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Assessment of Carbon Emission Reduction and Costs of Global Renewable Energy Investment 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
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為應(yīng)對全球氣候變暖，以電能替代與電氣化快速發(fā)展驅(qū)動的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略已日益成為國際共識[1-4]。根據(jù)主流國際機構(gòu)能源情景展望結(jié)果，電能占終端能源消費比重預(yù)計從當(dāng)前的20%增長至2050年的50%左右[5]。其中，國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）能源轉(zhuǎn)型路線圖預(yù)計2050年電能占終端能源消費比重達到49%[6]，DNV GL能源轉(zhuǎn)型展望結(jié)果將達到46%[7]，而滿足《巴黎協(xié)定》1.5 ℃溫控目標(biāo)的低能源需求情景（LED）需要到60%[8]，以全球互聯(lián)互通促進清潔能源規(guī)?；_發(fā)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)能源情景結(jié)果預(yù)計達到50%[9]。在2018年能源需求增長驅(qū)動下，全球與能源有關(guān)的CO2排放量增長1.7%，達到331億t CO2，成為歷史新高。電力生產(chǎn)部門（電力部門）碳排放占能源相關(guān)排放總量的38%，電力部門排放量增量占能源相關(guān)排放總增量的近三分之二[10]。文獻[11]提出4種用于減少化石能源燃燒排放的主要路徑，包括降低能源需求、能源服務(wù)電氣化、電力部門脫碳以及終端非電燃料脫碳。伴隨經(jīng)濟社會發(fā)展及應(yīng)對氣候變化迫切要求，電能消費將持續(xù)呈現(xiàn)快速增長趨勢，因此電力部門減排面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究報告表明，實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2 ℃及1.5 ℃溫控目標(biāo)，本世紀(jì)中葉需要電力部門率先完全脫碳，實現(xiàn)凈零排放[12]。
2018年全球電力生產(chǎn)達到26.6萬億kWh，其中化石能源發(fā)電高達64%以上[5]。針對電力部門減排，許多研究機構(gòu)和學(xué)者進行了減排技術(shù)潛力和成本量化分析。一次能源中煤炭60%以上用于電力生產(chǎn)，因此以清潔能源發(fā)電代替高排放煤電是促進電力部門減排的有效手段，根據(jù)能源系統(tǒng)投資成本最優(yōu)得到的全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下的清潔發(fā)電占比可達到80%以上[9]；隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，IRENA預(yù)計2050年可再生能源將供應(yīng)86%的電力生產(chǎn)[6]?；茉窗l(fā)電碳捕集及封存（CCS）也是一種低碳供應(yīng)的可行路徑，但由于其較低捕集率及較高成本，IPCC研究報告表明1.5 ℃路徑中化石能源CCS使用有限[12]?？紤]到1.5 ℃路徑深度減排需要負(fù)排放技術(shù)，生物質(zhì)發(fā)電碳捕集及封存（BECCS）將在電力部門實現(xiàn)凈零排放中發(fā)揮重要作用[12]。特高壓及智能電網(wǎng)應(yīng)用可促進清潔能源大規(guī)模發(fā)展，并降低輸電損耗、提高輸電效率，對電力部門減排具有支撐作用[1]。減排成本方面，文獻[13]對中國低碳電力技術(shù)減排潛力及減排成本進行分析，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電CO2減排成本在200～300元/t，光伏發(fā)電CO2減排成本在400～550元/t，水電CO2減排成本最低，介于-53～-6元/t。文獻[14]對化石燃料及可再生能源減排成本進行了比較，研究表明水電、核電及風(fēng)電由于其低成本和低排放量，是應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的重要減排技術(shù)，其中水電減排成本最低。文獻[15]對比分析了發(fā)達國家及發(fā)展中國家化石能源發(fā)電及可再生能源發(fā)電減排成本，研究表明大部分可再生能源發(fā)電減排成本高于燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)（CCGT）減排技術(shù)。文獻[16]研究了美國增加25%可再生能源的經(jīng)濟成本，可再生能源替代煤電的CO2減排成本可低至23 美元/t。
以往可再生能源減排技術(shù)經(jīng)濟性分析均采用與化石能源發(fā)電成本進行對比[14-16]，量化替代煤電或氣電的碳減排額外成本，衡量減排技術(shù)是否具有經(jīng)濟競爭力。但此方法無法評估可再生能源的投資減排量或減排目標(biāo)下所需可再生能源投資。同時，以往研究缺少對全球及重點區(qū)域或國家可再生能源投資減排的系統(tǒng)評估。為此，本文首先總結(jié)電力部門減排整體框架，在此基礎(chǔ)上分析全球及重點國家可再生能源發(fā)電減排路徑；其次提出可再生能源減排成本評估方法，量化分析全球及重點區(qū)域或國家最新可再生能源單位投資減排成效，分析減排成本的地域分布特點；最后計算滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃溫控目標(biāo)的可再生能源投資需求量。
