全球能源脱碳目标下美国能源转型的新特征

边卫红

2050年全球能源零碳路线图景及美国的角色

全球能源历经三次转型 目前处于可再生能源转型时期

人类社会共经历三次能源转型，现在正处于第三次能源转型时期。从木材到煤炭，从煤炭到石油，从石油到可再生能源，勾勒出全球主要能源需求的演变路径。第一次能源转型开始于18世纪60年代，主要标志是瓦特发明了蒸汽机，随后能量密度更高的煤炭在一次能源占比中逐渐超越木材。第二次能源转型始于19世纪下半叶，19世纪80年代左右内燃机被发明，人类对石油和天然气的需求逐渐增加;钻井、炼油技术的进步，推动了石油和天然气的大规模生产。第三次能源转型发生于当下，随着化石能源需求峰值的来临和生态保护的要求，对可再生能源的需求增加，未来有望成为主要能源。

净零承诺国家在全球二氧化碳排放占比73% 减碳任务艰巨

在第三次能源转型进程中，已有44个国家承诺将实现零碳排放目标，共占全球二氧化碳排放量的73%左右。其中，10个国家已实现零碳目标立法;8个国家处于立法审议中;26个国家发布相关政策文件。欧盟和美国承诺将于2050年实现净零排放，中国承诺在2060年实现净零排放，印度预计于2070年实现净零排放。但是，减碳任务仍面临诸多挑战，一方面，减碳目标与经济增长、结构调整、产业升级之间需要协同推动;另一方面，当前部分国家和地区仅停留在时间表的层面，尚未明确减碳具体路径与推进安排，相关基础设施建设依然匮乏。

国际能源署（IEA）预计，2023年全球将实现碳达峰。从减碳量来看，假设所有国家净零排放承诺都能按时实现，到2023年碳排放量将达到36吉吨（Gt）（1吉吨相当于10亿吨）的峰值。203 0年，全球二氧化碳排放量将下降至30Gt，2050年下降至22Gt。如果排放量在2050年后继续保持下降趋势，且非能源相关碳排放量的变化水平相似，2100年全球平均地表温度将上升2.1摄氏度左右。从国别来看，减排的主要国家为中国、美国、欧盟等国家和地区。

美国是世界第二大碳排放国 但疫情冲击下排放量不降反增

2000年以来，美国二氧化碳排放量大体稳定，呈现逐年下降的态势。2006年，美国从世界第一大碳排放国变为世界第二大碳排放国，2007年美国已阶段性碳达峰。美国2019年碳排放量為5.246吉吨二氧化碳当量，约占全球总排放量的15.33%。目前，美国能源结构呈现出石油和天然气占主导、清洁能源迅速发展的局面，电力部门要在2035年实现全面脱碳，工业、交通部门也面临较大减碳压力。

然而，2021年煤炭等传统化石能源再受追捧，美国碳排放量大幅反弹，使其暂时偏离气候目标的轨迹。与2020年相比，运输和电力行业的排放量增幅最大，分别为10%和6.6%，工业部门反弹约3.6%，而住宅部门仅增长1.9%。随着疫情缓解，交通部门排放量大增，反映了美国对货运的需求高涨和客运复苏。电力行业煤炭发电量激增是美国温室气体反弹的重要原因之一，2021年同比增长约17%，为2014年以来煤炭发电量首个年度正增长。

美国能源转型的结构特点与国际比较

化石燃料一直主导着美国的能源结构，但也面临结构性调整和趋势性变化。天然气的低污染属性使其近年来供给大幅增加;美国原油产量2008年以来稳步攀升;污染较高的煤炭产量总体趋降。

化石能源占主导，但内部结构有所调整

第一，天然气产量创新高，美国连续四年成为天然气净出口国。2019年美国天然气达到创纪录产量后，在2020年实现33.5万亿立方英尺的产量;消费量在2019年创下历史新高后，2020年小幅下降至30.5万亿立方英尺。在天然气消费方面，电力部门对天然气的消费逆势上升，同比增长2.6%。在进出口方面，美国连续四年成为天然气净出口国，2020年向38个国家出口天然气。2020年天然气出口总量为5.28万亿立方英尺，进口总量为2.55万亿立方英尺，净出口2.73万亿立方英尺。

