伏的调度时间和弃风弃光情况都有所好转。但是一些省之间资源的整合仍然是一个严重问题。例如甘肃已经发展了大量的风电和光伏，它们的发电量无法被省内利用完，然而输电能力和可再生能源的调度能力相对滞后。
3.6未来决策集权
2018年，国家能源局的工作重点包括绿色、低碳、创新驱动发展，提高能源供应质量、系统效率、缓解贫困、提供优质能源服务、加强能源部门管理、扩大国际合作。随着风电和光伏的价格下降，风电平价上网可能会在2020年到来，而光伏的平价上网或将在2025年前到来。电力市场改革应在改善清洁能源经济方面发挥重要作用。特别是，现货市场、辅助服务市场、省际和区域间传输的增加以及分布式能源有助于消除低碳能源面临的障碍。
行政管理层面也在发生着重大变化。2018年3月成立了两个新部门，即生态环境部(MEE)和自然资源部(MNR)。负责环境税收和碳排放交易工作的部门都将纳入生态环境部，帮助这些政策与其他环境政策相结合。同样，负责水、草地、林业和湿地资源的部门也将被纳入自然资源部，帮助调整这些地区的自然资源政策。类似部门的集中可以简化决策、监督和执行。
4.欧 盟
4.1欧盟2030/2050年的长期能源目标
欧盟有雄心成为应对气候变化的主导力量。2014~2020年，欧盟将预算的至少20%投向了气候变化相关的活动，资金高达1800亿欧元。欧盟范围内的能源系统转型，比如实施共同目标政策和推进欧盟结构化整合，被视为经济脱碳的关键驱动力。
2009年10月，欧洲理事会制定了温室气体排放量的长期目标，2050年将比1990年减少80~95%。2014年10月，欧洲理事会同意制定更具体、更全面的2030年目标和政策目标(见下表)。这些目标旨在实现一个更具竞争力、更安全、更可持续的能源体系，并实现2050年长期温室气体减排目标。但是这些并不妨碍欧盟成员国实现它们自己更为宏大的目标。
表2 2030和2050年欧盟的能源目标
4.2欧洲能源政策的最新发展：冬季“一揽子”方案
欧盟正在努力建立一个欧洲内部能源市场，以制订总体框架满足能源在欧盟区域内自由流动(无技术和监管障碍)。这旨在增加竞争性，汇集所有成员国不同的能力，并改善能源安全和系统稳定性。
图7 普通立法程序后冬季“一揽子”方案的时间表
欧盟在能源转型中遵循辅助性原则的做法，可以作为中国面临挑战的范例和参照。欧盟作为中心实体，致力于制定和监测明确的共同目标，并确保总框架(市场结构、法规、基础设施等)能够朝着新能源体系的方向进行稳步发展。另一方面，成员国在考虑到它们各自的区域条件时，有权利和义务执行这些有助于实现共同目标的政策。
2016年11月，欧盟委员会公布了一些立法提案，总结为“面向所有欧洲人的清洁能源”一揽子计划。这个所谓的“冬季一揽子计划”旨在明确欧盟能源目标2030的战略实施和推动能源联盟。一千多页的方案主要涉及下列主题：
能源联盟的管理
电力市场的设计
可再生能源和能源效率
图8 欧盟能源体系转型的关键效果指标
目前，欧洲议会和欧洲联盟理事会，即各国部长，正在按照所谓的欧盟普通立法程序协商一揽子方案(另见下文立法程序概览)。
4.3 成就和挑战：衡量欧盟的进展和前瞻
欧盟能源政策中3个相互关联的目标(减少温室气体排放、减少欧盟对能源进口的依赖、确保增长和就业)的关键效果指标图表显示，自2000年以来，在这些目标都取得了进展。该图表还强调了温室气体与经济增长的有效解耦。
然而，考虑到为2030年和2050年制定的宏伟目标，欧盟和成员国都必须继续加倍努力。这不仅意味着进一步支持技术发展，提高能源效率，而且意味着彻底检查所有与排放有关的政策领域，即运输和流动性。
