科技大国能源消费结构演变及影响因素研究

韩文艳，杨 娜，熊永兰

(1.中国科学院成都文献情报中心，四川成都 610299；2.北京师范大学环境学院，北京 100875)

1 研究背景

随着人类活动对全球气候的影响，气候危机日益加剧且影响范围越来越广，各国日益意识到加快能源转型对于应对环境问题、增强国际竞争力具有重要意义。因此，探究世界大国能源消费结构及影响因素对于推进能源转型具有重要意义，日益得到政府、社会和学者的关注。本研究探究全球五大典型科技强国与中国能源消费结构演变态势及影响因素，对于“双碳”约束下推进中国能源转型、实现节能降碳具有一定参考。

关于能源消费结构及影响因素的研究主要包括：一是不同空间尺度和视角下的能源消费结构及影响因素分析，如周彦楠等[1]用K-means聚类法和STIRPAT模型探究了中国省级层面四大类能源的消费比重、时空分异、演化及其影响因素；王风云等[2]构建随机效应变系数面板数据模型对京津冀终端能源消费结构变动及其影响因素进行了研究；柳亚琴等[3]分析了节能减排约束下中国能源消费结构演变并预测了2020年中国能源消费结构的变化趋势；董梅等[4]基于农户调查数据比较分析了陕西不同地区农村家庭能源消费水平和消费结构及影响因素；马海良等[5]基于完全分解模型探究我国能源消费结构变化及驱动效应；王成军等[6]运用冗余分析法和排序图技术对陕西省能源消费结构和影响因素进行分析等。二是能源消费结构与环境、经济增长、产业结构等之间的相互作用研究，如周四军等[7]用面板分位回归研究了能源消费结构对能源效率的影响；张雪峰等[8]探究了城市低碳交通体系对能源消费结构的影响；周庆元等[9]运用灰色关联理论与Granger因果理论对能源消费结构演进与产业结构调整进行实证分析；车童童等[10]基于Kaya恒等式对能源消费结构与雾霾污染的作用机制和路径进行理论推导与阐述；万媛媛等[11]运用脉冲响应函数和方差分解方法研究绿色发展水平对广东省能源消费结构的动态影响；汪小英等[12]研究了中国产业结构和能源消费结构协同的测度问题。此外，梁玲等[13]分析了近10年全球及中国能源消费结构变化,刘传哲等[14]分析了绿色信贷对能源消费结构的影响机理，王勇等[15]基于能源结构优化视角对中国实现碳强度和碳峰值双控目标的可行性及最优路径进行分析。

目前关于能源消费结构及影响因素研究主要集中在国家、省域、城市群、城市尺度，视角聚焦总体能源消费、行业能源消费及城乡生活能源消费，而国际层面的能源消费结构演变比较研究较少，尤其是科技大国间。因此，本文以美国、英国、法国、德国、日本5个典型发达国家（科技大国）以及中国作为研究对象，探讨各国能源消费结构及演变态势，并分析比较主要科技大国能源消费结构及影响因素。通过比较研究，以期得到全球能源消费结构演变特征及其影响因素，为中国实现“双碳”目标、应对气候危机、保障能源安全、增强国际竞争力提供参考。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

（1）灰色关联模型。灰色关联分析是根据数列的可比性分析系统内部因素间的相关程度，是对各因素之间状态的量化比较[16]。根据邓聚龙[17]、贺祥等[18]、刘宏等[19]的研究，首先确定特征序列和因素序列，无量纲化数据。本研究的参照特征序列为传统化石能源（以下简称“化石能源”）消费占比，被比较的因素序列为相关影响因子。其次求关联系数和关联度，考虑到不同数据处理方法对灰色关联度计算结果和最终分析的影响[20]，本文采用初值化对数据进行标准化处理。

2.2 数据来源

本文以1990—2020年典型的科技强国美、英、德、法、日，以及世界上最大的发展中国家中国为研究对象，对这6个主要科技大国进行研究，能够较好地反映全球科技大国能源消费结构演变特征及影响因素，进而得到相关经验启示。近30年的研究周期有利于从较长时间尺度探析能源消费结构演变趋势，并且较准确有效地了解能源消费结构的影响因素。煤炭消费、石油消费、天然气消费、核能消费、可再生能源消费及化石能源消费的数据由英国石油公司（BP）发布的《世界能源统计年鉴》整理而来，各种能源按标准煤折算，进而得到单位为标准煤当量的主要能源消费量；GDP、人口总数、城镇人口占比、人均GDP、进出口总额占GDP比重、工业增加值占GDP比重皆来源于世界银行，其中GDP统一为2010年不变价美元。