第二，2021年石油价格攀升，助推石油产量回升至接近疫情前水平。2021年美国石油日均产量约为18606万桶，较2020年的17489万桶同比上升6.4%左右，产量已经恢复近疫情前高位水平。虽然2020年新冠肺炎疫情导致石油行业遭受重创，但是疫情后消费回升以及天然气供应短缺刺激了对石油的需求，石油价格不断攀升，推动美国产油区页岩油钻探与开采活动，投资回暖将拉动未来石油产量维持在高位。

第三，煤炭产量峰值过后有所回落，电力是煤炭最大的消费部门。美国的煤炭产量在1998年达到峰值，对煤炭需求的减少以及电力部门使用低热量煤炭份额的增加，煤炭产量逐年下降。2020年煤炭产量占一次能源供给约11.2%。

其中，烟煤和次烟煤产量占比超过90%，分别为45.9%和44.4%。煤炭消费量同比下降18.9%。电力部门是煤炭最大的消费部门，占煤炭消费总量的91.4%。但是在疫情期间的能源短缺困境背景下，2021年美国煤炭产量逆势上升，同比增长8%。

可再生能源占比超过煤炭，成为美国第三大能源

美国可再生能源的占比约为12%，于2019年超过煤炭，成为美国第三大能源。增长最快的为风能和太阳能，但目前占一次能源的比例分别仅为3.11%和1.28%。水能的供给较为稳定，约占一次能源的2.69%。生物质能包括废物再利用、木材生物燃料等形式，共占一次能源的4.69%。

第一，风能在可再生能源中占比较高，海上风电发展潜力较大。风能是美国主要的可再生能源之一，占可再生能源的26%左右。风电主要分为陆上风能和海上风能。美国陆上风力资源的潜在容量11000吉瓦（GW）（1吉瓦=10亿瓦），而现有装机容量为117.7GW。海上风力资源的潜在容量为4200GW，而现有装机容量为42兆瓦（MW）（1兆瓦=1百万瓦）。风能的快速发展与政策支持密切相关。一方面，美国政府为风电行业提供投资税收抵免和生产税收抵免政策。另一方面，美国政府将提供1350万美元以支持美国在2030年之前实现30GW海上风能装机容量。

第二，太阳能新增装机容量创新高，价格因素带动太阳能需求增长。近年来，太阳能光伏系统价格下跌，平均成本从2010年的5.79美元下降到2020年的1.25美元，促进对太阳能需求的增加。美国太阳能光伏装机容量于2020年创下历史新高，超过19.2GW，总装机容量超过97GW。2020年，太阳能占新增发电量的43%。美国能源部的SunShot计划旨在到2030年将太阳能价格降低50%。预计2050年太阳能将满足美国电力需求的33%，并使电力部门的温室气体排放量减少18%。

第三，水能发电量供给份额下降，受自然环境因素影响呈波动态势。水能主要用于发电。美国水电的发电量在1997年达到阶段性高点，为3560亿千瓦时，2020年为2910亿千瓦时[1千瓦时（kW·h）=3.6×106焦耳（J）]。从发电占比来看，水力发电在美国总发电量中的份额逐年下降，当前约占发电总量的7%。从表现特征而言，水能的发电能力虽然长期保持稳定，但在短期受自然环境、水文状态的影响较为明显。

电力部门以及工业、运输、住宅和商业四个终端为传统能源消耗部门

美国能源需求部门包括电力部门以及工业、运输、住宅和商业四个终端能源消耗部门。长期以来，工业部门一直是美国最大的能源使用部门，目前约占能源使用量的33%。其次是运输、住宅和商业部门。不同部门能源消费结构差异较大，石油约占90%的交通部门能源消费。

第一，电力部门天然气消耗逐年上升，煤炭用量总体呈现下降趋势。电力部门主要的能源消费为天然气。电力部门是介于一次能源和终端能源的中间能源部门，天然气是美国电力部门第一大能源来源，提供约40%的发电量;核能提供了美国约20%的电力;由于煤炭污染较大，发电占比总体逐年降低，煤炭约占电力能源消费的19%;而石油占比不到1%。可再生能源占美国总发电量的20%，其中，风力发电增长迅猛。