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圖1為電力部門減排技術(shù)總體框架圖。電力部門排放核心指標(biāo)包含發(fā)電量及度電排放因子，因此減排策略可分為兩個方面：一是在滿足同等用電需求情況下，通過降低輸電損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排；二是通過優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)及提升發(fā)電效率推動度電排放水平下降。圖1中4類技術(shù)組合可促進電力部門減排：一是通過大力發(fā)展清潔能源、在火電中增加氣電比重來優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，降低度電排放水平；二是通過發(fā)展特高壓及智能電網(wǎng)技術(shù)，推動大范圍電力互聯(lián)互通，推動清潔能源規(guī)?；l(fā)展，同時高壓輸電技術(shù)可以降低輸電損耗，促進節(jié)能減排；三是采用高效清潔燃煤發(fā)電技術(shù)提升發(fā)電效率；四是化石能源發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電過程中通過碳捕集及封存降低度電排放水平。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖1 電力部門減排總體框架圖
Fig.1 Framework of emission reduction in power sector 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.1 清潔能源發(fā)電技術(shù) 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
可再生能源發(fā)電技術(shù)主要包括水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電等。本文忽略可再生能源發(fā)電技術(shù)全生命周期內(nèi)設(shè)備原材料、加工生產(chǎn)、運輸及發(fā)電設(shè)備建造等環(huán)節(jié)的間接排放，因此可再生能源發(fā)電作為零碳電源，通過替代煤電等高排放化石能源發(fā)電，降低電力生產(chǎn)過程中的度電排放。2018年全球可再生能源發(fā)電量達到 6.8萬億kWh，占全球總發(fā)電量的25.6%，較2010年提高5.3個百分點[17]。可再生能源已成為全球新增裝機主力電源，2018年新增裝機171 GW，占總新增裝機中比重達到62%[18]?？稍偕茉窗l(fā)電成本大幅下降，已與化石能源發(fā)電成本相當(dāng)。2018年全球陸上風(fēng)電、光伏平均度電成本分別下降至0.056美元/kWh、0.085美元/kWh，相比2010年成本分別下降34%、77%。水電、陸上風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電平均度電成本已觸及最低化石能源發(fā)電成本[19]，伴隨技術(shù)進步和規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，可再生能源成本相比化石能源將更具競爭力。 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
除可再生能源發(fā)電外，在火電中提高天然氣發(fā)電比例同樣可以降低度電排放水平。中國、印度等國家火電以煤電為主，煤電在火電結(jié)構(gòu)中占比均超過93%，因此火電度電排放水平較高，CO2排放分別達到0.87、0.89 kg/kWh，明顯高于全球平均水平（0.79 kg/kWh）。相比之下，俄羅斯和中東地區(qū)天然氣發(fā)電占比達到70%，火電度電排放水平較低。全球可再生能源發(fā)電和天然氣發(fā)電持續(xù)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，2018年電力生產(chǎn)度電CO2排放水平降至0.476 kg/kWh。 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.2 電網(wǎng)技術(shù) 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
互聯(lián)互通技術(shù)是指以特高壓和智能電網(wǎng)為支撐，推動清潔能源大范圍、大規(guī)模優(yōu)化配置和開發(fā)利用的輸電技術(shù)。特高壓交流的輸電線路年平均線損率小于2%[20]，背靠背直流系統(tǒng)的年平均電量損耗在1.5%左右[21]，因此特高壓輸電技術(shù)在輸電能力顯著提升同時，通過降低輸電損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。研究表明，1000 kV特高壓交流輸變電工程較500 kV輸變電工程每年節(jié)約電能2.8億kWh，年碳減排量為25萬t[22]。截至2019年底，中國特高壓建成“十一交十四直”、核準(zhǔn)在建“三交三直”工程。智能電網(wǎng)依托數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，可大幅提高清潔能源消納能力，增強電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，充分挖掘用能側(cè)電動汽車、儲能等設(shè)備調(diào)節(jié)潛能，支撐終端冷、熱、電、天然氣等多能互補綜合能源服務(wù)，通過信息和通信深度融合，實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同發(fā)展，促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，提高能源利用效率和電網(wǎng)運行效率，推動節(jié)能減排。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.3 高效清潔燃煤技術(shù)
