關於能源轉型分析的評述

作者：舒印彪，薛禹勝，蔡斌，韓建國，淩文，陳新宇

提煉能源轉型問題的要素，強調應重視政策制定者、能源供應者等不同利益相關者行為的影響;梳理能源轉型研究的不同目的，即解釋(explanation)、預測(prediction)、推演(projection)及優化(optimization)等，研究的要點及面臨的挑戰;歸納能源轉型研究範式的現狀與不足;提出基於技術-經濟-行為統計學模型-真實人混合交互模擬及反復推演，協調優化轉型目標與路徑的新範式。其續篇將討論能源轉型研究中的不確定性因素及分析方法。

引言

能源是人類經濟與社會發展的基礎。人類對能源的開發與利用經歷了傳統生物質、煤炭、油氣時代，

氣候變化、環境安全、能源枯竭、公民健康等問題使能源的清潔替代成為全球的共識。 2015年第21屆聯合國氣候變化大會上達成的《巴黎協定》中，各國同意將全球氣溫相對于工業化前水準的升幅控制在2℃內，並努力控制在1.5℃內。為了實現2℃的目標， 2011—2050年間全球二氧化碳的累計排放量需控制在11000億t以內，在2050年前全球約82%~88%、49%~52%和33%~35%的煤炭、天然氣和石油探明經濟可采儲量將不得開採[1]。

能源轉型的根本任務是構建清潔、低碳的新型能源體系。截至2016年底，全球大部分國家已實施相關的可再生能源(RES)支持政策，至少有176個國家制定了本國的清潔能源發展目標，丹麥、德國等轉型積極的國家計畫到2050年實現RES占終端能源比例達到100%和60%[2]。

中國已經成為全球最大的水能、風能與太陽能利用國，並正在進一步推動能源生產與消費革命，基於自身國情計畫在2020年、2030年和2050年分別將一次能源中的非化石能源占比提高到15%、20%和50%[3]。

能源的清潔轉型將伴隨系統中能量資源的來源(化石能源、RES、核能等一次能源)、能量的載體(煤/油/氣等傳統燃料、電能、熱能等)、能源基礎設施(生產、轉換、儲存、運輸、配送、用能等各個環節的設施)、能源市場機制、能源政策、能源供應者與消費者的行為等多種因素的轉變。

電能是連接一次能源與終端能源的橋樑，是當前應用最廣泛的二次能源。電網在綜合能源系統中佔據核心地位，是推動能源轉型的中心環節。 RES的大規模利用離不開電能，

電網是在一次能源側實現清潔替代的關鍵。以特高壓為骨幹網架的堅強智能電網將支撐煤炭、RES等能源在廣域的快速輸送與配置[4-5]。由於電能的高效、便捷、清潔、友好、應用廣泛等特點，電力在全球終端能源中的比例從1973年的9.4%增長至2015年的18.5%[6]。未來，電動汽車的發展、電能對煤炭散燒的替代以及工商業等其他領域的電能替代將持續推進全社會的“再電氣化”。國際能源署(IEA)預計到2040年前，全球40%的終端能源增長將來自電能[7]。

然而，電力系統與一次能源研究長期缺乏融合。隨著化石能源直接輸送在運力、環境等方面遭遇的瓶頸[8]，風電、光伏等RES發電大規模發展遭遇消納困境[9]，打破一次能源與電力系統研究長期割裂狀態的需求更加緊迫。

應在電力系統分析中計及化石能源充裕性不足所造成的一次能源阻塞[10];在一次能源清潔轉型研究中考慮高比例RES電力系統的基本特性[11]。

文獻[12]詮釋了在電力系統(powersystem， PS)的研究中逐漸增加對資訊系統(cybersystem)、廣義物理環境(非電能源系統、非能源系統)、人的行為等社會系統(socialsystem)的考慮，從而依次拓展為智慧電網(smartgrid， SG)、資訊-物理-能源系統(cyber-physicalsysteminenergy， CPSE)、資訊-物理-社會-能源系統(cyber-physical-socialsysteminenergy， CPSSE)的過程。能源轉型是一個典型的CPSSE問題，與之相對應的研究不僅涉及與能源技術、氣候科學等相關的自然科學領域，還涉及與能源經濟、政策機制、人的行為等相關的政治學、經濟學等社會科學領域。

各類不同視角、物件系統以及具體內容的研究均可被歸為“能源轉型”的範疇。

例如，電動汽車的發展、煤炭的清潔利用、終端能源結構的長期演化(含電能替代)等。目前，仍沒有一個被普遍接受的“能源轉型”定義。其中， “一次能源結構的長期演化”是被使用最多的定義[13-14]。限於篇幅，本文將集中討論上述定義所限定的範圍。若無特別說明，後文的“能源轉型”均指“一次能源結構的長期演化”。

過去幾十年中，能源轉型問題得到了廣泛的關注與討論，但該問題的研究現狀、面臨的挑戰等則未得到清晰的梳理。當前，涉及能源轉型的綜述性文獻大多以能源模型或工具為視角，範圍涉及能源供應與需求、電力市場、電力系統運行與規劃、分散式能源系統等能源領域各個方面的問題，討論了模型的功能、建模方式等方面的分類與比較，而未專門針對能源轉型問題進行深入的探討[15-20]。文獻[21]針對一類綜合考慮技術、經濟、人的行為的能源轉型模型進行了綜述，比較了各模型在應用領域、技術-經濟細節、參與者異質行為、轉型路徑動態、模型校正與驗證等方面的異同。該文是為數不多的專門針對能源轉型模型的綜述，但綜述的範圍較小、討論重點則僅是模型間的比較。

以本文為首的2篇系列論文將討論清潔低碳發展背景下的能源轉型研究問題。本篇分析能源轉型問題的要素;闡述能源轉型研究的4類主要目的;歸納能源轉型研究範式的現狀及不足，建議基於技術-經濟-行為統計學模型-真實人混合模擬研究能源轉型的新範式，討論該範式的基本思路、特點、框架模型以及需應對的問題。

而未專門針對能源轉型問題進行深入的探討[15-20]。文獻[21]針對一類綜合考慮技術、經濟、人的行為的能源轉型模型進行了綜述，比較了各模型在應用領域、技術-經濟細節、參與者異質行為、轉型路徑動態、模型校正與驗證等方面的異同。該文是為數不多的專門針對能源轉型模型的綜述，但綜述的範圍較小、討論重點則僅是模型間的比較。