第二，交通部门主要以消耗石油为主。交通部门占美国能源总消耗量的26%，其中，石油产品约占美国交通部门能源使用总量的90%;生物燃料约占5%，包括乙醇和基于生物质的柴油和馏分油;天然气约占3%;电力占比不到1%，主要是用于公共交通系统中。

第三，工业部门消耗天然气和石油占比较高。工业部门占美国终端能源消耗总量的36%。工业部门使用了多種能源，包括天然气、石油、电力、可再生能源和煤炭。天然气和石油分别提供了41%和33%的能源消耗，是工业部门最大的能源提供者;与此同时，工业部门还直接从电力部门购买电力，占能源使用的12%。分具体行业看，制造业占工业能源消耗的最大份额（77%），其次是采矿（12%）、建筑（7%）和农业（5%）。

国际比较而言，美国单位GDP能耗总体保持低位，但与欧洲整体水平差距较大

世界主要国家化石能源占比逐年下降，可再生能源占比逐年上升，全球能源转型正逢其时。美国能源需求大，且国内油气资源丰富，化石能源占比下降缓慢，从2000年的87.9%下降至83.3%。欧洲的能源转型较为成功，近年来化石能源占比下降明显，约占74%，与其他国家相比，占比较低。新兴经济体近年来化石能源占比也处于下降的态势。例如，中国化石能源占比近年来下降迅速，印度、俄罗斯等国家的占比也呈下降之势。

就美国单位GDP能耗而言，逐步降至约1.22千瓦时/美元，能源利用效率较高，转型成效逐步显现。英国、日本的单位GDP能耗分别为0.76千瓦时/美元和1.01千瓦时/美元。对于新兴经济体而言，中国的单位GDP能耗在20世纪90年代之前保持在相对高位，此后逐年降低。2019年中国单位GDP能耗为2.76千瓦时/美元，与发达国家相比仍存在降低的空间。俄罗斯自1999年以来单位GDP能耗也逐年下降。

美国能源转型中的挑战——不可能三角：能源安全、经济目标和环境保护

美国的能源政策主要有三大目标：一是保证能源供给安全，二是保证相对较低的能源价格以满足经济所需，三是兼顾环境保护。然而，这三个能源目标实则构成了当前能源行业的“不可能三角”，即能源独立、能源价格低廉稳定和兼顾环境保护这三个目标不可能同时实现。

第一，美国成为能源净出口国，但能源供给安全是建立在化石能源基础之上。能源安全是美国能源政策的核心目标。美国一直致力于减少对中东石油的依赖以及建立美国战略石油储备。2019年美国成为能源净出口国，实现能源独立，主要与原油和天然气的进口依赖大幅下降有关。

原油方面：近年来美国原油净进口量大幅下降，处于1985年以来的最低水平。但是，目前原油仍是美国能源进口的重要种类。石油产品方面：一些进口原油被精炼成石油产品并出口，从2011年开始美国成为石油产品的净出口国。天然气方面：自2007年以来，美国天然气出口总额逐年增加，并在2017年成为天然气净出口国。煤炭方面：美国一直是煤炭净出口国。可见，美国能源安全的重中之重仍是传统能源的安全，当出现因极端情况造成的能源供给问题时，清洁能源的供给能力依然受限。

第二，欧佩克仍主导原油定价权，美国难以实现能源价格长期稳定且低廉的目标。一是原油价格在疫情期间遭受重挫并在后疫情时代维持高位震荡。经济目标是美国能源政策的主要考量因素，其致力于维持油价的稳定以保证经济的平稳发展，这一目标与能源独立目标相辅相成。随着美国页岩油的开发，美国原油供给快速上升，原油供给的独立性大大增强，成为世界主要的产油国之一。但是，近年来原油价格波动加剧，用油成本也在相对高位震荡。一方面，原油的定价权仍掌握在“欧佩克+”手中。另一方面，疫情反复加剧了经济的不稳定因素，叠加全球流动性宽裕背景下金融投机因素影响，原油价格的动荡加剧。二是天然气价格终结10年来的低位运行，呈现大幅飙升之势。2009—2020年，美国天然气的成本相对较低且较为稳定。然而，2021年以来，美国中部寒潮天气的出现助推天然气价格走高。2021年2月，美国城市天然气价格达到12.45美元/千立方英尺，创下历史新高。与此同时，随着美国能源转型的加速，其他高污染传统能源的退出或加大对天然气等相对清洁能源的消费，进一步推动天然气价格的提升。

