能源转型在应对气候变化中的作用分析与预测

赵怀天，刘志鹏，李永锋

（台州学院电子与信息工程学院，浙江 台州 318000）

0 引言

持续上升的全球气温令人担忧，空气质量的恶化影响着各个国家的发展，不断上升的海平面威胁着部分国家的生存，这些情况警示了能源转型和改善气候的紧迫性，逐步淘汰传统能源产业，鼓励、支持、大力发展新能源产业已经成为各国默契的发展路线。在全球能源转型中，中国扮演着至关重要的角色，中国政府积极推动能源转型和可持续发展，采取了一系列政策措施，以实现能源的低碳、清洁、高效和可再生。此外，中国在新能源技术研究和应用方面也取得了巨大进展，为全球能源转型提供了有力的帮助。

21 世纪以来，以风能和太阳能为代表的新能源产业异军突起，它们在改善气候变化、促进节能减排过程中发挥着越来越重要的作用。本文重点分析了21 世纪可再生能源对气候变化的影响，以及中国的能源转型情况和可再生能源与PM2.5浓度的关系，并对中国的CO2排放量增长率及相关能源占比进行了预测，以此唤醒人们的环境意识，共建美丽家园。

1 数据来源与研究思路

1.1 数据来源

以和鲸ModelWhale 数据云端协作工具［1］作为数据建模和数据分析平台，利用2023 年中国计算机设计大赛大数据主题赛中的数据集，搜集“用数据看世界（Our World in Data）”平台数据［2］、世界银行开放数据［3］、BP（英国石油公司，British Petroleum）世界能源统计年鉴数据［4］和国务院新闻办公室发布的数据［5］为研究对象，共计6 852 条。将这些数据进行清洗和处理后最终得到3 496 条数据，这些数据为后续的数据挖掘与可视化分析提供了数据支持。

1.2 研究思路

本文的研究思路如图1 所示。首先，选取世界气候变化情况和中国能源转型与发展情况作为研究对象；接着，使用和鲸ModelWhale 数据云端协作工具对BP 世界能源统计年鉴等数据库网站提供的数据集进行分析，同时使用Z-Score 标准化方法和线性回归（Linear Regression）模型进行数据清洗和拟合；然后探索可再生能源类型与CO2排放量增长率和PM2.5浓度之间的相关性，评估它们在CO2排放量增长率数据集上的精确度，并选择最优模型对水力发电、风力发电及太阳能发电的占比进行预测；最后，对世界气候变化及中国能源转型情况进行总结，并从世界、国家、社会和个人4 个维度提出可行性建议。

图1 研究思路

2 全球能源类型发电量占比情况

首先，通过计算得到了2000 年和2020 年全球各类能源发电量占比情况，如表1 所示。

表1 2000 年和2020 年全球各类能源发电量占比变化情况

由表1 可知，2020 年各类能源发电量占比由大到小依次是：化石燃料，水力发电（抽水蓄能除外），核能，风能，太阳能，生物质能，其他不可再生能源，抽水蓄能，地热能以及海洋能。其中：化石燃料发电量占比自2000 年至2020 年下降了2.67 个百分点，风能和太阳能的发电量占比分别上升了5.69 和3.12 个百分点。从表1 中传统能源和可再生能源的发电量占比数据可以看出，世界整体在积极推动传统能源的转型工作。

3 可再生能源发电量增长率与CO2和PM2.5的关系

为了研究能源转型对气候变化的影响，本文提取了已有的可再生能源发电量数据，并选择了两个气候变化指标，即全球CO2排放量增长率（2000—2020 年）和PM2.5浓度（2000—2020 年），以探讨可再生能源对气候变化的影响。

3.1 可再生能源发电量增长率与CO2排放量增长率相关性分析

经过Z-Score 方法去除异常值后，拟合出两者变化的趋势线，绘制的散点趋势图如图2 所示。由图2可以得出，随着全球可再生能源发电量的增长，CO2排放量增长率呈现下降趋势。

3.2 可再生能源与PM2.5浓度相关性分析

在探索可再生能源与PM2.5浓度的关系时，使用Z-Score 算法剔除数据集中的异常值，并计算对应的相关性系数，如表2 所示。从表2 可以看出，可再生能源与PM2.5浓度大多呈现负相关关系，其中地热能的相关系数为-0.98，太阳能和生物质能的相关系数为-0.95，风能的相关系数为-0.94。

4 中国的能源占比变化及各类能源与PM2.5的关系

为了探索中国在世界能源转型中发挥的作用，本文结合BP 世界能源统计年鉴数据、世界银行开放数据和国务院新闻办公室发布的数据，从中国可再生能源发电量在世界的占比、中国各类能源发电量占比变化、中国各类能源与PM2.5浓度关系3 个方面进行了分析。

4.1 中国的可再生能源发电量在世界的占比情况分析

计算相关数据，分析中国可再生能源发电量在世界的占比情况，如表3 所示。表3 中数据显示：中国可再生能源发电量在世界的占比呈现增长态势，2000 年的占比为7.84%，2020 年的占比达到28.78%。

表3 中国可再生能源发电量在世界的占比情况

4.2 中国各类能源发电量占比情况分析

笔者计算了2000 年和2020 年中国各类能源发电量占比情况，如表4 所示。从表4 可以看出，各类能源发电量的占比发生了明显变化。从2000 年至2020 年，化石燃料占比下降了15.360 个百分点，风能占比增加了5.957 个百分点，核能占比增加了3.472 个百分点，其他可再生能源也有不同程度的增长。这些数据表明，近年来中国能源转型工作已取得实质性进展。

