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能源转型展望:全球和区域预测2050

导读: 越来越多的太阳能光伏发电和风力发电装置的安装能力加剧了这种情况,能量损失可以忽略不计。

在接下来的三十年中,世界能源系统将变得更加清洁,更实惠,更可靠。了解这种能源转型对企业,投资者和监管机构至关重要。

DNV GL能源转型展望是什么?

战略工具

该年度展望基于DNV GL独立的世界能源系统模型,旨在帮助我们的客户分析师和决策者以及全球能源供应链中其他利益相关者组织的人员开发未来的战略选择。

我们的客户拥有并运营具有数十年有用寿命的资产,在此期间,世界能源系统将发生关键性变化。在现在和本世纪中叶之间的这种变化的边缘,我们认为评估业务战略并将现有计划和投资决策与我们准备的基于模型的预测进行比较可能是有益的。

我们的研究结果表明,我们所服务的行业面临着巨大的挑战和机遇,我们将在三个“行业影响”补充中进一步探讨这些挑战:

——石油和天然气

——海上

——电力供应和使用

由于这是一年度展望,因此需要不断完善,旨在不断提高其在自己的战略预测中使用它的准确性和相关性。 因此,随着我们整合新数据集并根据当代发展和改进的见解改进我们的模型,结果可能会逐年变化。

独立观点

DNV GL成立于150多年前,目的是保护生命、财产和环境。从那时起,我们在化石和可再生能源行业建立了稳固的基础,就像所有其他行业一样,我们的业务就是创造信任。 这一点,加上完全由基金会拥有,使我们能够独立和平衡地看待能源的未来。

作为一家公司,我们是100多个国家的全球领先的质量保证和风险管理服务提供商。 我们的两个主要业务领域分别关注石油和天然气,电力和可再生能源。然而,作为世界上最大的船级社,作为原油,液化天然气(LNG)和煤炭的海运能源运输也是我们的关键业务。 事实上,DNV GL约70%的业务与这种或那种形式的能源有关。

因此,本展望借鉴DNV GL在整个能源供应链中的广泛参与经验,涵盖了复杂的海上基础设施,陆上石油和天然气设施、大型和小型风能、太阳能、储能和能效项目、输电和配电网,以及海运化石燃料贸易。

DNV GL是一个以知识为主导的组织,通常将5%的收入用于研究和创新。本展望的核心模型开发和研究由我们公司技术与研究部门的专职能源转型展望团队进行。该团队依靠我们组织内约100名同事,以及我们在主要报告的开头页面中所承认的数十名外部专家。

我们最好的估计

我们从一开始就打算将DNV GL视为到2050年“能源最佳估计未来”的中心案例。这与基于情景的方法形成对比。 场景通常用于对比多种可能的未来; 例如,通过改变从当前能源混合转变为可再生能源主导的速度。 在不断增长的不同能源情景中,许多客户非常简单地问我们认为最可能的情况。 这是我们在这里提出的这个问题的答案。

前景如何衍生出来?

基于模型的

DNV GL设计了一个世界能源系统模型,包括全球能源需求和供应,以及十个世界区域内和之间的能源使用和交换。 其核心是一个系统动力学反馈模型,在Stella软件中实现。 该模型整合了整个能源系统 - 从源头到最终用途 - 并模拟其组件如何相互作用。

该模型包括能源的所有主要消费者(建筑物、工业、运输和原料)以及所有能源供应(图1)。 在几个部门中,该模型使用基于成本订单成本的算法来推动能源的选择。因此,每种能源的成本随时间的演变是至关重要的,并且考虑了学习曲线的影响。人口和经济增长是该模型中能源系统需求方的两个主要驱动因素。

说明我们未在模型中反映的内容也很重要。我们没有明确的能源市场,需求和供应决定价格; 我们的方法集中在能源成本上,假设从长远来看,价格将跟随成本。 我们也没有纳入可能彻底改变能源需求或供应的政治不稳定或破坏性行动,接受构成“破坏”的东西是主观的。例如,我们的EV吸收模型假设在达到成本平价时电动汽车(EV)的份额非常快速增长,并伴随着S形增长。价格影响未来需求的反弹效应在我们的模型中得到了一定程度的覆盖。

