可再生能源在未来会发生什么?

来源:华夏气候

世界资源研究所网站发表署名Joel Jaeger的文章,题目是:Explaining the Exponential Growth of Renewable Energy(如何解释可再生能源的指数增长)。

近年来太阳能(11.480, -1.09, -8.67%)和风能的快速增长为全球减少温室气体排放和限制气候变化最危险影响的努力带来了希望。2010年,太阳能和风能加起来仅占全球发电量的1.7%。到去年这一比例已经攀升到8.7%——远远高于此前主流能源模型的预测。例如,2012年国际能源署预计2030年全球太阳能发电量将达到550太瓦时(TWh),但到2018年这一数字已经被超过。这些模型通常假设太阳能和风能的增长是线性的,但实际上的增长是指数型的。

基于可再生能源在过去的指数增长,我们有理由对其在未来达到气候目标的速度更加乐观。本文试图解读太阳能和风能增长背后的原因、已经取得了多大的进展,以及需要进一步做些什么。

壹 为什么可再生能源增长如此之快

成本下降是可再生能源爆炸性增长的最大因素。自2010年以来,太阳能光伏发电的成本下降了85%,陆上和海上风力发电的成本都降低了约一半。这两种可再生能源现在都具有与化石燃料电力相比的成本竞争力。由于规模经济和竞争性供应链等因素,可再生能源技术的应用越多,成本就越低。这些成本的下降反过来刺激了更多的应用场景。例如,在过去10年中全球太阳能发电量每增加一倍,安装太阳能发电的价格就下降了34%。由于可再生能源技术是模块化和标准化的,一个国家的成本改进或技术进步可以很快复制到其他地方。

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2000: Germany introduces Renewable Energy Sources Act.The act includes feed-in tariffs to incentivize renewables investment, electric grid priority for renewable electricity over conventional sources, and a 100,000 solar roofs program. As a result, Germany becomes an early leader in both solar and wind.2009: The U.S. and China invest big in renewable energy in stimulus packages.In response to the global financial crisis, the U.S. announces more than $30 billion in renewable energy tax credits, grants and loans. China provides credit for solar manufacturers and implements nationwide solar feed-in tariffs and subsidies. 2014: RE100 launches to bring companies together to implement renewable energy.Through this collaborative global initiative, hundreds of companies have committed to 100% renewable power targets and received technical guidance.2015: Solar photovoltaic costs reach cost tipping point.After falling nearly 70% in just five years, the cost of solar reaches $0.117/kilowatt-hour (2020 US$ equivalent), which is well within the range of being cost competitive with certain fossil fuel power. This had earlier been achieved by onshore wind power.2015: Solar and wind increase faster than fossil fuels.Spurred by costs declines and rising investments, for the first time in history there is more growth in solar and wind capacity than in fossil fuel capacity (calculated using BNEF data)2015: Signing of Paris Agreement and launch of International Solar Alliance.The Paris Agreement increases ambition for climate action and many countries include renewable energy in their climate plans. The prime ministers of India and France announce a new International Solar Alliance to promote solar energy among nations that have high solar power potential.2017: Investment in wind and solar reaches record $300 billion.Since then, it has stayed at approximately this level or a little lower. Even with steady levels of investment, the amount of capacity installed has continued to increase as efficiency gains and falling costs mean each dollar of investment leads to more capacity now than it did in the past.2018: 53 countries commit to 100% renewable energy.The number of countries with 100% renewable energy targets (either economy-wide or for specific sectors) continues to climb upward. On the subnational level, 247 cities and 33 states or regions have made 100% renewable energy commitments by this date.2020: Renewable energy remains resilient despite the COVID-19 pandemic.During the pandemic the global use of coal, gas and oil for electricity fell, yet renewable energy was resilient. Wind power grew 12% and solar power grew 23% in 2020, and are on track to set new records in 2021.2021: Renewable energy significantly undercuts coal.New solar and wind projects are not only cheaper than building new coal plants, they are cheaper than operating many of the cheapest and least sustainable existing coal-fired plants.

随着可再生能源越来越具有经济竞争性,其社会影响力不断扩大,并吸引了更多的资金。金融机构越来越熟悉可再生能源的技术和项目风险,资本成本已经降低。此外,大量证据表明,可再生能源的传播具有社会“传染性”——当一所房子安装屋顶太阳能时,看到并谈论它的邻居更有可能自己也安装屋顶太阳能。

政策支持对于可再生能源的增长也至关重要。可再生能源税收抵免和补贴、固定上网电价和竞争性拍卖都有助于降低成本。通过政策支持,中国、欧洲和美国已经成为太阳能和风能领域的领导者,全世界有165个国家制定了增加可再生能源的目标,全球600多个城市也都有100%的可再生能源目标。

贰 理解S曲线增长动力学

为了与1.5摄氏度的路径保持一致,可再生能源需要在2030年达到全球电力的55%至95%,在2050年达到98%至100%,让太阳能和风能占主导地位,其他可再生能源则起到补充作用。

达到如此高比例的可再生能源听起来令人畏惧,但当我们考虑指数增长的力量时,这是可望又可及的目标。2015-2020年间,太阳能和风能在全球发电中的市场份额以15%的复合年均增长率增长。如果继续以这种速度呈指数级增长,到2030年太阳能和风能发电量将达到发电量的45%,到2033年将达到100%。

如果是这样我们就可以高枕无忧了吗?不完全是这样。从历史上看,呈指数增长的技术具有“最高增长速度”——达到的最大增长率,持续一段时间,然后随着其接近100%采用率而放缓。这种模式称为S曲线。

《自然·能源》(Nature Energy)上的一篇新文章试图找出太阳能和风能增长的最高速度是多少,方法是观察那些走在前列的国家,以及那些已经达到太阳能或风能S曲线最陡部分的国家。研究人员发现,在太阳能增长率稳定在最高水平的国家,年平均增长率为总电力供应的0.6%,低于全球实现巴黎协定1.5摄氏度目标所需的1.4%的年增长率。在全球范围内,拥有成熟太阳能市场的智利是全球唯一最大增长率高于需求的国家。

与此同时,在陆上风电增长已稳定在最高水平的国家,该增长平均每年占总电力供应的0.8%,低于全球所需的1.3%的年增长率。只有少数拥有成熟风电市场的国家的最大增长率高于所需水平,包括爱尔兰、葡萄牙和巴西。这些的国家例子证明,如此快速的增长是可以实现的——但关键将是使得最大增长率并在全球范围内实现,而不仅仅是在某几个条件理想的国家。

叁 可再生能源在未来会发生什么?

尽管势头明显,但可再生能源的增长速度必须进一步加快,而具体需要加快多少仍存在很大的不确定性。下图说明了太阳能和风能如何达到将全球变暖限制在1.5摄氏度所需的气候目标的一个潜在途径。

各国需要提供更多的政策支持,以确保可再生能源的发展遵循S曲线,以足够快的速度增长以满足巴黎协定的目标。政府应为可再生能源的使用设定目标和要求。目前,这些措施在电力部门最为普遍,但也应适用于其他终端使用部门,如供暖和制冷、工业和运输。政府还需要增加电网的灵活性,以适应可再生能源,例如通过投资长距离输电线路和引入新的储能技术。

尽管存在需要克服的挑战,但非线性变化是一股强大的力量。如果我们回到10年前,能源专家会对今天实现的可再生能源成本下降幅度感到震惊,而且每年的新增装机量增加了4倍。

2030年我们会有多惊喜?这取决于我们今天做什么。

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