3 科技强国能源消费结构及其影响因素

3.1 能源消费结构演变特征

从近30年能源消费结构及其占比来看，科技大国能源消费结构演变特征存在差异性，各类能源的消费态势也不尽相同。由图1（a）和图2（a）可知，美国作为全球最大的能源消费国之一，能源消费结构以石油为主，消费量波动较小，年均占比约为40%，主要在于美国石油资源丰富，是全球最大的石油生产国。天然气为美国第二大消费能源，年均占比约为25%，天然气消费总体呈上升趋势，2020年已趋近石油。煤炭为美国第三大消费能源，年均占比约为21%，煤炭消费呈先上升后下降趋势，尤其是近10年。美国核能消费较为稳定，年均占比约为8%。美国可再生能源消费总体呈上升趋势，年均占比约为5%，消费量由1990年的1.23亿t（按标准煤）上升至2020年的2.98亿t（按标准煤），占比由1990年的4.43%上升至2020年的9.93%，其消费量2017年后超过核能，2020年趋近于煤炭，这与公众及国家越来越重视环保，太阳能、风能等可再生能源成本不断下降促使市场竞争力不断提高密切相关。美国能源消费结构以石油为首的化石能源为主、以可再生能源为辅，但呈现去煤炭、促清洁化的发展态势，总体结构由“石油-天然气-煤炭-核能-可再生能源”演变为“石油-天然气-煤炭-可再生能源-核能”。

图1 1990—2020年世界主要科技强国与中国主要能源消费量

图2 1990—2020年世界主要科技强国与中国主要能源消费占比

英国能源消费结构以石油和天然气为主，如图1（b）和图2（b）所示，其中石油年均占比约为38%，消费量总体呈波动下降趋势。天然气为英国第二大消费能源，年均占比约为34%，天然气消费总体呈先上升后下降的趋势，其消费量1993年后超过了煤炭，1999—2004年、2008—2010年、2020年超过了石油。煤炭消费量总体呈下降趋势，尤其是近10年，年均占比约为16%，2016年以来其消费量远低于其他类别。核能消费波动较小，年均占比约为8%。英国可再生能源消费总体呈上升趋势，年均占比约为4%，消费量由1990年的0.02 亿t（按标准煤）上升至2020年的0.43亿t（按标准煤），占比由1990年的0.63%上升至2020年的18.26%，其消费量2014年后超过核能、2016年后超过煤炭，这与英国较早完成资本积累且意识到气候危机后，积极制定相关低碳发展政策相关。英国能源消费结构以石油与天然气为主的化石能源为主、以可再生能源为辅，但呈现去碳化、可再生能源迅速发展的态势，总体结构由“石油-煤炭-天然气-核能-可再生能源”演变为“天然气-石油-可再生能源-核能-煤炭”。

法国能源消费结构以核能和石油为主，如图1（c）和图2（c）所示。其中核能年均占比约为37%，消费量总体呈先上升后下降趋势；石油消费量总体呈波动下降趋势，年均占比约为36%。天然气为法国第三大消费能源，年均占比约为14%，天然气消费总体呈缓慢上升趋势。可再生能源呈波动上升趋势，年均占比约为8%，消费量由1990年的0.19亿t（按标准煤）上升至2020年的0.42亿t（按标准煤），占比由1990年的5.89%上升至2020年的14.09%，消费量已趋近于天然气。煤炭消费量呈下降趋势，年均占比约为5%。法国一次能源匮乏，主要依靠本土核能和国外进口的化石能源，因此其能源消费结构以核能为首的清洁能源为主、以化石能源为辅，呈现化石能源逐步减少、可再生能源逐步增加的发展态势，总体结构由“石油-核能-天然气-煤炭-可再生能源”演变为“核能-石油-天然气-可再生能源-煤炭”。

德国作为老牌工业强国，能源消费结构以石油为主，如图1（d）和图2（d）所示，年均占比约为38%，消费量总体呈下降趋势。煤炭为德国第二大消费能源，年均占比约为25%，消费量总体呈波动下降趋势，尤其是近5年。天然气为德国第三大消费能源，年均占比约为21%，消费量总体呈缓慢波动上升趋势，其消费量2017年后超过煤炭。核能消费量总体呈下降趋势，其中1990—2010年较为稳定、2011年后呈显著下降趋势，年均占比约为9%。可再生能源消费呈逐年上升趋势，尤其是近10年，年均占比约为7%，消费量由1990年的0.06亿t（按标准煤）上升至2020年的0.81亿t（按标准煤），占比由1990年的1.25%上升至2020年的19.58%，可再生能源增长势头迅猛，消费量先后超过核能、煤炭，趋近于天然气，这与德国实施的能源转型与气候减排相关政策相关。德国能源消费结构以石油为首的化石能源为主、以可再生能源为辅，呈现淘汰煤炭与核能、保留天然气在内的清洁能源、大力发展可再生能源的态势，总体结构由“石油-煤炭-天然气-核能-可再生能源”演变为“石油-天然气-可再生能源-煤炭-核能”。