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高效清潔燃煤技術(shù)主要包括超臨界（supercritical，SC）、超超臨界（ultra-supercritical，USC）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（integrated gasification combined cycle，IGCC）技術(shù)等。這些發(fā)電技術(shù)可以通過鍋爐改造或循環(huán)利用提高火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率，減少發(fā)電煤耗，進而減少度電排放。2018年全球燃煤發(fā)電量為10.1萬億kWh，占全球總發(fā)電量的38%，較2010年下降2個百分點。從裝機看，2017年全球煤電裝機為2088 GW，其中采用SC、USC技術(shù)的煤電裝機占比分別為19%和13%，較2010年分別增加3個和8個百分點[23]。從成本看，2015年SC、USC、IGCC這3項高效清潔燃煤技術(shù)的度電成本為0.055～0.060美元/kWh，高于次臨界發(fā)電技術(shù)成本[24]。從度電排放看，2015年SC、USC、IGCC的度電排放CO2分別約為0.8 kg/kWh、0.73 kg/kWh和0.64 kg/kWh，低于次臨界發(fā)電（約為0.88 kg/kWh）[25]。從投資看，2018年全球燃煤發(fā)電廠最終決策投資（final investment decision，F(xiàn)ID）為 22 GW，同比下降30%，大多數(shù)最終決策投資針對高效煤電廠，低效的次臨界煤電廠僅占10%。其中，印度是最大的煤電投資市場，SC技術(shù)是最主要的高效清潔技術(shù)[26]。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
1.2.4 CCS技術(shù)
CCS技術(shù)指將化石能源發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電過程中排放的CO2收集，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。通過CCS實現(xiàn)降低電力部門度電排放，其中BECCS技術(shù)是目前主流的負(fù)排放技術(shù)，在電力部門深度減排中將發(fā)揮不可或缺的作用[12]。截至2020年初，全球規(guī)模化運行的CCS項目僅有 2個，其中加拿大的Boundary Dam碳捕集及封存能力為1 Mt/a，2014年開始運行；美國的Petra Nova碳捕集及封存能力為1.4 Mt/a。目前電力生產(chǎn)CCS技術(shù)成本非常高，Boundary Dam的碳捕集成本高達100美元/t，Petra Nova的碳捕集成本為65美元/t[27]。雖然成本有一定程度下降，但仍遠(yuǎn)高于可再生能源發(fā)電的減排成本，CCS進入大規(guī)模應(yīng)用階段仍需進一步降低成本。全球CCS研究所樂觀估計2024—2028年計劃運行的碳捕集成本為43美元/t，中試規(guī)模的新技術(shù)有望下降至33美元/t[27]。生物質(zhì)發(fā)電碳捕集需充分考慮燃料問題，能源作物種植需要最大限度降低對糧食生產(chǎn)造成的威脅，同時種植大量能源作物需要大量的水資源和肥料，這些都是生物質(zhì)發(fā)電及碳捕集需要考慮和解決的問題。
本文僅對可再生能源減排技術(shù)進行討論，重點分析其減排路徑、減排成效及滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃溫控目標(biāo)的可再生能源投資需求。
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電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電每提高r個百分點對應(yīng)的減排量占電力部門排放量比重Pr的計算關(guān)系式為 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
式中：E(T)是電力部門T年發(fā)電量，kWh；CT是T年的火電碳排放強度，kg/kWh；RC,T是T年電源結(jié)構(gòu)中清潔能源發(fā)電量占比；r(T)指T年清潔能源發(fā)電提高r個百分點。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
考慮到可再生能源發(fā)電建設(shè)成本集中在項目前期，而電源建設(shè)具有一定施工周期，因此僅用項目前期較高的投資量和前期較小清潔發(fā)電減排量計算的碳減排成效會造成過低估計?？稍偕茉赐顿Y潛在的減排成效應(yīng)考慮電源全生命周期的投資和對應(yīng)的清潔發(fā)電等效碳減排貢獻進行計算。綜合考慮全生命周期內(nèi)可再生能源建設(shè)成本、運維成本、燃料成本、總發(fā)電量、碳排放強度（碳強度）、折現(xiàn)率以及全生命周期內(nèi)清潔發(fā)電替代火電的碳排放量，可再生電源單位投資的潛在減排成效PE為 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
式中：It是可再生能源電源系統(tǒng)生命周期內(nèi)第t年建設(shè)費用支出，美元；Mt是第t年的運維費用支出，美元；Ft是第t年的燃料費用支出，美元；Et是第t年的可再生能源發(fā)電量，kWh；CT是T年的火電碳排放強度，kg/kWh；r是折現(xiàn)率，%；n是系統(tǒng)生命周期的壽命，a。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
本文可再生能源是指風(fēng)能、太陽能、水能、地?zé)崮?、波浪能、生物質(zhì)能，式（2）中除生物質(zhì)能源需要燃料成本外，其他可再生能源燃料成本均為零。電力生產(chǎn)平準(zhǔn)化度電成本（levelized cost of energy，LCOE）的定義為 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