参考资料：欧洲电力传输系统运营商网络和欧洲电网规划过程
随着2009年欧洲输电系统运营商网络的建立，欧洲输电系统运营商被赋予了重要任务，从而对欧洲电力市场和输电系统的发展产生了重大影响。输电系统运营商规划的主要产品是(非约束性的)十年电网发展规划，该规划根据欧盟条例714/2009每两年进行一次。
欧洲电力传输系统运营商网络规划过程包括3个步骤：首先，为了确定不确定性以及确定欧洲在电力传输基础设施方面需要什么，开发了未来的不同方案。基于这些情况，来自34个欧洲国家的41个电系统运营商的专家开展了共同规划研究。规划研究的结果是一系列的基础设施项目。最后一步，这些项目按照欧洲批准的方法进行评估，以评估项目的成本和效益。这种评估不仅仅是纯粹的经济评估。相反地，它还考虑了项目如何支持环境、欧洲福利、供应安全等。
每年，欧盟委员会都会更新一份欧洲重要项目的清单，即所谓的“共同感兴趣的项目”。这张清单以其过去十年网络发展规划为出发点。这些项目必须遵守有关透明度和利益相关者参与的某些规则，从而能够更快地获得欧盟的许可和财政支持。
5.丹 麦
5.1经济增长与能源消费和温室气体排放解耦
丹麦经济和能源部门的总趋势表明，丹麦能够在发展经济的同时降低能源消费和温室气体排放(见下图)。分析数据显示，制造业的外迁其实对丹麦经济增长与能源消费和温室气体排放的影响微乎其微，真正使得他们解耦的重要因素是可再生能源结构调整，包括热电联产(CHP)和地区供热的扩大，以及可再生能源使用的急剧增加。
在丹麦的能源板块，发生最急剧的变化是在可再生能源发电领域，可再生能源占2016年总能源消费的31%。而在20世纪90年代初，丹麦可再生能源发电量占发电总量的不到5%。2016年，数据60%是因为丹麦对陆上和海上风力发电潜力进行了大量勘探(42%)，并伴随着燃料转型—从煤炭和天然气转变向生物燃料(14%)。
图9 丹麦能源系统转型的关键效果指标
5.2 丹麦式可再生能源的整合—灵活与开放的能源市场
为了应对丹麦50%发电量的波动(风电和光伏)，丹麦输电系统运营商(TSO) Energinet.dk已经实施了一些倡议和系统解决方案。主要因素是：
- 规划和预测：
丹麦TSO开发了先进的监测系统来预测风电和光伏等能源的预期发电量，以便改进以小时为单位发电的计划，从而减少对备用能力的需要。
- 发电站的灵活性和备用能力：
备用容量加上大多数传统发电站将发电量调整到其额定容量的50%以下的技术能力，意味着可再生能源成为丹麦系统的基荷能源。
- 有效和透明的电力市场：
风电和光伏的整合得到了北欧日前电力市场的支持。风力发电和光伏发电的边际成本非常低，这意味着它们在“效果排序”中被市场“分派”到传统能源之前。
- 强大的国内输电网络和跨境互联：
为了平衡和市场目的，丹麦与北方邻国(挪威和瑞典)和南部国家(德国和荷兰)实现了充分的能源相互连接，使丹麦在电力不足(或盈余)从邻国获取(或给予邻国)，以实现平衡。尤其是挪威和瑞典以水电为主，水电是平衡间歇性风电和光伏的理想选择。这些都是通过耦合的电力市场实现的，目前从芬兰到南欧的电力市场都是如此。
- TSO在可再生能源的购买弹性：
大型风电项目已被证明在大风条件下具有非常有效的平衡能力。风电站的响应时间很短，启动成本也很低。在适当的激励和“虚拟电厂控制系统”的帮助下，大型风电项目可以在一般电力市场价格较低时，参与到特定的均衡电力市场中，获得具有吸引力的电价。