由图1（e）和图2（e）可知，日本能源消费结构以石油消费为主，年均占比约为48%，消费量呈先上升后下降的趋势。煤炭为日本第二大消费能源，年均占比约为21%，消费量呈缓慢波动上升趋势，但近10年增长态势放缓甚至有所下降。天然气为日本第三大消费能源，年均占比约为16%，消费量总体呈上升趋势，其消费量2003年后超过核能。核能呈先上升后波动下降的趋势，年均占比约为9%，日本是重要的核电大国，但2011年大地震和海啸引发辐射泄漏事故对其发展产生了重要影响。可再生能源消费呈缓慢上升趋势，年均占比约为6%，消费量由1990年的0.34亿t（按标准煤）上升至2020年的0.62亿t（按标准煤），占比由1990年的5.26%上升至10.69%，其消费量2012年后超过核能。日本能源消费结构以石油为首的化石能源为主、可再生能源为辅，呈现减石油与核电、天然气与煤炭缓慢增长、可再生能源较快增长的发展态势，总体结构由“石油-煤炭-核能-天然气-可再生能源”演变为“石油-煤炭-天然气-可再生能源-核能”。

中国能源消费结构以煤炭为主，如图1（f）和图2（f）所示，年均占比约为70%，消费量远高于其余类型能源并且总体呈上升趋势，其中2000—2014年呈快速上升状态、2015后增速放缓。石油为中国第二大消费能源，年均占比约为19%，消费量呈逐年上升趋势。可再生能源消费呈逐年上升趋势，年均占比约为7%，消费量由1990年的0.43亿t（按标准煤）上升至2020年的6.67亿t（按标准煤），占比由1990年的4.42%上升至2020年的13.43%，可再生能源开发利用规模稳居世界第一，尤其是太阳能光伏发电，主要在于中国先后制订了一系列发展的战略规划、改革方案和产业政策，全面推进能源绿色低碳发展与能源转型变革。天然气消费呈上升态势，年均占比约为3%。中国核能消费量较小但呈缓慢上升趋势，年均占比仅为1%。相较而言，中国仍为世界上最大的发展中国家，经济发展及人口规模的增长对能源消费需求较大，使得能源消费量总体呈上升趋势且高于其余国家。受能源资源禀赋限制，中国能源消费结构以煤炭为首的化石能源为主、以可再生能源为辅，但在气候危机和“双碳”约束背景下，中国能源消费结构向清洁低碳快速转变，近年来煤炭、石油消费增速放缓，尤其是煤炭消费占比近10年呈显著下降态势，而可再生能源则呈现较快的增长。总体结构长期保持为“煤炭-石油-可再生能源-天然气-核能”。

3.2 能源消费结构影响因素

3.2.1 关联度分析

由表1可见，选取的影响因子与科技大国化石能源消费总体保持高度关联，与化石能源消费占比的关联度为X4＞X2＞X6＞X1＞X5＞X3，而各国化石能源消费的关联特征存在异质性。人口规模的增长及人口在城镇的大量集聚将会加大化石能源消费，同时也会产生一定的规模效应。技术进步能够提高能源利用效率和节能降耗的水平，同时加大新能源的开发利用，进而影响能源消费结构，而经济发展对能源依赖度也会影响能源消费结构。人均财富的提高，一方面促进居民消费偏好和需求结构变化会倒逼产业结构优化，进而对能源消费结构产生影响；另一方面社会经济发展水平就越高，将有更多资金投入到能源开发利用领域的科技创新，将会促进能源消费结构的演变。产业结构对能源消费有较大影响，主要在于工业的发展相较服务业对于能源消费依赖大，尤其是化石能源，因此产业结构的演变将在一定程度上引起能源消费结构的变化。对外经济贸易中产品的制造与进出口“隐含”了大量能源消费，进而对能源消费结构产生影响。