第三，能源环境目标重要性逐步提升，但可再生能源替代传统能源受到周期性因素困扰。近年来，美国能源环境目标的重要性逐渐提升。美国低碳能源发展最初目标是为了优化能源结构，保障能源安全，改变以传统燃料为导向、旨在保障供给的政策方向，强调提高能源效率、促进可再生能源发展和减少环境影响。通过减少温室气体排放来减缓全球变暖，最后过渡到清洁的能源经济。拜登政府表达了其应对气候变化和推广清洁能源的决心，并宣布重返《巴黎协定》。拜登政府主张在美国和世界范围内发展清洁能源产业以应对气候变化，其能源政策包含双重目标：应对气候变化、重建美国在应对气候变化和未来低碳经济关键领域的领导地位，使美国在2035年实现100%无碳发电，到2050年实现净零排放。

但是可再生能源替代传统能源受到周期性因素的困扰。

一是可再生能源供给存在周期性，不稳定特征明显。目前，美国的能源供给主要依赖传统能源，较为清洁的可再生能源虽增长迅速但占比仍然较小。若追求环境目标，则传统高污染能源退出造成的缺口容易导致能源供给不足，价格高企。更重要的是，可再生能源中主要能源，即风能、水能和光能都存在季节性波动，供给不稳定，容易引发能源供给短缺，甚至能源危机。若追求能源供给稳定且价格低廉，则不得不兼顾一部分传统能源的使用。

二是极端气候频发挑战可再生能源供给。近年来，全球各地相继出现极端气候状况，也对可再生能源的稳定供给提出挑战。2021年初寒潮席卷美国德州，风力涡轮机由于结冰停止运营，风力发电供给的稳定性与可靠性在面对极端天气情况时表现不佳，导致德州大范围轮流停电、电价飙升。虽然加州是能源转型的先锋，可再生能源使用量居美国之首，但加州也曾连续多次宣布进入三级紧急状态，40多万企业和家庭出现停电情况。面对极端天气引发的电力短缺和电价飙升等问题，若过快切换以可再生能源为主的能源供应，将带来诸多挑战。

总体而言，虽然美国已经实现能源独立，能源安全战略发展取得进展，但是以化石能源为主导的能源供给结构，与长期环境保护目标相悖。由于全球原油定价主导权仍在中东地区，再加上金融投机等因素影响，化石能源，尤其是原油、天然气价格巨幅动荡。美国保持长期能源价格稳定且低廉的目标难以实现，这无疑将通过诸多渠道抑制经济增长的步伐。为实现环境保护目标，可再生能源虽带着绿色光环，但是其发展之路并非坦途，波动性、间歇性、成本高等特点使其在遇到极端天气、能源危机时难以及时弥补缺口。此外，部分石油巨头仍在增加化石燃料勘探的面积，清洁能源研发投资额度占比较小，且缺乏透明度。高油价刺激下美国页岩油公司产量也在逐步恢复生产。可见，美国能源转型步伐出现倒退，环境保护目标向经济目标让步的效应显现，诸多政策和目标的落地仍面临较大挑战。

未来展望

展望未来，美国乃至全球能源转型是大势所趋，但也不是一路坦途。转型进程中需要平衡新能源与传统能源替代，需要平衡发达国家和发展中国家、工业国家和农业国家、气候脆弱国家和气候不敏感国家等。各国有着不同目标和发展优先级的诉求，全球气候治理框架需要重塑。

第一，可再生能源的技术突破将成为美国破解低碳转型“不可能三角”的关键。推动可再生能源的发展与使用，关键在于能够低成本、稳定地获得可再生能源。未来的电力系统需要大量运用可变和间歇性的可再生能源，以满足对发电和脱碳的需求。其间技术突破应该贯穿可再生能源的生产、储存和转换等全流程，降低可再生能源供给的不稳定性，降低能源成本。