式中：CLCOE,T為T年可再生能源發(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本，美元/kWh。 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
因此式（2）可再生電源單位投資的減排成效PE可以改寫為 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
某區(qū)域或國家T年各類可再生能源總投資減排成效R(T)可由式（5）計算：
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式中：i為可再生能源類別，如光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等；φ 是可再生能源集合；Ii,T是T年可再生能源i的投資；PE,i,T是T年可再生能源i的單位投資減排成效，由式（4）計算得出。
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圖2為電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電占比每提高1～4個百分點減排量占比關(guān)系圖。從式（1）及圖2可以看出減排量占比Pr曲線與清潔發(fā)電占比呈單調(diào)遞增的“凸函數(shù)”關(guān)系，減排量占比隨著電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電比重提高而逐漸增大。從式（1）可以看出，當(dāng)清潔發(fā)電占比RC,T很小時，分母接近于1，分子提升對Pr影響較小。當(dāng)電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電占比在20%以下時，即使清潔占比提高4個百分點，減排量占比仍在5%以下；當(dāng)清潔占比達到60%時，每提高4個百分點，減排量達到10%；清潔占比達到80%時，每提高4個百分點，減排量可達到20%，減排效果顯著提升。因此，若要充分發(fā)揮清潔電源在電力部門中的減排作用，首先應(yīng)該推動清潔能源規(guī)?；l(fā)展，否則清潔占比的提高對減排作用有限。根據(jù)國際能源署（International Energy Agency，IEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]，全球清潔發(fā)電占比從1990年的36.6%降為2017年的35.1%，這主要是由于核電和水電發(fā)展速度遠(yuǎn)低于電力需求增速，而其他清潔電源體量較小。清潔電源發(fā)展初期以核能和水能為主，1990年除核電和水電之外的清潔能源發(fā)電占比僅為1.3%，2017年達到8.5%，年均增速雖然達到10.3%，但清潔發(fā)電在總發(fā)電量中占比仍然很小。同時，1990—2017年間水電和核電發(fā)電量之和年均增長率為1.8%，低于全球電力需求增速2.9%，總體上全球清潔發(fā)電占比出現(xiàn)了一定程度下降。從圖2中全球數(shù)據(jù)可以看出，1990—1995、1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015等清潔占比每5年提高比例均低于1個百分點，減排量曲線位于灰色線以下。相比來看，德國25年間清潔發(fā)展成效顯著，減排路徑也有逐漸“攀爬”的趨勢，說明德國電力部門減排力度持續(xù)增強，2010—2015年間減排量占比達到7.3%。根據(jù)IEA的德國統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]，2010年清潔發(fā)電量占比達到39.8%，2015年清潔發(fā)電占比提高4.3個百分點，年均增長0.9個百分點，減排路徑基本維持在2%曲線以上。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖2 清潔能源發(fā)電減排路徑變化圖
Fig.2 Change of emission reduction pathway with development of renewable power generation
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注：清潔能源包括風(fēng)能、太陽能（光伏、光熱）、水電、核能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、波浪能、可再生廢棄物；G代表德國，W代表全球，1:1990—1995,2:1995—2000,3:2000—2005,4:2005—2010,5:2010—2015。 本@文$內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
2018年，全球可再生能源發(fā)電投資達到2889億美元，遠(yuǎn)超過化石能源發(fā)電投資。相比2017年可再生能源投資下降11%，主要是由于技術(shù)成本下降及中國光伏政策導(dǎo)致的投資下降。可再生能源投資主要集中在光伏和風(fēng)電，2018年光伏和風(fēng)電投資分別達到1397億、1341億美元，合計占總投資比重達到95%。2018年，中國投資占全球可再生能源總投資約1/3，已連續(xù)第 7年成為全球可再生能源投資最多的國家，歐洲和美國緊隨其后，占比分別為21%和17%[28]。
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3.2.1 全球單位投資減排成效
根據(jù)IEA統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年電力生產(chǎn)碳強度為 0.476 kg/kWh，化石能源發(fā)電平均碳強度為0.743 kg/kWh。2010年電力生產(chǎn)碳強度為0.529 kg/kWh，化石能源發(fā)電平均碳強度為0.786 kg/kWh。在可再生能源快速發(fā)展驅(qū)動下，2018年電力生產(chǎn)碳強度相比2010年下降10%；伴隨化石能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中天然氣發(fā)電比例提高，化石能源發(fā)電碳強度也有小幅下降，2018年化石能源發(fā)電碳強度相比2010年僅下降5.5%。