表1 化石能源消费影响因素关联度

表1（续）

相较科技强国，中国相关因子与化石能源消费关联度大，尤其是产业结构、能源消费强度、人口规模。说明中国优化能源结构、推进清洁能源转型还面临较大挑战，主要在于中国目前仍是最大的发展中国家，能源禀赋受限，经济发展水平不高，科技创新水平待提升，经济发展对能源依赖度高，加上产业结构不优，较高的工业占比、庞大的人口基数及落后的生产技术与工艺等都将带来更多化石能源消费。人均GDP与化石能源消费关联度相对较小，主要在于目前经济社会发展水平还较低，人均财富远不及科技强国，对能源消费结构影响较小。中国对外经济贸易与化石能源消费关联度远大于科技强国，主要在于外向型经济发展中，中国主要出口高能耗、劳动密集型、低附加值的产品，进口高技术附加值的产品，进而产生较大能源消耗，影响能源消费结构。

3.2.2 影响因素分析

首先对数据平稳性进行检验，以避免伪回归。表2综合使用LLC、IPS、ADF、PP检验方法对面板数据进行单位根检验[1]，直至检验结论一致时，认为数据平稳。其中城镇人口占比二阶差分平稳，其余变量皆通过一阶差分平稳。然后通过Pedroni检验对变量进行数据协整检验，ADF统计值=-6.123，P＜0.001，拒绝“数据无协整”假设。综上，各变量之间存在协整关系，可以纳入模型分析。其次对模型类型进行判别，以建立面板模型。由于截面数小于个体数，无法做随机效应模型。运用F统计量检验是应该建立混合回归模型，还是个体固定效应回归模型。假设真实模型为混合回归模型，经检验F=[(3.808-0.176)/(6-1)]/[0.176/(186-6-1)]=740.732＞F(5,179)=2.265，所以推翻原假设，建立个体固定效应回归模型更合理。

表2 模型的面板计量结果

由回归结果可知，能源消费强度（X1）、人均GDP（X3）、城镇人口占比（X4）、进出口额占GDP比（X5）对化石能源消费结构具有显著影响。其中正向影响因素由大到小依次为城镇人口占比＞能源消费强度＞工业增加值占比＞进出口额占GDP比，抑制影响因素由大到依次为人均GDP＞人口规模。具体来看，能源消费强度对化石能源消费占比具有显著正向影响（P＜0.01），能源消费强度越高越有利于促进化石能源在终端消费的比例，其每增加1%，化石能源消费占比将显著提升0.096%。说明经济发展对能源消费的依赖程度越高，则化石能源终端消费占比越高；同时随着技术的进步，能源利用效率提高、节能降耗水平提高，则有利于降低化石能源的终端消费占比。

人均GDP对化石能源消费占比具有显著负向影响（P＜0.01），居民财富的增长将有利于降低化石能源消费占比，其每增加1%，化石能源消费占比将降低0.137%。说明社会经济发展水平的提高，一方面将有更多的资金投入到科技创新，科技进步可以促进可再生能源的开发利用与化石能源利用效率的提高，另一方面将提高人类的需求层次，不再局限于生理需要，将意识到化石能源资源的消耗导致了严重的生态环境问题，威胁到人类社会的可持续发展。因此经济社会发展水平的提高，将倒逼能源消费结构优化升级，降低化石能源消费占比。

城镇人口占比对化石能源占比具有显著正向影响（P＜0.01），人口城镇化水平的提高将有利于促进化石能源消费占比，其每增加1%，化石能源消费占比将提升0.411%。说明随着城镇化水平的提高，人口向城镇集聚，居住、交通等产生较大能源消耗，同时城镇化建设会带来钢铁水泥等高耗能产品大量使用，拉动化石能源需求。因此，在新型城镇化进程中，新增能源消费应尽量减少化石能源，提高可再生能源的份额。

进出口额占GDP比对化石能源消费占比具有显著正向影响（P＜0.05），对外贸易水平的提高将有利于促进化石能源消费占比，其每增加1%，化石能源消费占比将提升0.033%。说明伴随经济的全球化，外向型经济加快发展，其中发达国家出口高技术、高附加值产品，进口高能耗、高成本产品，欠发达国家则相反，进出口贸易产品中负载了较多的能源消费，促使各国对外贸易增长中的“内涵能源”消费总体上也随之增长。

人口规模对化石能源消费占比具有负向影响，其每增加1%，化石能源消费占比将降低0.135%。工业增加值占GDP比对化石能源消费占比具有正向影响，其每增加1%，化石能源消费占比将提升0.038%。但两者对化石能源消费结构占比的影响不显著，无统计学意义。