能源转型展望:全球和区域预测2050

模型输入

区域差异

我们发现,不仅要产生全球视野,还要探索区域能源转型,包括区域间能源贸易关系,这是有意义的。这为任何像我们自己一样在国际上运营的公司提供了必要的见解。

10个区域中的每个区域(图2)中包含的国家通常具有一些能源特征。除了一个案例 - “经合组织太平洋”,其中包括日本、韩国、澳大利亚和新西兰,地理连续性预示我们选择的地区。

能源转型展望:全球和区域预测2050

未来的经济增长预测

未来国内生产总值(GDP)受人口和生产率增长的推动,是能源需求的关键驱动因素。

能源预测通常将全球人口作为出发点,他们的预测通常依赖于联合国经济和社会事务部每两年出版的“世界人口前景”。

然而,联合国因未充分考虑国家特定教育水平而受到批评; 这些数据与未来的生育率和死亡率趋势相关。因此,我们更倾向于国际应用系统分析研究所(IIASA)在奥地利维特根斯坦人口和全球人力资本中心使用的方法,该方法特别考虑了城市化和教育水平上升与生育率下降的关系。

使用IIASA模型,但调整了撒哈拉以南非洲的教育更新和人口增长速度,这一点落后于其他地区的社会经济发展,使我们在2050年的全球人口达到92亿。 这比2017年联合国中位数预测低约6%。 在敏感性测试中,我们还使用联合国低人口和中位数人口预测来运行我们的展望。

随着世界各地区的发展,它们首先进入一个主要经济活动阶段,如农业,然后是工业化阶段,最后服务业占主导地位。 通过这些阶段,生产力提高的潜力减弱。 因此,虽然我们看到一个更加繁荣的未来星球,但所有地区的生产力增长都将放缓。人口增长放缓和生产率快速扩张的双重影响意味着全球GDP的增长也将减速。

到本世纪中叶,即使是今天快速发展的新兴经济体也将经历较慢的增长,因为它们的经济逐渐脱离工业化并变得更加以服务为导向。

然而,到本世纪中叶,世界仍然有望超过其经济规模。 我们自1980年以来经历的约3%/年的历史增长率预计将持续到2030年,之后在2050年降至约2%/年。

我们对全球GDP的预测与麦肯锡和普华永道最近的预测一致。 国际能源机构(IEA)和BP预测到2050年全球经济发展将会更高,这也是他们预计能源使用量增长超过我们预测的原因之一。

学习曲线效果

“学习曲线”概念背后的前提是,由于与市场部署和持续研发相关的更多经验,专业知识和工业效率,每增加一倍的装机容量,技术成本就会降低一个固定的比例。

风能和太阳能光伏发电(PV)在过去二十年中显示出显著的成本降低和市场增长。 对于风能而言,历史成本学习率为每翻倍18%,我们预计在预测期内这一比例将略微下降至16%。此外,至少在未来十年,我们会考虑对新产能进行重大但区域不均衡的公共部门补贴。 对于PV,学习率一直是18%,我们预计这将持续并降低新装置的成本,接受随着装机容量增加,随着时间的推移,倍增率将随着成本的降低而减缓(图3)。

值得注意的是,对于可变可再生能源占主导地位的系统,2040年后的几个地区就是如此,存储容量将至关重要。在我们的预测中,我们通过在可再生能源装置开始占据主导地位时增加存储成本来解释这一点,这在几个地区的2050年即将发生。

电池储能的学习曲线预计至少与风能和太阳能相匹配; 在我们的模型中设置为17%。 因此,我们预计到2024年内燃机车辆(ICEV)和电池电动车辆(BEV)之间的车辆价格/性能平等。