展望未来，为了应对丹麦波动的电力能源系统，进一步规划基础设施(电网)和保持系统的高度稳定和电力价格的竞争性至关重要。与邻国和欧盟电力系统的进一步整合和互联也是答案的一部分。此外，还在探索通过热转换器等其他部门储存和使用电力的能力，未来的交通电气化也都是这个计划的一部分。丹麦能源规划与欧盟建立更深入一体化密切相关的能源联盟计划。
5.3 新的能源协议正在制定
在欧盟2030年能源目标的基础上，围绕新的能源协议的政治谈判已经开始。新的能源协议将为丹麦能源部门设定2020年后的发展方向和目标，议程的重点将是进一步摆脱以化石燃料为基础的能源来源，进一步提高能源效率，建立一个以市场为基础的能源部门，为消费者和企业进行成本效益的改革，从而使能源价格具有竞争性。政府正在努力实现可再生能源到2030年，占到丹麦能源消费总量达到50%的目标。为了实现这个目标，欧盟法规和丹麦专家的建议都指出了更多竞争性的支持方案，如用于部署海上风力的投标系统。
6.德 国
6.1“Energiewende”—能源转型源于德国
德国所谓的能源转型是一项长期的能源和气候战略，旨在建立一个以发展可再生能源和提高能源效率为基础的低碳能源系统。它被认为是一个雄心勃勃的工业项目，需要在德国国内和整个欧洲进行技术和社会转型。能源转型基于四个主要目标：应对气候变化、避免核风险、改善能源安全以及保障经济竞争力和增长。Energiewende是一个综合政策框架，涵盖能源和经济的所有部门。它包括降低二氧化碳排放、发展可再生能源、到2022年逐步淘汰核能以及提高能源效率的目标和政策措施。
表3 德国能源转型的关键目标
虽然能源转型取得了一定的进展，但仍然有很长的路要走
近几十年来，德国以推动可再生能源为目标，实现电力结构的多样化(可再生能源发电量从1990年的4%增至2017年的35%以上)，包括2000~2010年期间公民拥有的可再生能源项目急剧增加。然而，可再生能源在其他部门(交通运输和供暖/供冷)中的占比并未实现按比例增加。
由于法律、政治和监管方面存在很多挑战，输电电网必要的扩张是一个漫长的过程，因此在整个电力系统管理中，输电电网建设相关的延期现象越发明显：电网阻塞频率增加，此外可再生能源电站的进一步发展使其越来越容易暴露于电网结构问题的风险之中。除输配电网的扩张以外，通过鼓励新技术和新流程(例如需求侧管理、储能技术、P2X技术、系统管理数字化)以提高电力系统的灵活性。
尽管光伏发电上网电价补贴(FIT)退坡计划已经导致光伏价格从2004年的50ct/kWh以上降至现在的约100ct/kWh，但是可再生能源的拍卖为未来提供了客观的价格预期：最近的拍卖导致平均价格降至4.91ct/kWh。最近的陆上风电拍卖的平均价格为3.82ct/kWh，最近的海上风电拍卖(将于21世纪20年代中期建造)的价格从0~6ct/kWh(平均加权价格0.44 ct/kWh，另外1.5ct/kWh为并网需要支付的费用)。总体而言，可再生能源价格大幅下跌，预计将进一步下降。
图10 德国能源系统转型的关键效果指标
6.2展望：提高能源系统的灵活性和数字化
目前能源部门的政治辩论涉及几个议题。其中包括关于增加可再生能源装机容量的讨论，特别是关于公民接受的讨论。不过，装机容量的增加，主要是陆上风电装机容量的增加，而且仍然很高。重点还在于光伏发电的自我消费，这对家庭和商业消费者都有吸引力。在这方面，储能系统的开发和安装变得越来越重要，因为它们允许最大限度地提高自我消费，并提高系统的灵活性。目前辩论的另一个重要部分是数字化问题，这是能源转型成功的关键要素。间歇性可再生能源(光伏、风电)需要一个将发电、消费者和电网相结合的连接网络。