表4 2000 年和2020 年中国各类能源发电量占比情况变化表

4.3 中国各类能源与PM2.5浓度关系

为了分析中国各类能源与PM2.5浓度的关系，笔者计算了各种可再生能源发电量与PM2.5浓度的相关性系数，如表5 所示。从表5 可以看出，化石燃料的相关系数为0.46，生物质能的相关系数最低，为-0.52，太阳能的相关系数为-0.48，地热能的相关系数为-0.42。数据表明，中国的可再生能源发电量与PM2.5浓度大多呈现负相关关系。

表5 中国各类能源与PM2.5 浓度相关系数表

5 中国的CO2排放量增长率及水力发电、风力发电和太阳能发电占比预测

为了解未来中国CO2排放量增长率及相关能源的发展情况，本文构建了相应的模型，预测未来20 年中国的CO2排放量增长率及水力发电、风力发电和太阳能发电在总量中的占比情况。

5.1 中国未来20年的CO2排放量增长率预测

采用5 种不同的模型（K临近模型，随机森林模型，多项式回归模型，线性回归模型和支持向量机模型）对CO2排放量年增长率进行预测。选用2000—2015 年的数据作为训练集，并对2016—2021 年的数据进行预测。通过比较预测值和实际值的MSE（均方误差），得出支持向量机模型的均方误差最小，为3.19，详见表6。从表6 可知，5 种模型中，支持向量机模型预测中国未来CO2排放量增长率表现较优。

表6 5 种模型在CO2 排放量增长率数据集的MSE 值

5.2 中国未来20年的水力发电、风力发电和太阳能发电占比预测

选取水力发电、风力发电和太阳能发电3 个数据集的2000—2015 年发电量数据作为训练集，利用训练后的模型对2016—2021 年的数据进行预测，并将预测值和实际值进行比对，计算5 种模型在不同数据集上的MSE。结果表明：支持向量机模型在水力发电数据集上的MSE 最小，仅为0.92，详见表7。线性回归模型在风力发电数据集上的MSE 最小，为5.41，详见表8。而多项式回归模型在太阳能发电数据集上的MSE最小，为1.19，详见表9。

表7 5 种模型在水力发电数据集中MSE 值

表8 5 种模型在风力发电数据集中MSE 值

表9 5 种模型在太阳能发电数据集中MSE 值

因此，采用支持向量机模型对中国的水力发电情况进行预测，采用线性回归模型对风力发电进行预测，采用多项式回归模型对太阳能发电情况进行预测。预测结果表明：未来20 年水力发电的占比呈现下降趋势，预计至2042 年达到14.83%，如图3 所示；未来20 年风力发电和太阳能发电占比呈现上升趋势，预计至2042 年分别达到23.19%和2.92%，如图4 和图5 所示。

图3 未来20 年水力发电占比预测图

图4 未来20 年风力发电占比预测图

图5 未来20 年太阳能发电占比预测图

预测结果表明，未来中国将大力发展风能和太阳能产业。近年来，中国政府对风电和光伏产业的发展给予了高度重视，因此可再生能源将在不久的将来发挥更加重要的作用，以替代传统能源并改善空气质量和全球气候。

6 结语

6.1 分析总结

综上所述，通过对21 世纪以来全球能源转型的情况和各类能源对全球气候变化的影响进行分析，从中国在21 世纪以来能源转型的发展情况和未来中国能源转型的方向两方面着手，总结如下：

（1）21 世纪以来，全球可再生能源发电量占比上升趋势明显，以化石燃料为代表的不可再生能源（发电量）增长缓慢。在世界风力发电占比中，排名靠前的地区分别是北欧部分国家（如瑞典、芬兰等）、大洋洲的澳大利亚、南美洲的巴西以及非洲部分国家（如肯尼亚、摩洛哥等）。

（2）21 世纪以来，全球温室气体排放量的增长率变缓；全球PM2.5浓度呈现下降趋势；全球地表温度总体呈现上升趋势；全球降水量变化较小。

（3）在探究能源转型对气候变化的作用时，得出可再生能源（发电量）的增长对降低全球CO2排放量和PM2.5浓度发挥着积极的作用。随着可再生能源产业的发展，全球CO2排放量会逐渐减少，空气中PM2.5浓度会降低，全球气候会得到改善。

（4）中国大力发展节能减排相关产业，政策关键词为能源、绿色、清洁、发展等。21 世纪中国可再生能源发电量在世界的占比增长明显，2020 年占比将近三成。中国的能源转型对于降低PM2.5浓度同样发挥着积极的作用。

（5）在预测未来20 年中国各类能源发电总量占比时，水力发电占比会逐年下降，而风力发电和太阳能发电占比将逐年上升。可以推断中国在未来将会加大支持和投入到新能源相关产业，尤其是风能和太阳能等相关产业的建设与发展中去。

6.2 可行性建议

通过对能源转型应对气候变化的作用进行分析总结后，从世界、国家、社会及个人层面提出以下4 点建议：

（1）世界层面：制定全球性应对气候变化的方案和计划，鼓励各国加强协作，共同推动能源转型，减少温室气体排放；引导各国共同研发新能源技术和设备，促进可持续发展。

（2）国家层面：发布政策鼓励和支持可再生能源的发展，加大对新能源的投资力度，制定更高的环境标准。

（3）社会层面：加强宣传和教育，普及环保知识；同时举办环保活动，推广低碳生活方式。

（4）个人层面：响应政策号召，积极参与环保活动；同时从日常出发，采取低碳、环保的生活方式。