4 结论及启示

4.1 结论

（1）科技大国能源消费结构演变总体呈现去碳化、清洁化、安全化特征，表现为能源消费中石油及煤炭降低、天然气缓慢增长、核能波动下降、可再生能源较快增长的发展态势，但各国之间仍然存在差异性。具体来看，能源消费结构中美国、德国、日本以石油为首的化石能源为主，英国以石油与天然气为首的化石能源为主，法国以核能为首的清洁能源为主，同时皆以可再生能源为辅，呈现逐步淘汰煤炭与核能、保留天然气在内的清洁能源、大力发展可再生能源的态势。与科技强国相比，中国经济发展对能源依赖度高，使得中国能源消费量总体呈上升趋势，消费量高于其余国家。受能源资源禀赋限制，中国能源消费结构以煤炭为首的化石能源为主、以清洁能源为辅，总体结构长期保持为“煤炭-石油-可再生能源-天然气-核能”，但在气候危机和“双碳”约束背景下，中国能源消费结构向清洁低碳快速转变，尤其是煤炭消费占比近10年呈显著下降态势，而可再生能源则呈现较快的增长。

（2）城镇化、人口规模、产业结构、技术进步、对外经济贸易、人均GDP与各国化石消费占比关联度大，但各国化石能源消费占比的关联度最大因子不尽相同，美国、英国为城镇化，法国为技术进步，德国、日本为人口规模，中国为产业结构。相较科技强国，中国产业结构、技术进步、人口规模、对外经济贸易与化石能源消费占比关联度较大，而人均GDP的关联度较小。

（3）能源消费强度、人均GDP、城镇人口占比、进出口额占GDP比对化石能源消费结构具有显著影响。其中正向影响因素由大到小依次为城镇人口占比＞能源消费强度＞工业增加值占比＞进出口额占GDP比，抑制影响因素由大到依次为人均GDP＞人口规模，而人口规模、工业增加值占GDP比对化石能源消费占比的影响不显著，可见化石能源消费占比受多种因素影响，其中城镇化、经济发展对其显著影响最大。

4.2 启示

一是推进能源转型，促进可再生能源发展。在全球气候危机、“双碳”约束背景下，创新推动能源低碳转型，促进化石能源与可再生能源协同发展。鉴于中国的能源资源禀赋及目前的能源消费结构，未来一段时期化石能源在其能源消费结构中还将占据较大比重，而可再生能源的开发利用是能源转型重要抓手，因此能源消费中需推进二者的协同。强化顶层设计，出台相关的制度体系，制定国家层面能源转型的战略及路线图，包括逐步降低不同领域化石能源消费比重，开发利用稳定、可靠的可再生能源并增加其在各个领域的应用。

二是优化产业结构，发展绿色低碳经济。产业结构与消费结构相互作用，进而对能源消费乃至结构产生影响，目前中国产业结构优化水平远不及科技强国，第二产业的比重较高，未来还需大力发展低碳经济，推动产业结构向合理化、高级化、绿色化发展。推动制造业高质量发展，抓住人工智能等高端制造核心竞争领域，由制造大国向制造强国转变，抢占国际竞争制高点，并带动产业结构的优化调整。大力发展科学技术，以带动高技术、高附加值产业的发展，优化产业链条，推动产业结构向高级化方向转变。坚持节能减排，淘汰或用新技术改造高耗能产业，降级经济发展的能源消耗量，提高产业结构绿色化水平。

三是推进新型城镇化建设，加强能源集约利用。将城镇能源集约利用问题纳入新型城镇化建设的战略中，构建符合节能降耗战略导向的新型城镇化建设模式。一方面在新型城镇化的推进中，管网布局等基础设施建设应统筹谋划、考虑能源资源的集约利用，同时通过宣传、科普等方式提高城镇居民的能源节约利用意识。另一方面在新型城镇化建设中开发利用清洁能源，在大中城市推广天然气等清洁能源替代煤炭供热，支持有资源禀赋条件的地方采用新能源集中供暖，在小城镇推广太阳能和大中型沼气解决日常用能问题。

四是强化科技创新，技术支撑能源转型。构建从研发投入到转化应用完善的能源转型创新体系，支撑国家能源安全、应对气候危机。在投入方面针对节能降耗、绿色低碳技术重点领域建立稳定的政府支持机制，同时强化企业、社会资本参与基础与应用研究的政策机制，加大对节能环保汽车、可再生能源、循环经济、储能等重大技术的研发示范。在转化应用方面，发挥政府与市场作用，畅通转化渠道，并且在政府采购中重视对有利于节能降耗、绿色低碳的技术、装备、产品的大力支持。值得注意的是，中国目前仍以煤炭为首化石能源消费为主，因此科技创新不仅要驱动清洁能源的开发利用，关键还要改善或解决化石能源利用过程的利用效率、减排问题，发展碳捕捉与封存的技术。