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朱彤:五问国家能源转型

2016-07-26 17:32:38 来源:中国能源网 作者: 责任编辑:仁青东智 点击图片浏览下一页

  以大力发展可再生能源替代化石能源、降低碳排放为主要内容的“能源转型”,已经成为很多国家能源政策的重要内容。全球有164个国家制定了可再生能源发展目标,约145个国家颁布了可再生能源支持政策。

  然而,可再生能源发展“必要性”与“经济可行性”之间存在的反差,传统能源利益集团对可再生能源发展的阻挠,对发展路径有意或无意的曲解,决定了可再生能源替代化石能源之路必将是曲折、艰难和反复的。

  在我国,一个更为强烈的反差是:一方面,我们“极端重视”可再生能源发展,不断出台支持可再生能源发展的政策;另一方面,对现有能源系统以何种恰当方式转向一个以“可再生能源为主导”的能源系统方面的研究“高度忽视”。对可再生能源“如何转型”缺乏基础性研究与系统性思考,导致本应是系统推动能源转型的政策在实践中“各自为政”,并演变为单纯以实现某个“既定份额”为目标。

  将可再生能源发展置于人类能源转型历史进程之中,探讨能源转型的基本内涵与动因,梳理能源转型的逻辑,系统分析可再生能源转型与历史上能源转型的异同,对于正确认识我国可再生能源发展中的问题和转型方式,不仅有理论必要性,也有实践重要性。

  一问:能源转型如何发生

  很多报告和论文将“能源转型”(energy transition)一词等同于“向可再生能源转型”或“低碳转型”来理解。这一含义最早可能来自1980年德国科学院出版的一份报告:《能源转型:没有石油与铀的增长与繁荣》。该报告当时呼吁彻底放弃核电和石油能源的观点受到强烈反对,但在进入21世纪后逐渐演变成为德国能源政策的基本内容。相应的,德国“能源转型”的含义逐渐演变为“转向分布式可再生能源和提高能源效率”,并宣称最终目标是建立百分之百基于可再生能源的能源体系。

  能源转型的含义当然不仅仅是可再生能源发展。在更一般意义上,能源转型通常被理解为一个国家或社会主导能源的转换或更替过程。比如,煤炭替代薪柴并成为主导能源,石油替代煤炭成为主导能源。不过,对能源转型的这种描述性的理解,以及基于这一理解的相关研究难以适应复杂、丰富的能源转型实践的需要,无法对认识当前能源转型提供洞见。

  美国天然气专家罗伯特˙海夫纳三世试图另辟蹊径。在其2009年出版的著作《能源大转型》中,罗伯特˙海夫纳三世从能源存在的三种物理形态,即固体(木材、煤炭等)、液体(石油)和气体(天然气、风能、太阳能、氢能等)出发,把人类能源利用的历史与未来概括为两次能源转型:第一次能源转型是固体能源向液体能源的转型,第二次能源转型是液体能源向气体能源的转型。这一观点具有理论抽象性和逻辑一致性,为我们认识能源转型方向提供了有价值的观察视角;但这一理论对于能源转型判断标准过于抽象,对能源转型的内涵和特征等问题缺乏深入研究,对理解能源“如何转型”作用有限。

  加拿大的瓦茨拉夫˙斯米尔(VaclavSmil)教授认为,能源转型是各种能源利用“原动机”(primemovers)驱动下的能源结构不断变化过程。“每当效率更高的新能量‘原动机’出现取代旧的原动机,显著提高了人类所能利用的能源的量级,能源转型就会发生。”

  斯米尔教授根据“原动机标准”将人类能源利用划分为四次能源转型:第一能源转型发生在距今1万年到5000年,人类通过驯养役畜来替代部分人力;第二次能源转型发生在公元前1000年风车和水车的出现,进一步替代人和动物的肌肉力;第三次能源转型随着1765年瓦特改良后的蒸汽机的扩散和进一步改进,启动了煤炭替代薪柴的能源转型进程。第四次能源转型的发生则伴随着发电机的发明使用,以及1882年世界第一座中心发电站在纽约和伦敦投入使用,人类进入电气化时代而出现。