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根據(jù)IRENA統(tǒng)計數(shù)據(jù)[19]，2018年全球光伏發(fā)電平均度電成本為0.085美元/kWh，相比2010年下降77%；光熱度電成本雖然較高，但也有大幅下降，2018年全球光熱發(fā)電平均度電成本為0.185美元/kWh，相比2010年下降46%；陸上風(fēng)電成本仍顯著低于光伏發(fā)電成本，2018年全球陸上風(fēng)電平均度電成本為0.056美元/kWh，相比2010年下降34%；海上風(fēng)電雖然降本成效顯著，但仍為陸上風(fēng)電成本2倍之多，2018年全球海上風(fēng)電平均度電成本為0.127美元/kWh，相比2010年下降20%；水電仍是目前價格最低廉的可再生能源，但隨著水能資源較好的流域逐漸被開發(fā)利用，新建水電工程地理位置偏遠(yuǎn)，自然條件惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施落后，對外交通條件困難，工程勘察、施工難度加大，水電開發(fā)的建設(shè)成本、并網(wǎng)成本相對增高。同時隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平提高，耕地占用稅等稅費標(biāo)準(zhǔn)提升，征地移民投資大幅增加，生態(tài)環(huán)保投入不斷加大，水電開發(fā)成本急劇增加。2018年全球水電平均度電成本為0.047美元/kWh，相比2010年增長27%；2018年全球生物質(zhì)發(fā)電平均度電成本為0.062美元/kWh，相比2010年下降17%；2018年全球地?zé)岚l(fā)電平均度電成本為0.072美元/kWh，相比2010年增長50%，目前全球新增地?zé)岚l(fā)電項目較少，發(fā)電成本對所在國技術(shù)水平、地?zé)豳Y源儲量、設(shè)備成本比較敏感，規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)仍未顯現(xiàn)。各類可再生能源度電成本見表1[19]。
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表1 2010與2018年各類可再生能源度電成本
Table 1 LCOE of renewable power generation in 2010 and 2018 美元/kWh
根據(jù)度電成本、電力生產(chǎn)碳強度及式（4），2010—2018年可再生能源單位投資減排成效如圖3所示。從圖3可以看出，2018年水電單位投資CO2減排成效達到15.8 kg/美元，明顯高于其他可再生能源減排成效。其次為陸上風(fēng)電，2018年單位投資CO2減排成效達到13.3 kg/美元，相比2010年提高44.5%；光伏單位投資減排成效增長最為顯著，2018年達到8.7 kg/美元，相比2010年提高3倍。生物質(zhì)可廣泛來源于成本低廉的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品和林業(yè)廢棄物，同時容量因子較高（全球平均值在80%以上），導(dǎo)致度電成本較低，因此生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效較高，2018年CO2減排成效為12.0 kg/美元；地?zé)岚l(fā)電仍處于開發(fā)前期階段，高溫地?zé)豳Y源使得地?zé)岚l(fā)電具有較好的競爭優(yōu)勢，2018年單位投資CO2減排成效為10.3 kg/美元，相比2010年減少37%。當(dāng)前海上風(fēng)電和光熱單位投資CO2減排成效較低，分別為5.8和4.0 kg/美元，但均有增長的趨勢。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
圖3 2010與2018年可再生能源單位投資減排成效評估
Fig.3 Emission reduction assessment of unit renewable investment in 2010 and 2018 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
3.2.2 區(qū)域及重點國家單位投資減排成效 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
圖4為區(qū)域及重點國家2010—2018年間陸上風(fēng)電單位投資減排成效評估結(jié)果?？傮w來看，全球陸上風(fēng)電單位投資減排成效均有不同程度的提高，其中中國、非洲、北美洲單位投資減排成效增長高于全球平均水平。從單位減排成效絕對量來看，中國陸上風(fēng)電單位投資CO2減排成效最大，2018年達到18.2 kg/美元，相比全球平均值高出37%。中國的高投資減排成效主要有兩方面原因：一是由于中國對風(fēng)電發(fā)展強有力的政策支持，以及風(fēng)電退補貼政策驅(qū)動下風(fēng)機建設(shè)成本持續(xù)降低，2018年平均建設(shè)成本為1170美元/kW[19]，處于全球最低水平，因此中國陸上風(fēng)電度電成本具有顯著競爭力；二是由于中國火電度電排放高，化石能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中95%為煤電[5]，僅有少量氣電，火電碳強度明顯高于其他地區(qū)，較低的度電成本和較高的度電排放使得在中國投資1美元將生產(chǎn)更多風(fēng)電，有效避免高排放的煤電生產(chǎn)，風(fēng)電投資減排成效高于其他地區(qū)。印度單位投資CO2減排成效為14.7 kg/美元，與中國情況類似，印度風(fēng)電度電成本較低，而火電碳強度全球最高，因此也具有較好的單位投資減排成效。相比之下，雖然歐洲是風(fēng)電發(fā)展較早的地區(qū)，但由于人工及設(shè)備成本較高，平均度電成本高于全球其他地區(qū)；同時歐洲火電中45%為碳排放較低的氣電，電力生產(chǎn)碳強度較低，因此歐洲單位投資減排成效相對較低。在統(tǒng)計的區(qū)域和國家中俄羅斯及周邊陸上風(fēng)電單位投資減排成效最低，主要是由于當(dāng)?shù)靥烊粴赓Y源豐富，火電結(jié)構(gòu)中70%為氣電，火電碳強度處于全球最低水平，因此每投資1美元的減排成效較低。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