能源系统需要始终提供灵活性，以平衡间歇性可再生能源发电。只有在发电和(灵活)需求能够使用安全和数字化的连接渠道的情况下，才有可能做到这一点。因此，2016年，德国政府批准了一项关于”能源转型数字化”的法律。最后特别是，实现所有部门(能源、交通运输、建筑、工业)高度连接所产生的协同作用是能源转型议程上的优先事项。随着2018年的联盟条约，Energiewende问题仍然是政府政治议程的优先事项。2020年的减排目标不可能实现。然而，基督教民主人士联盟(CDU/CSU)和社会民主党(SPU)的目标是实现这些目标，并致力于实现2030年的目标。为此，他们将电力部门2030年的可再生能源目标提高到65%。
6.3基于市场的可再生能源整合以作为应对能源转型复杂性的具有成本效益的方法
德国的Energiewende就是一个例子，说明高度工业化的经济体如何能够在确保能源安全的同时，将其电力系统向气候友好型、经济竞争力的体系过渡。间歇性可再生能源市场和系统整合措施的经验表明，与作为协调行为者的监管机构进行基于市场的整合，同时考虑到所有相关利益相关方，能够实现成本的大幅度下降。此外，事实证明，长期和中期目标的制订有助于使具有政策的长期目标获得短期效果。考虑到从德国能源转型学到的经验，中国有机会解决空气污染问题，建立同样允许经济增长的气候友好型能源体系。
7.美 国
在美国，能源的发展主要受到技术创新、市场竞争以及标准和政策(特别是州和地方层面)的影响。
技术标准和政策通过在进入市场的早期明显地降低可再生能源的价格支持了可再生能源技术的竞争空间。据统计，州和地方可再生能源组合标准(RPS)刺激了2000~2015年间60%的可再生能源发展，并通过增加装机容量降低了可再生能源的成本。公司平均燃料经济性(CAFE)标准推动了汽车燃料效率的创新，例如启停系统的内燃机等。激励措施可以降低和减轻早期使用者在这些转变过程中的成本和不确定性负担，有针对性的研发投资可以解决投资者的特定问题和技术限制。
市场对美国能源转型和碳减排产生了主导影响。尽管新的基础设施(如传输和运营)的建设和监管对成本有重要影响，但当前政府采用可再生能源技术面临的成本仍比十年前要低得多。风电，光伏和储能等先进技术的全球共享使可再生能源产生了巨大的跨越式发展。今天可再生能源技术的发展已经不再面临早期发展中的市场动荡问题。虽然天然气的出现使得能源转型的发展很难预见，但政府还是在确保公平、有效、起作用的市场平台方面发挥了作用。政府的这些平台能够可靠地整合所有形式的能源，提高能源安全性、降低成本，并实现既定的社会目标和环境目标。
图11 美国能源系统转型的主要效果指标
7.2展望：能源系统的结合和市场模式
随着可再生能源技术的提高和成本的降低，美国能源转型的焦点将开始集中到可靠性、弹性和电力系统的灵活性等方面，包括各种发电形式的结合、通过可靠的和物理的基础设施传输电力、以安全且经济的方式管理负荷。传感器和先进计量的大规模应用为以前无法获得的大数据提供了重要的新机会。能源部门的这种数字化可以为人工智能和机器学习提供改进途径，以增加主要电力系统的管理能力、减少公用事业的损失和降低消费者的成本。
同样地，这些技术进步也可能对具有能源生产和消费控制能力的分布式能源系统产生重大影响。随着分布式发电和储能技术的发展和大规模应用，能源消费者的可选择性和参与度也随之提高，此时，监管机构和公用事业将在保证电网的技术、经济可行性方面发挥重要作用。
原标题:国家发改委能源所、国家可再生能源中心等机构联合发布《能源转型趋势—中国、欧洲、美国》