  斯米尔教授所提出的“原动力发明、改进和扩散”逻辑为我们认识历史上的能源转型“何时发生”、“如何发生”提供了非常有启发性的见解。然而,回顾人类能源利用史就会发现,以“原动机”单一标准来判断能源转型至少存在两个问题:

  一是从原动机标准所划分的一些能源转型并未真正导致该种最终能源成为“主导能源”,从而不构成人类社会或者国家层面上的能源转型。比如公元前1000年伴随风车和水车的出现,除了在小范围外,风能和水能并没有在普遍范围成为主导能源,更不用说全球了。这是风能和水能的自身局限所致,与原动机效率高低无关。二是以“发电机”出现而引发的第四次能源转型,偏离了“一次能源”的逻辑进入二次能源(电气化),这一转型与当前清洁化低碳化发展存在矛盾和冲突。这是因为,化石燃料发电的“原动机”效率和能级的提升将进一步增强化石燃料的竞争力,不利于向清洁燃料过渡。因此,任何非一次能源技术革命对于“能源转型”的价值和意义,必须回归到其所依赖的一次能源的“源头”来评价。

  为了更好描述历史上能源转型的逻辑和解释未来的能源转型,笔者对能源转型的定义是:能源转型是由原动机推动的,伴随着能源系统深刻变革的,一次能源结构长期变化过程。能源转型的发生与深化,是随着一种足以推动国家,乃至全球层面的能源转型得以发生“原动机”发明、扩散而发生、发展的,正如历史上的蒸汽机之于煤炭,内燃机之于石油一样。

  二问:中国能源转型处于哪个阶段?

  中国处于能源转型的哪一个阶段,下一次能源转型是第几次转型?判断能源转型的标准不同,答案也不相同。基于能源转型的上述新定义,就国家层面而言,能源转型应符合三个判断标准:

  一是要有导致能源利用方式重大变化的“技术创新”或“原动机”出现。能源转型不是“新”能源品种使用数量的简单“累积”,中世纪英国城市用煤非常普遍,到18世纪初,英国不仅家庭住宅取暖,很多工业行业生产中都使用煤炭。煤炭的利用方式依然是沿用过去的燃烧方式,没有出现用煤技术的重大创新。1765年,瓦特蒸汽机作为煤炭原动机的出现,英国才真正启动了向煤炭的转型,随后扩散到欧洲大陆和美国。

  二是要有基于能源技术创新的一次能源结构变化,即新“原动机”出现后,所利用的一次能源逐渐替代原有能源,并最终成为主导能源。换句话说,替代能源需要有成为主导能源的潜质。从这个判断标准看,瓦茨拉夫˙斯米尔所说的风车和水车发明所引发的能源转型,并不构成国家层面的能源转型。

  三是要有能源系统的深刻变革。也就是说,基于新的能源利用方式(原动机),一次能源的替代与转换的展开,必须同时构建与这种能源特性相匹配的能源生产、消费和输送体系,否则能源转型难以顺利和有效推进。因此,就当前的可再生能源转型而言,能否建立起与可再生能源特性相匹配的能源系统对于转型成功至关重要。

  根据这些标准来梳理人类能源利用的历史,可以发现:从原动机标准和一次能源结构变化标准看,历史上的能源转型可以划分为三次,即薪柴向煤炭转型、煤炭向石油转型、石油向天然气转型。目前正处于第三次能源转型阶段,即石油向天然气转型阶段。

  如果结合能源系统变革(第三个标准)来看,就会发现:煤炭、石油和天然气同属于化石能源,其能源生产和消费系统的共同特征是:大规模生产、输送和消费。也就是说,它们均属于“能源系统”特征相同的一次重大能源转型。

  人类能源利用可以划分为两次大的能源转型。第一次能源转型是植物能源向化石能源的转型,第二次能源转型是化石能源向可再生能源转型。两次大能源转型期间存在着一些亚转型(如向煤炭转型,向风力发电转型等)。特别值得指出的是,天然气是向第二次能源转型的重要过渡能源,这不仅是因为它比煤炭和石油更加清洁,而且因为从能源系统看,它兼具集中式和分布式的特点。

  三问:向可再生能源转型难在何处?

