能源转型发展历程与趋势

孙士昌 岳小文 杜国敏 周颖 王进

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油国际事业公司）

0 引言

能源是人类社会发展的物质基础，能源安全是国家安全的重要组成部分。当今世界，面对全球能源供需新格局、新变化，未来能源的发展方向成为大家共同关注的焦点。

石器时代的结束不是因为没有了石头，而是出现了铁器；同样，石油时代的结束不会是因为没有了石油，而是出现了更清洁的能源。早在上世纪70年代，两次石油危机之后，能源转型问题就引起国际社会的广泛关注。进入21世纪后，随着时间的推移，由于能源安全、环境安全、气候变暖等问题给生态环境造成的影响日益加剧，进一步推动了新能源和可再生能源的发展，绿色清洁低碳发展成为大势所趋。

1 能源转型发展历程

1.1 能源转型概念

一般而言，能源转型是指能源系统内部根本的、结构性的变化过程，突出表现为一次能源消费结构中主导性能源种类的变化，本质上是能源生产、消费方式、商业模式乃至观念的转变。加拿大能源研究学者瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil）在《能源转型：历史、要求、前景》（《Energy Transitions: History,Requirements, Prospects》）一书中认为，在由一种能源转向另一种新能源的过程中，如果新的能源在能源消费总量中的比例达到5%，则被认为是能源系统开始转型的标志。倘若新的能源在能源消费总量中的比例超过一半或占据大部分，则认为这是能源转型完成的标志［1］。

1.2 第一次能源转型

第一次能源转型起源于英国，是从薪柴时代转向煤炭时代。早在1560年前后，英国能源已经开始向煤炭系统转型，到1619年，煤炭消费占比达到最大 49.1%，完成转型，领先世界 200余年。此后煤炭消费占比持续增长，到1938年，达到峰值97.7%。

从世界范围来看，大约在1840年左右以煤炭为主的矿物能源占比达到全球能源消费总量的5%，第一次能源转型至此开启。到1881年左右，煤炭替代薪柴成为第一大能源，人类社会进入煤炭时代。到1913年，煤炭在能源结构中的占比达到峰值 70%，随后煤炭份额呈下降趋势，2018年煤炭在全球一次能源消费中占比为27.2%，具体见图1。

图1 世界能源体系演变—主要能源消费占比变化

1.3 第二次能源转型

第二次能源转型是从煤炭时代转向石油时代，开始于1913年左右，到1965年石油超过煤炭成为第一大能源，开创了石油时代。石油在能源结构的占比于1973年达到峰值49.8%，随后石油占比不断下降，但在能源结构中仍然处于第一大能源位置。2018年石油在全球一次能源消费中占比为33.6%，具体见图1。

美国是最先进行第二次能源转型的国家，在1910年左右，美国石油消费量在能源消费总量中的比例达到 5.0%，到 1950年，石油消费占比上升至38.4%，成为美国当时占比最大的能源类型，标志着美国完成能源转型。石油在能源结构中的地位快速提升的同时，美国也开启了对天然气资源的开发和利用，到1958年，美国天然气消费在能源消费总量中的比例达到25%左右，超越煤炭成为第二大主导能源。

1.4 第三次能源转型

当前正在进行第三次能源转型，其核心是大力推动可再生能源发展，最终实现从化石能源体系向绿色、可持续的可再生能源体系转变。自 20世纪30年代可再生能源占全球一次能源消费总量的比例达到 5%以后，可再生能源长期处于缓慢发展阶段。2006年可再生能源在全球一次能源消费中占比为7.2%。2018年可再生能源在全球一次能源消费中占比为 10.9%，因此，我们目前还处于第三次能源转型的初期阶段。

2 能源转型发展特点

2.1 能源转型是一个长期渐进的复杂过程

回顾前两次能源转型，可以发现每一次能源转型都是一个长期渐进的过程［2］。每一种新型能源替代另外一种主体能源都需要几十年才能完全渗透到全球能源体系中（该能源在全球能源消费占比达到5%），而转型的过程也需要几十年才能完成。从薪柴时代到煤炭时代，转型经历了41年，煤炭时代到石油时代，则经历了52年才完成。煤炭自1881年成为能源消费结构中的主体能源到 1965年被石油所替代，经历了84年。