圖4 2010—2018年區(qū)域及重點國家陸上風(fēng)電單位投資減排成效
Fig.4 Emission reduction assessment of unit onshore wind investment in 2010-2018
圖5為重點國家2010—2018年間光伏發(fā)電單位投資減排成效評估結(jié)果?？傮w來看，全球光伏發(fā)電單位投資減排成效均有較大程度的提高，2010—2018年印度和中國單位投資CO2減排成效增量超過10 kg/美元，增量及絕對量均高于全球平均水平。印度光伏發(fā)電單位投資CO2減排成效最大，2018年達到14.5 kg/美元，比全球平均水平高出66%。中國和印度光伏發(fā)電在規(guī)模經(jīng)濟推動下，建設(shè)成本持續(xù)下降，處于全球較低水平。2018年全球新增光伏裝機94 GW，占可再生能源新增裝機的55%，其中，中國新增光伏裝機44 GW，印度為9 GW。全球光伏組件成本較2017年下降26%～32%，印度和中國光伏發(fā)電建設(shè)成本分別降至793和879美元/kW，使得兩國度電成本降至0.06美元/kWh，比全球平均度電成本低30%。意大利光伏建設(shè)成本僅有870美元/kW，略低于中國，但意大利火電中氣電占比超過75%，因此其火電碳強度遠(yuǎn)低于全球平均水平，僅有0.53 kg/kWh，這使得意大利光伏發(fā)電單位投資CO2減排成效較低，2018年僅為7 kg/美元，不足印度投資減排成效的一半。英國光伏發(fā)電度電成本較高，約為全球平均水平的2倍，同時其火電碳強度較低，因此其單位投資CO2減排成效僅為3.4 kg/美元。總體來看，全球光伏組件成本呈現(xiàn)全球趨同化，歐洲與其他地區(qū)建設(shè)成本差異日益縮小，但由于歐洲光照資源相對較差，導(dǎo)致光伏發(fā)電容量因子較低，度電成本相對較高，因此歐洲各國光伏發(fā)電單位投資減排成效較低，如法國、德國、意大利、英國等。亞洲地區(qū)光伏發(fā)電單位投資減排成效相對較高，如中國、印度等。
圖5 2010—2018年重點區(qū)域及國家光伏發(fā)電單位投資減排成效
Fig.5 Emission reduction assessment of unit solar PV investment in 2010-2018
圖6為區(qū)域及重點國家2010—2018年間大型水電項目單位投資減排成效評估結(jié)果。全球水電單位投資減排成效出現(xiàn)不同程度下降，如印度、巴西、北美洲。巴西單位投資CO2減排成效下降最為明顯，由2010年的16.5 kg/美元降至2018年的13 kg/美元，降幅超過20%，這主要是由于巴西水電容量因子波動較為明顯[19]，由65%降至57%，使得水電度電成本增至0.051美元/kWh，高于中國水電度電成本。水電資源豐富的中國、印度、巴西單位投資減排成效相對較高，雖然部分地區(qū)減排成效略有下降，但由于其顯著的經(jīng)濟性優(yōu)勢，單位投資減排成效仍明顯高于風(fēng)電、光伏等其他可再生能源。中東和歐洲水電單位投資減排成效較低，一方面是由于其火電中氣電比例較高，中東達到74%，歐洲達到60%，導(dǎo)致火電碳強度較低；另一方面由于水資源較好流域已被開發(fā)利用，剩余水電資源開發(fā)建設(shè)成本、輸電成本較高，導(dǎo)致度電成本高于其他地區(qū)。歐洲平均度電成本是全球平均水平的2.5倍，因此歐洲水電單位投資CO2減排成效僅為 5.8 kg/美元，低于當(dāng)?shù)仫L(fēng)電和光伏單位投資減排成效。 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
圖6 2010—2018年重點區(qū)域及國家大型水電單位投資減排成效
Fig.6 Emission reduction assessment of large scale hydropower investment in 2010-2018 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
圖7為2018年區(qū)域及重點國家生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效評估結(jié)果。生物質(zhì)與其他可再生能源不同，燃料成本及其對應(yīng)的容量因子對度電成本影響較大，這也直接影響了單位投資減排成效。印度和中國生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效較高，其中印度利用農(nóng)作物肥料谷殼發(fā)電，容量因子可達到90%；中國利用甘蔗渣及廢物沼氣發(fā)電，燃料成本低，這使得印度和中國生物質(zhì)發(fā)電度電成本低至0.06 美元/kWh；如前所述，印度和中國火電碳強度較高，因此兩國生物質(zhì)發(fā)電單位投資CO2減排成效高于全球平均水平，2018年達到15 kg/美元左右。北美和歐洲單位投資CO2減排成效較低，低于9 kg/美元，這主要是由于北美和歐洲生物質(zhì)發(fā)電燃料成本較高（如采用木材肥料），而北美和歐洲火電碳強度較低，因此生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效低于全球平均水平。
圖7 2018年重點區(qū)域及國家生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效
Fig.7 Emission reduction assessment of bioenergy power generation unit investment in 2018 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
3.2.3 全球可再生能源投資減排成效評估 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