  向可再生能源转型有多难,难在何处?相信任何一个相关的政府官员、学者和产业人士都可以从不同角度加以概括,我认为向可再生能源转型至少有如下“三难”:

  一是发展可再生能源的必要性、迫切性与经济可行性存在巨大反差。化石能源对植物能源的替代,不仅是高密度能源对低密度能源的替代,而且是高竞争力能源对低竞争力能源的替代,主要是市场竞争的产物。当前各国正在发生的可再生能源转型,是在“应对气候变化”成为国际主流价值观的背景下发生的,是碳减排政策驱动下的能源转型。因此,可再生能源对化石能源的替代,是在化石能源自身效率还有较大提升潜力情况下,为实现经济增长的“脱碳”而发生的低密度能源对高密度能源的替代,同时也是低竞争力能源对高竞争力能源的替代。这一转型的迫切性、必要性与经济可行性之间的巨大反差,是导致可再生能源发展中问题的基本根源。

  二是与可再生能源特点相匹配的“新”能源系统无法通过现有能源系统的“外推式发展”而得到。一个与化石燃料的大规模生产、消费和输送体系及其高能量密度、可储存、分布不均衡等特性密切相关,而风能、太阳能的广泛分布性、低能量密度和不可存储性决定了本地生产本地消费模式是较好的选择,现有能源系统必须变革以适应可再生能源的新特征。然而,与化石能源特性完全耦合的现有能源系统并不会自觉向适应可再生能源特点的能源系统转型,因为传统能源企业从自身短期利益出发,往往会自觉阻碍这一进程。

  三是可再生能源的单一品种,无论是水能、风能、太阳能,还是生物质能,都不具有成为单一主导能源的潜质。因此,向可再生能源转型是就多个品种集合整体而言的。这些不同可再生能源品种的技术特性不完全相同:水电基本与现有能源系统兼容,风能和太阳能更适合分布式、小功率,生物质能则分布式、集中式均可。要将这些能源利用技术整合为一个有机“新”能源体系,将面临更多的技术、组织和制度方面的复杂性。

  上述“三难”,也可以说是能源转型的新特征和新变化。这就给能源转型政策提出了更高的要求:一方面转型政策要更具系统性和前瞻性;另一方面能源体制与政策实施方式也要做出相应调整,以适应这些新特征与新变化,减轻能源转型的成本与阵痛。

  四问:如何认识德国能源转型的经验?

  德国是当前全球能源转型的典范,其发展可再生能源的做法也被作为“经验”为各国所借鉴。比如,可再生能源全额上网、固定电价(FIT)、投资补贴等政策已经成为包括中国在内的很多国家可再生能源发展政策的标准选项。对此,无需多言。这里我将特别指出两个很少被提及,但实际上对我国更有价值的德国能源转型“经验”:

  一是增强电力市场灵活性是应对可再生电力波动性最重要的制度条件。德国电力改革始于1998年,但在短短几年时间就实现了“放开两头,管住中间”电力市场制度架构,确立了电力供应侧和需求侧竞争性市场。其核心要素包括:电力零售侧放开,终端用户可以自由选择售电商;开放电网使用权,电网运营商不参与市场竞争;日前、日内现货市场与多级调频辅助服务市场协同合作的市场结构,等等。德国可再生能源转型到目前为止能够较为顺利地推进,竞争性电力市场及其配套机制所决定的市场灵活性是基本制度条件。从经验借鉴看,构建这一制度是中国等很多国家推进可再生能源转型的必备条件。

  近年来,随着可再生能源电力份额上升,德国又设计了一些新的市场制度以期进一步提高市场灵活性:一是建立了以平衡结算单元为主体的电量平衡机制,以及与之配套的独立调频市场。凡是不能维持区域内发电和用电平衡的平衡发电运营商(结算单元)都必须从电网公司那里购买调频调峰电量,同时允许调频供需独立进行拍卖;二是在2015年底发布的《能源变革白皮书》中提出了一系列提高电力市场灵活性措施,主要包括:允许短时间内的超高电价和负电价,允许更多类型的技术参与到调频辅助服务市场中,等等。更为灵活的电力市场制度,能够更为精确地反映电力的时间和空间价值,市场参与者能够及时反应。