相比于前两次能源转型，第三次能源转型更加复杂，在能源发展过程中存在经济增长、环境保护和能源转型相互制约、相互制衡的长期矛盾。全球能源结构发展的不均衡性、新能源发展速度的不确定性、关键技术集群的攻关瓶颈、化石能源清洁利用以及与新能源的高效融合程度都有可能延缓第三次能源转型进程。自20世纪30年代可再生能源消费占比达到全球能源消费总量的 5%以后，过去 80多年可再生能源发展缓慢，根据 BP（英国石油公司）、ExxonMobil（埃克森美孚）、中国石油天然气集团有限公司经济技术研究院（简称中石油经研院）、IEA（国际能源机构）、OPEC（石油输出国组织）和 EIA（美国能源信息署）对未来能源结构的预测结果，到2040年，可再生能源（含水电）占比也仅达到16.5%～22.4%，距离超越化石能源成为主体能源还有很长的路要走，具体见表1。

表1 2018年各机构能源结构预测

2.2 资源储量丰富且价格低廉是能源转型发生的基础条件

能源资源禀赋对能源转型有着重要影响。前两次能源转型能够发生主要是替代能源拥有丰富的资源储量且价格低廉，如果缺少这个基础条件，只是短期内的能源替代，不能称为能源转型。

在新航路开辟及海外贸易的推动下，16、17世纪英国经济获得快速发展，人口显著增加，带动传统手工业迅速发展，使得原本就紧张的薪柴供应雪上加霜，蒸汽机的发明带动煤炭的大规模使用，丰富的煤炭资源储量解决了17世纪英国的“柴薪能源危机”，促使英国率先完成第一次能源转型。在第二次能源转型中，丰富的石油资源储量使美国率先在全球完成转型［3］。一方面，充足的能源储量能够保证能源的长期大量供应，另一方面低廉的价格能够保证绝大多数人负担得起。尽管目前可再生能源资源丰富，同时技术进步使可再生能源成本快速下降，但相对于传统能源，其成本仍然较高，在一定程度上阻碍了可再生能源的规模化发展。

2.3 能源转型与工业革命相生相伴

能源转型的历程总是伴随着工业革命，二者相辅相成。

第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，人类进入机械化时代。在这一时期，机械化生产逐步替代以人力、畜力、水力等自然力为主的传统手工生产方式，煤炭被大规模使用，能源生产利用效率不断提高，极大地推动了第一次能源转型。

第二次工业革命以电力、内燃机的发明和广泛使用为主要标志，人类进入电气化时代，在这一时期，科学技术突飞猛进，各种新技术、新发明不断涌现并应用于工业生产，石油、天然气得到大规模开发与利用，促进了第二次能源转型的快速发生。

伴随着计算机、信息科技的快速发展，人类在第三次工业革命中快速进入自动化时代，并很快将在第四次工业革命中进入智能化时代。互联网技术、新能源技术、智能化制造技术被广泛应用，一种全新的“科学用能”模式正在逐步代替传统的、粗放的用能模式，将给传统能源和制造业带来颠覆性冲击，加速第三次能源转型的进程。

2.4 向低碳与高能量密度能源发展是总体趋势

根据能源转型历程来看，从高碳能源转向低碳能源、低密度能源转向高密度能源是能源转型总体趋势。

从能源含碳结构变化看，从煤炭到石油、天然气、氢能及可再生能源，含碳量持续下降，能源体系中主导能源的碳排放系数不断降低，能量密度逐渐升高。比如发电领域中，根据世界核能协会的测算，煤的碳排放系数平均值约为0.89 kg/（kW·h），石油和天然气分别为 0.73 kg/（kW·h）和 0.50 kg/（kW·h），太阳能光伏的碳排放系数平均值只有0.09 kg/（kW·h），而风电、核电、水电的碳排放系数为0.03 kg/（kW·h）。从能量密度看，薪草的能量密度仅14 MJ/kg，煤的能量密度为21 MJ/kg，石油和天然气的能量密度分别为42 MJ/kg和50 MJ/kg，氢能的能量密度为200 MJ/kg，而1 000 g铀235核裂变时释放的能量相当于2 500×104t标准煤燃烧释放的能量。