據(jù)統(tǒng)計[28-29]，2018年全球太陽能發(fā)電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電投資分別為1397億、1098億、246億、9億、88億、22億美元，根據(jù)式（5）計算得到的減排成效分別為12.2億、14.6億、1.4億、0.14億、1.05億、0.23億t CO2，2018年全球可再生能源投資的總減排成效約為30億t CO2，光伏和風(fēng)電投資減排成效占比超過90%。圖 8為2018年全球可再生能源投資總減排成效前15位國家，可以看出全球可再生能源投資減排成效主要集中在中國、美國和歐洲各國，其中中國2018年可再生能源投資的總減排成效為13.2億t CO2，占全球總減排成效的45%；其次為美國，投資減排成效為4.5億t CO2，占全球比重15%；印度和日本可再生能源投資減排成效占全球比重均為5.3%，其余各國投資減排成效占比不足3%。雖然水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電單位投資減排成效較大（見圖3），但相比全球廣泛分布的太陽能和風(fēng)能，水電、地?zé)豳Y源具有明顯的地域分布限制，生物質(zhì)發(fā)電也依賴當(dāng)?shù)卦牧蟽α考皟r格，限制了生物質(zhì)發(fā)電機組容量，而太陽能和風(fēng)能發(fā)電單位投資減排成效近幾年有明顯增長，因此全球可再生能源投資主要集中在資源更為豐富的太陽能及風(fēng)能領(lǐng)域。全球各國光伏和風(fēng)能投資減排成效評估在地域分布上有明顯的相似性，都是主要集中在亞洲的中國、日本、印度，北美洲的美國，歐洲的德國、法國、瑞士、瑞典等國。
圖8 2018年可再生能源投資減排成效評估
Fig.8 Emission reduction assessment of renewable investment in 2018 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
3.2.4 全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下能源投資
全球能源互聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用智能電網(wǎng)、特高壓輸電、清潔能源、儲能等先進技術(shù)，推動全球清潔能源大規(guī)模開發(fā)、配置和使用的重要平臺，將加快能源生產(chǎn)清潔替代和能源消費電能替代，大幅提高全社會電氣化水平，實現(xiàn)能源系統(tǒng)全面“脫碳”和清潔發(fā)展[1]。本文應(yīng)用奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）開發(fā)的國際主流綜合評估模型MESSAGEix[30]對全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景進行了系統(tǒng)分析。為了刻畫電力互通，在MESSAGEix能源模型中新增跨區(qū)域電力互聯(lián)運算模塊和模擬技術(shù)，區(qū)域間電力流在MESSAGEix模型中按文獻[31]中數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)建模，通過成本最優(yōu)化求解出全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景，量化評估全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2 ℃溫升控制目標(biāo)的能源投資。2016—2050期間年均能源投資與D.McCollum等統(tǒng)計的六大綜合評估模型[32]結(jié)果對比見圖 9。總體來看，各類模型結(jié)果顯示清潔能源年均投資需求大于化石能源投資，全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下，2016—2050年清潔能源投資年均投資達到6440億美元，其中非生物質(zhì)可再生清潔電力達到5280億美元，高于全社會化石能源投資的5000億美元（包括化石能源開采、轉(zhuǎn)化及電力生產(chǎn)）。全球電力互聯(lián)互通，將推動清潔能源大規(guī)模開發(fā)利用，全球共享高質(zhì)量風(fēng)能和太陽能等可再生能源，持續(xù)降低發(fā)電成本。預(yù)計2050年陸上和海上風(fēng)電成本有望分別降至0.025和0.055美元/kWh左右，預(yù)計光伏和光熱度電成本有望分別降至0.02和0.05美元/kWh左右，其中撒哈拉以南非洲區(qū)域太陽能發(fā)電成本最低，基地式太陽能規(guī)?；_發(fā)利用相對于分散式開發(fā)成本低50%以上[33]。隨著全球清潔電力貿(mào)易擴大及成本進一步下降，全球及區(qū)域優(yōu)化結(jié)果顯示2050年全球可實現(xiàn)80%清潔電力供應(yīng)（見圖10）。雖然全球電力互聯(lián)互通將增加電力輸配基礎(chǔ)設(shè)施投資，但低成本的清潔能源供應(yīng)及化石能源投資大幅縮減使得全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景的能源總投資相比其他模型年均投資平均值低20%以上。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