  二是从发电、电网和用电各个环节入手,提高电力系统运行的整体灵活度以应对可再生电力波动性挑战。具体做法包括:进一步提高化石能源发电厂的灵活度,以提高其调峰能力,而不是扩大规模降低能耗;改变热点联产电厂和生物质发电厂运行方式提高其灵活性;发挥欧洲互联电网的“间接储能系统”作用,提高德国输电网的灵活度;综合运用储能、热泵、电动汽车、智能电表等技术手段提高负荷的可调节性,增加电力需求侧灵活性,等等。

  五问:什么是中国可再生能源转型的当务之急?

  中国可再生能源转型面临的问题是什么?可再生能源比重太低?补贴力度不够?并网得不到保证?这些问题不是“当务之急”。当前应优先落实如下事项或原则:

  一是确立我国可再生能源转型的国家战略。可再生能源转型的国家战略既要反映可再生能源的特点,也要充分考虑我国基本国情。各国能源转型方向虽然相似,但能源资源禀赋与治理结构不同,决定了能源转型的国别差异。

  我国的能源转型远未上升的“国家战略”层面。首先,我国能源转型处于各个部委各自为政阶段,每个部门就自己主管的领域自行决定重点、方向和速度。其次,我国能源转型缺乏清晰的战略安排,实施路径和推进速度也缺乏统筹考虑。最后,能源转型进展和政策实施效果也无科学评估和考核。政策出台了很多,能源转型的问题也很多,但鲜有部门能够出面纠正和完善。这些问题的解决,有赖于我国能源转型“国家战略”的确立和落实。

  二是当前能源体制改革应充分反映能源转型的方向和要求。我国能源体制抑制市场作用导致配置效率低下问题非常突出。大力推动能源市场化改革已经成为能源体制改革的方向和要求。不仅如此,德国能源转型的经验告诉我们,竞争性电力市场和灵活的交易机制是可再生能源转型最重要的制度条件。因此,能源市场化改革的迟缓不仅会影响能源配置效率,而且还会阻碍我国可再生能源转型的进程,增加转型成本。

  三是我国能源转型的进展与步骤不应由传统能源巨头决定。传统能源巨头一定是能源转型的主要参与者,但能源转型的方向和进展不能由电力公司等传统化石能源巨头主导。因为它们可以从放缓能源转型速度和进程中获得经济利益。正如赫尔曼˙希尔在其《能源变革:最终的挑战》一书所指出的,“客观上,在向可再生能源的转型中是不可能实现共赢的。百分之百转向可再生能源是工业时代以来最广泛的经济转型。如果这个进程没有胜利者和失败者,是不可思议的。失败者将不可避免地是传统电力工业,其损失程度取决于其洞察力、决心和能力,以及进行彻头彻尾的重组、直面迅速衰减的市场份额、发现新的业务领域。”

  如果想让我国能源系统能够按照能源转型的方向和逻辑来实现转型,必须要在确立能源转型国家战略基础上,配套以推动能源转型的系统法律和政策框架,由国家来主导和推动转型,方有可能避免能源转型进展和节奏由传统化石能源巨头主导的局面出现。

  四是基于能源转型方向调整当前投资以避免锁定效应。未来30年-50年的能源系统是由当前投资决定的。当前的能源投资要符合能源转型要求,否则将导致我国未来能源系统(电力系统)锁定在既定道路上,加大未来能源系统转型的成本。

  中国当前能源投资重点,应该是有利于可再生能源和清洁能源的“新业务”和市场“新参与者”发展的能源基础设施投资,包括配电和用电侧的智能双向改造,以可再生能源为主体的微电网建设,以及有利于提高电力系统灵活性的技术与设施投资等,而不是为实现远距离输送电力而建设“特高压骨干网”,甚至“全球能源互联网”。

  (作者朱彤为中国社会科学院工业经济所能源经济室主任、中国经济体制改革研究会特约研究员。)

文章来源:中国能源网 责任编辑:仁青东智
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