3 第三次能源转型驱动因素与趋势

3.1 驱动因素

3.1.1 技术进步是最根本的驱动力

能源转型的驱动因素有很多，包括人口增长、经济发展、技术进步、市场需求、气候与环境变化、能源安全、政策引导等等。不同时期，主导因素有差异，但自始至终技术是根本驱动力。

技术进步与装机规模的扩大促使低碳能源的技术成本大幅下降，2010—2016年，新建太阳能光伏发电成本已经降低70%，风电成本降低了25%，电动汽车的电池成本下降40%。到2040年，太阳能光伏发电、风电、电动汽车电池成本还将分别下降30%～50%、0～30%、10%～45%。技术成本下降将使新能源更具有市场竞争力，进一步促进新能源消费，加速第三次能源转型进程。

随着新能源科技成果不断涌现，正在并将持续改变世界能源格局。未来氢能、核能、太阳能、风能、海洋能、地热能利用，以及储能、新材料等技术突破，将进一步改变人们的消费行为，推动第三次能源转型。

3.1.2 政策推动成为关键驱动力

与前两次能源转型不同的是，由于环境和气候变化对人类生存发展的影响问题逐步取得全球共识，对气候与环境问题的关注促使各国加大了对可再生能源发展的政策引导力度，政策引导对推动第三次能源转型的作用远远超过前两次能源转型。

（1）国际社会对于低碳发展达成共识

进入21世纪以来，气候变暖致使冰川消融、海平面升高、森林减退、土地荒漠化，并引发酷暑、干旱、洪水、海啸、地震等极端气候灾害，对人类生存环境影响不断加大。近年来，全球气候变暖问题受到越来越多的关注，自1992年150多个国家和经济共同体在巴西里约热内卢签署《联合国气候变化框架公约》后，从1995年开始每年召开一次联合国气候大会，致力于温室气体减排并签署了一系列约束性文件，包括《京都议定书》（1997年）、《巴厘岛路线图》（2007 年）、《哥本哈根协议》（2009 年）、《巴黎协定》（2015年）等。国际社会持续致力于温室气体减排将进一步加快能源转型速度。

（2）各国相继制定可再生能源发展目标和支持政策

可再生能源已成为全球能源转型中发展速度最快的能源。2018年，可再生能源发电（含水电）占比达到全球新增发电的63%，其快速发展的背后是各国可再生能源政策体系有力推动。2004—2018年间，制定可再生能源发展目标和采取相关政策的国家/州（省）数量已从 48个增长到169个，涉及发电、交通、供热和制冷三大领域。2018年分别有162个国家、45个国家、47个国家在这三大领域制定了可再生能源发展目标。

欧盟在推动可再生能源发展方面走在了世界前列。欧盟计划到2020年可再生能源消费比例目标达到20%，目前已有7个国家实现这一目标。2018年，欧盟可再生能源消费比例为14.1%，欧盟将2030年这一消费比例目标值从 2014年设定的 27%提高到32%，部分欧盟国家已经提前实现这一目标。比如瑞典的可再生能源消费比例已经达到38%，超越石油成为主导能源、奥地利达到32%。

2018年，美国可再生能源发电占美国总发电量的 16.8%，虽然美国国家层面没有制订可再生能源发电目标，但有13个州制定了自己的发展目标，其中加利福尼亚州和夏威夷州均计划 2045年实现100%可再生能源发电［4］。日本在 2018年修订《能源基本计划》，明确将太阳能、风能等可再生能源发电定位为“主力电源”，将2030年可再生能源发电在总发电量中的比例从22%提高至24%。中国也制定了可再生能源发展目标，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，到2030年，非化石能源占一次能源消费比重达到30%。