在可预见的未来,电动汽车基础设施以及风能和光伏发电的激励措施将继续 - 尽管正在稳步降低水平。但是,经过一两年,根据地区的不同,我们看到能源转型获得了自我强化的动力。这将是相互作用的成本和技术动态的主要结果,使低碳解决方案能够自立。

在未来的几十年里,各种力量将会起作用。根据一个国家的自然资源基础,现有的能源系统结构和现有技术,将有各种政治框架和政策措施来实现气候或其他政策目标和能源系统变革。并非所有政策都会寻求推动变革; 粗略看一下碳定价的历史就足以显示出对立的力量。实际上,我们的预测假设碳定价方案的实施仍然很困难,因此在2050年之前,任何地区的价格通常都可能保持低水平且不超过60美元/吨二氧化碳(以今天的货币计算)。

能源转型展望:全球和区域预测2050

2018年能源转型展望结果

1、需求

我们预计到2050年全球最终能源年度总需求量将达到450 EJ,而2016年为400 EJ。需求在2035年达到峰值,每年470 EJ(EJ /年),然后在本世纪中叶略有下降。 在高峰期之前,需求每年以0.9%的速度增长,但由于能源效率提高和电气化以及人口和生产力的持续但缓慢增长,这一速度正在缓慢下降。

乍一看,最终能源需求图表(图4)在主要需求类别中看似稳定。交通运输显示出初期增长,但在2020 - 2030年期间每年约为120 EJ,之后到2050年每年下降到90 EJ,因为道路子行业的大规模电气化实现了。我们的分析表明,EV的采用将遵循S形曲线,描述技术创新的扩散-其中包括平板电视近十年的快速采用,或上个世纪,从螺旋桨到喷气发动机的快速转变更大的飞机。我们的需求曲线中的制造业部门首先增长,后来趋于平稳,而建筑物的能源需求在整个预测期内继续缓慢增长。

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运输

总运输需求从今天的110 EJ增长到2026年达到118 EJ,然后在2050年减少到90 EJ,从目前的总能源需求的27%下降到2050年的20%。

公路运输主导着交通能源的使用。所有新出售的轻型汽车(即汽车)中有一半是电动汽车的时间点,欧洲为2027,北美为2032,经济合作与发展组织太平洋,大中华区和印度次大陆,2037为世界其他地区(图5)。全球销售的所有新车中有一半是电动车的年份是2033年。变化的步伐取决于成本的下降。近期重型汽车电气化的快速发展-尤其是公交车和城市市区-导致电力的快速增长,并且在2030年之后欧洲和大中华区达到80%的最大模拟吸收量的一半,随后五年北美和经合组织太平洋地区亦达到此数值。到本世纪中叶,氢可能占据这个市场的一小部分。

我们预计到2020年海运业的增长将恢复。尽管船队数量不断增加,但由于发动机效率提高,船体设计先进,蒸汽排放方式缓慢,以及整个船期的运输能源需求相对平稳,每年11至13 EJ,新船体涂料均可提高效率。为了满足国际海事组织到2050年实现50%绝对排放量排放的新要求,航运中的燃料组合发生了巨大变化。到2050年,生物燃料将占据主导地位,其次是石油和天然气,对一些短海航线船只进行电气化并适度使用氢气。

虽然预计航空业的规模将大幅增长,但更高效的飞机设计和发动机将实现能源需求在2030年基本持平,其中生物燃料占燃料组合的40%。我们预计到2050年,航空旅行的电气化仍处于起步阶段。铁路电气化将继续,但铁路仍然是一个小的子行业。

能源转型展望:全球和区域预测2050

建筑

2016年,建筑物消耗了世界能源的29%,达到114 EJ /年。这一份额每年将增长0.5-1%,预测期开始时增长更为强劲。到2050年,建筑物的总能耗将达到145 EJ /年(图6)。建筑类别的子行业的能源使用可能会发生重大变化-即空间供暖、空间制冷、水加热、烹饪、家电和照明。发展中国家的城市化和农村电气化将导致家用电器和照明以及空间制冷的能源需求大幅增加。即使空间供暖所产生的能量将保持相对稳定,并且尽管在发展中国家转向使用天然气和电力烹饪可以节省能源,但这种需求的增长将会发生。工业和社会的持续数字化将使数据中心和计算机的需求增加,但到2050年,这将仅占建筑能源需求的3 EJ或2%。