促进可再生能源领域的投资与创新。在投资方面，拜登政府承诺投入大量资金发展清洁能源，其2022年预算将向能源效率和可再生能源部门投资数十亿美元，以支持各终端能源部门发展可再生能源并脱碳，包括储能技术、交通部门减排、农业部门减排、建筑部门减排、风能和太阳能发展等领域。与此同时还重点关注核能的利用，包括核设施、核反应堆发展以及核反应堆燃料循环技术等。此外，美国将进一步加大力度，限制石油和天然气的开采。为了实现电力部门2035年脱碳等政策目标，美国仍需要在后疫情时代逐步降低天然氣的使用。

第二，电力部门将率先脱碳，交通部门是减碳的难点与关键。能源独立背景下，能源转型目标重要性提升，低碳成为重要执政目标。为实现2035年无碳发电，2050年实现碳中和目标，美国从多部门、多维度提出减排量化目标，体现了未来一段时间美国能源结构转型的方向。其中，主要是电力部门和交通部门的脱碳。美国政府设定电力部门脱碳的目标，并投资650亿美元对电网进行现代化改造。但是交通部门大量使用石油作为燃料，脱碳任务较为艰巨。美国设定了在2030年清洁能源的车辆销售要占到一半以上的目标，并提出了更严格的轻型车辆燃油效率和排放标准，以促进交通部门的减碳进程。

第三，能源转型伴随碳价格上涨，或将构成通胀上行风险。碳定价是实现气候目标的有效手段。目前，只有21.5%的全球排放量被碳定价工具覆盖。而最近的一项调查显示，大多数气候学家认为到2050年碳的价格应该在每吨75美元以上才能实现净零排放。碳价格的显著上涨将抑制对化石能源的投资和需求，并刺激低碳技术的投资与创新，进而加速低碳转型。虽然这种价格变化对环境有益，但如果不能实现技术突破，研发出低碳且低廉的能源产品，高企的碳价格将会对经济造成一定压力，并形成能源价格抬升引发的高通胀预期。预计未来美国或将实施减税、退税或设置价格上限等手段来应对能源价格上涨保障能源需求，货币政策或将偏离“通盘考虑”的政策传统，需要对高通胀作做反应，以保持中期价格的稳定。

第四，未来须弥补《格拉斯哥气候公约》的实现目标控温1.5摄氏度的缺口。据能源转型委员会（ETC）的数据，《格拉斯哥气候公约》使得2030年全球温室气体排放量由此前预计的52.4Gt降至41.9Gt。但是，如果要实现控温1.5摄氏度的目标，2030年全球温室气体排放量需要降至26.6Gt，这意味着《格拉斯哥气候公约》距离控温1.5摄氏度目标仍有很大缺口。而气候行动追踪组织（CAT）的预测数据表示，根据各国发布的未来减排目标，全球温度的上升最终可能达到2.4摄氏度。如果要确保控温1.5摄氏度目标的实现，需要各国在完成已有减排承诺的基础上，承担额外的减排任务。控温缺口的弥补，美国既需要突破能源结构调整、新兴技术研发等发展瓶颈，实现国内绿色转型，也需要与其他国家合作，加速能源转型。

第五，关注能源体系革命引发的国际贸易、产业结构变革，新兴经济体应加强低碳能源转型合作。长期而言，未来美国以及国际能源结构的变革意味着全球能源体系的国际规则将发生重大变化，传统能源的清洁化及可再生能源的发展将成为各国竞争的核心。环境标准、生态效率越来越成为重要的国际竞争要素之一，低碳成为影响并决定国际生产与服务标准的核心指标。未来低碳能源为主的发展模式不仅给交通运输、基础设施等带来直接变化，产业发展的空间与碳密度高低的关联度增强，而且将为经济增长核心要素构成、国际贸易体系、全球气候治理规则带来深刻的调整。

新兴经济体应深刻认识到这场能源、经济贸易、地缘政治等领域的系统性变革，多措并举，推进低碳能源转型全方位合作。增进能源转型与气候变化领域的沟通，打造低碳能源转型领域的合作空间。深化能效合作，扩大低碳能源领域的投资，推动清洁能源设备发展，促进低碳产业转型升级。推动能源科技创新技术融合交流。发挥各自优势，加快突破能源领域的核心技术，在太阳能发电、风力发电、核电、储能、氢能等方面实现突破。