（3）燃油车禁售提上日程

交通（公路、铁路、航空、水运等）领域是全球第二大能源终端消费领域，约占终端能源消费比重的30%左右。在交通用能领域，化石燃料占有绝对垄断地位，但这种情况正在发生变化。在电动汽车快速发展及二氧化碳减排提速的双重推动下，部分国家提出了燃油车禁售时间表，一些车企也相继拟定了燃油车停产/减产计划，交通领域驱动方式的变革政策在一定程度上抑制了化石燃料需求的增长。

在2015年的联合国气候变化大会上，包括德国、英国、荷兰、挪威，以及美国18个州等在内的国家和地区，组成了“零排放车辆同盟”，承诺到 2050年，该同盟内国家和地区将不再销售燃油车。此后部分国家更是给出了更为具体的计划。英国宣布将于2040年起全面禁售汽油车与柴油车；法国计划从2040年开始，全面停售汽油车和柴油车，具体见表2。

表2 各国燃油车禁售时间

同时多家车企发布了燃油车减产或停产计划，具体见表3。

表3 主要车企燃油车减产或停产时间

3.2 发展趋势

尽管在未来，能源转型还将是一个长期复杂的缓慢过程，在一定时间内呈现多元发展态势，但能源供应的清洁化与能源消费的高效与智能化已成为全球能源发展大趋势。

3.2.1 清洁化

广义上讲，清洁化是能源体系逐步从二氧化碳排放密集型化石能源为主向清洁能源为主转变，可分为能源清洁化和清洁能源化两个阶段［5］。2018年，煤炭、石油、天然气等化石能源消费占全球能源总消费量的 85.1%，短期内传统化石能源的主体地位难以动摇，能源清洁化更多是化石能源消费结构自身的调整，实现能源清洁开发、清洁利用、清洁转换。随着技术的进步，传统能源清洁化能在一定程度上缓解现阶段经济社会发展、环境保护和气候变化之间的矛盾，但还是存在污染及温室气体排放问题，人类社会发展对能源需求的必然选择是走向清洁能源化。以太阳能、风能、水能为主的可再生能源的发展利用将是第三次能源转型的最终选择。

3.2.2 高效化

全球人口增长与经济持续发展，能源消费需求虽然还将继续增长，但增速放缓，能源效率提升与能源强度下降是主要原因。根据国际能源署的数据分析，从上世纪80年代到2010年，30年内全球能源强度（单位 GDP能源消耗）平均下降了 1.3%，而从2011年到2016年的短短6年内，全球能源强度下降幅度达到了2.1%。根据国际能源署预测未来2017—2040年，能源强度将保持年均2.33%的下降速度。与2017年相比，到2040年，在交通领域乘用车每公里减少燃料消耗40%，货运车每公里减少燃料消耗46%；在工业领域，钢铁生产每吨减少耗能25%；在建筑领域，每平方米减少能耗26%，居民供暖每平方米减少能耗43%，居民照明减少能耗50%以上。

3.2.3 智能化

当前基于大数据、云计算、物联网、人工智能、移动终端、虚拟现实等先进信息技术的新型能源生产与消费模式逐步开始推广应用。在电力领域，数字化技术将发电、电网、储能和用户联系在一起，智能电厂、智能电网、智能供能、智慧城市、智慧能源管理等概念热议并开始项目实施。在油气领域，数字化、智能化、虚拟现实（VR）等新技术正在重塑油气行业，数字油田、智慧管网、智能炼厂、区块链交易、能源互联网正在成为能源行业转型发展的引擎。

4 结束语

从薪柴时代到煤炭时代再到石油时代以及未来的低碳时代，能源转型是一个长期缓慢、循序渐进的复杂过程，与工业革命相生相伴。资源储量丰富且价格低廉是能源转型发生的基础条件，低碳与高能量密度能源是发展总体趋势。对于我们正在经历的第三次能源转型，技术进步是根本驱动力，而政策引导是关键驱动力，未来发展方向将是能源供应的清洁化与能源消费的高效与智能化。