制造业

制造业的能源需求将以每年1.1%的速度增长,达到2039年的160 EJ,然后在2050年略有下降。与全球和地区GDP增长以及第二产业规模的区域变化相关,全球基础材料产量将增加68%,从29亿吨增加到510亿吨,而制成品重量增长130%,由预测期内从13亿吨到300亿吨。

由于提高了能源效率和增加了回收利用,制造业的能源需求增长缓慢,甚至在2040年后稳定下来。煤炭和电力作为能源载体迅速取代煤炭。尽管如此,即使在后来的几十年中,中国和印度对煤炭的依赖也意味着转型将会放缓; 而且,鉴于它们的规模,这两个经济巨头影响着全球的形势。 尽管中国的高等教育或服务经济有了显着增长,但这将有助于扭转整体增长趋势。

包括润滑油和塑料,沥青和石化产品原料在内的非能源使用部门目前消耗能源的8.8%,其份额将在预测期内缓慢减少至2050年的6.6%。最后一类标记为“其他”,分为农业,林业,军事和其他一些较小的类别。

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2、供应

我们的预测表明,供应方面的供给更加活跃。随着工业和社会的电气化加速,到2050年主要的供应结构随着太阳能光伏和风能的注入,以及煤炭,石油和后来的天然气的减少而急剧变化。

电力

所有需求类别都有强劲的电气化,我们预测全球电力供应将从2016年的每年25 PWh /年迅速上升160%至2050年的66 PWh /年,从而增加其总需求份额从19 %到45%。

我们的模型允许所有潜在的电力源在成本上进行竞争,这意味着可再生能源也相互竞争。 可再生能源将日益成为世界发电的主导地位-到2050年,太阳能光伏发电占40%的份额,风电占29%(图7)。80%的风电将在陆上,但海上风电也将成为重要的发电源。利用这种大量可变功率,电力网络系统的稳定性将变得至关重要。对具有增强的连接性,灵活性,存储和需求响应的综合电力系统的需求将变得更加明显,并且是我们在电源和使用补充中广泛讨论的主题。 动力煤电站的电力将在2020年后达到峰值,燃气发电也将在2035年达到同样的效果。

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碳氢化合物高峰

从电力到整个能源系统,我们预计一次能源供应会发生巨大变化(图8)。 石油和煤炭目前分别占全球能源供应的29%和28%。

石油将在20世纪20年代达到顶峰,天然气将在2026年通过石油成为最大的能源。 全球一次能源供应的化石份额将从目前的81%下降到2050年的50%。生物质和水力发电在整个预测期内将缓慢增长,但核能将在2030年代中期首先增长并达到峰值。在整个预测期内,太阳能和风能将迅速增加,分别占2050年世界一次能源供应的16%和12%。在一些地区,氢气无论是用于运输用途燃料电池还是用于天然气供应的,正在进入能源结构,但我们预计吸收率会很低,到2050年仅占能源组合的0.5%。

因此,随着碳氢化合物达到峰值,全球能源使用的排放将达到峰值,如图9所示。2016年至2050年化石燃料燃烧的累积碳排放量为972亿吨二氧化碳。

能源转型展望:全球和区域预测2050

3、能源效率

能源效率是能源转型的一个重要特征。我们的展望表明,能源系统的快速变化与能源效率的大幅度变化有关。 世界能源强度-单位GDP的能源单位-在过去二十年中平均每年下降1.1%。我们估计这将增加一倍,平均每年减少2.3%。主要原因是能量系统的加速电气化,正如上所述。简而言之,使用电力而不是化石燃料效率更高,热量损失更低。

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