需要指出，雖然2008—2018年可再生能源投資增速穩(wěn)定在5%以上，但當(dāng)前可再生能源投資發(fā)展速度仍不滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃及1.5 ℃溫控目標(biāo)要求。全球能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)2 ℃溫控目標(biāo)下，2050年可再生能源投資需要達到9180億美元，是2018年投資的3.2倍；2018—2050年可再生能源累積投資需要達到19.3萬億美元，這與IRENA[6]評估的累積投資21.9萬億美元① IRENA研究表明，為滿足《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，2016—2050年電力部門可再生能源累積投資需求為22.5萬億美元，其中2017—2018年全球可再生能源累積投資為0.615萬億美元，因此2018—2050年可再生能源累積投資需求為21.9萬億美元。 以及D.McCollum等[32]根據(jù)六大綜合評估模型計算的可再生能源累積投資19.5萬億美元② D.McCollum等研究表明，2 ℃情景下非生物質(zhì)可再生能源發(fā)電年均投資6090億美元。 （2 ℃情景）相當(dāng)。電力部門實現(xiàn)凈零排放不但對實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)意義重大，同時對全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著巨大貢獻，2018—2050年的可再生能源投資年均增速需要達到11.4%，相比當(dāng)前投資增速翻一番。 本`文-內(nèi).容.來.自：中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
圖9 全球能源互聯(lián)網(wǎng)滿足2 ℃溫控目標(biāo)的全球年均能源投資與其他模型結(jié)果對比
Fig.9 Projected global-average annual energy investments needed to achieve 2 ℃ target by category from 2016 to 2050 according to different models and Global Energy Interconnection Scenario 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
圖10 2016—2050年全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下電源結(jié)構(gòu)及清潔能源發(fā)電量占比
Fig.10 Power generation mix and share of clean energy power generation in Global Energy Interconnection Scenario in 2016-2050 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
本文系統(tǒng)總結(jié)了電力部門減排整體框架和主要減排技術(shù)路線，分析了可再生能源減排路徑，提出了可再生能源投資減排成效分析方法，并量化分析了各類可再生能源單位投資減排成效，最后對全球可再生能源投資減排成效和投資需求進行了評估，主要結(jié)論如下。
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1）可再生能源減排路徑研究表明，減排量占比曲線與清潔發(fā)電占比呈單調(diào)遞增的“凸函數(shù)”關(guān)系。若要充分發(fā)揮清潔電源在電力部門中的減排作用，首先應(yīng)該推動清潔能源規(guī)模化發(fā)展，否則清潔占比的提高對減排作用有限。1990—2015年全球每5年清潔占比提高比例均低于1個百分點，德國清潔發(fā)展成效顯著，減排量占比變化也有逐漸“攀爬”的趨勢，2010—2015年間清潔發(fā)電占比增長帶來碳減排貢獻占電力部門總排放的比重達到7.3%，遠(yuǎn)高于全球平均水平。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
2）提出可再生能源單位投資減排成效評估方法。在不考慮電源建設(shè)過程中材料投入所產(chǎn)生的碳排放、可再生能源均按零碳電源計算情況下，2018年水電單位投資CO2減排成效達到15.8 kg/美元，顯著高于其他可再生能源。其次為陸上風(fēng)電13.3 kg/美元，相比2010年提高44.5%；光伏發(fā)電單位投資減排成效增長最為顯著，2018年單位投資減排成效達到8.7 kg/美元，相比2010年提高3倍。中國和印度光伏、陸上風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效居全球前列，主要是由于可再生能源發(fā)電建設(shè)成本較低及當(dāng)?shù)馗吲欧诺拿弘娬急容^高。本研究未考慮潛在的其他環(huán)境成本，未來研究將納入全生命周期碳排放進行可再生能源單位投資減排成效評估。
3）分析全球可再生能源減排成效及可再生能源投資需求。2018年全球可再生能源投資的總減排成效約為30億t CO2，光伏和風(fēng)電投資減排成效占比超過90%。全球電力互聯(lián)互通可推動全球清潔能源優(yōu)化配置，共享高質(zhì)量風(fēng)能和太陽能，大幅降低發(fā)電成本，全球及區(qū)域優(yōu)化結(jié)果顯示2050年全球可實現(xiàn)80%清潔電力供應(yīng)。低成本的清潔能源供應(yīng)及化石能源投資大幅縮減使得全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景的能源總投資相比其他模型年均投資平均值低20%以上。全球能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)2 ℃溫控目標(biāo)下，2050年可再生能源投資需求為9180億美元，是2018年的3.2倍；2018—2050年可再生能源累積投資需要達到19.3萬億美元，可再生能源投資年均增速需達到11.4%，相比當(dāng)前投資增速翻一番。
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附錄A 數(shù)據(jù)說明
表A1 本文各圖所用數(shù)據(jù)來源
Table A1 Data sources used in this study 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
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