与时间赛跑：模拟全球向可再生能源技术的转型

《Energy Research & Social Science》：Racing against the clock: Modeling the global transition to renewable energy technologies

全球能源转型中可再生能源（SWET）与化石燃料（CGET）的竞争关系研究，基于创新扩散模型分析75个国家数据，发现转型进程缓慢且存在显著区域差异，多数国家2030年前难以实现SWET与CGET parity，地缘政治冲突和资本分配障碍加剧不确定性。

　　

亚历山德罗·贝西|玛丽安杰拉·圭多林|皮耶罗·曼弗雷迪

意大利墨西拿大学经济系

摘要

在联合国首次关于全球气候变化的缔约方大会（COP1）召开三十年后，全球能源行业仍然依赖化石燃料，而在大多数国家市场中，低排放或零排放的能源来源难以占据主导地位。尽管2023年太阳能和风能技术（SWET）的持续增长得到了证实，但碳排放和气候限制仍在增加，这表明实现净零排放的道路仍然充满挑战。我们的分析使用了创新扩散模型，以提供当前SWET与其主要化石燃料竞争对手（即煤炭和天然气能源技术（CGET）在75个最大能源消费国中共同演变的最新视角。基于模型的证据表明，能源转型在取代传统化石燃料方面面临困难，因此很难将其视为一种全球性趋势。重要的成就主要集中在少数几个地区，表明这一过程并不均衡，仍存在许多障碍，需要公共支持和国际合作。

引言

国际合作的不足威胁到国际商定的能源目标不足以限制全球变暖。根据最新的《排放差距报告》，即使实施所有COP21国家自主贡献（NDCs）中概述的缓解计划，到2050年，全球气温仍可能超过工业化前水平$2.°\text{℃}$ [1]。2024年，将全球变暖限制在1.5°C的剩余碳预算约为200吉吨（Gt）的。考虑到人为活动每年产生的约41 Gt的（其中能源部门就产生了38 Gt），这一阈值将在不到5-6年内被达到[2]，[3]，[4]。由于国际紧张局势的加剧，如持续的俄乌冲突以及刚果民主共和国稀土矿藏的内战，导致财政资源枯竭和政治辩论转移，快速脱碳的努力更加困难。正如刘等人[5]所指出的，虽然地缘政治紧张局势可能会引发化石燃料价格的显著波动，从而间接促进可再生能源（RE）的普及，但同时也增加了能源转型的脆弱性，因为这阻碍了资本向RE项目的分配。此外，社会文化和经济障碍仍然存在，削弱了及时转型的前景[6]，[7]，[8]。

为了标志着排放增长的转折点，必须促进低排放或零排放能源技术的采用，提高建筑、工业和交通领域的能源效率，实现绿色氢的大规模生产，扩大工业领域碳捕获与储存（CCS）的规模和可行性，并推动重新造林和再生农业的发展，以及可持续文化的建立[9]。这些挑战代表了我们这个时代一些最重要的关键扩散 [10]，其部署嵌入在一个复杂且高度互联的社会经济系统中。其中，太阳能光伏板和风力涡轮机的广泛部署是当前和未来脱碳努力的核心。与其他新兴的可持续创新（如绿色氢、海洋能和地热能）相比，这些技术在技术和经济上都具有成为化石燃料技术有竞争力和可扩展替代品的潜力[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。然而，要实现可持续性条件，仅靠大规模采用太阳能和风能技术（SWET）可能还不够，还需要同时快速、持续地淘汰高排放源。除了准确评估可再生能源的采用情况外，评估和监测这种增长在多大程度上取代了化石燃料也至关重要。

然而，这种替代效应仍需在全球范围内发生，因为电力需求的快速增长一直快于可持续能源的发展[4]，[16]。这与过去的能源历史一致，因为新能源的出现从未阻止过旧能源的持续存在（甚至扩张）[4]。基于此，整个能源转型的概念与能源增加现象重叠[17]，即新技术的出现允许市场持续扩张。虽然这种全球趋势似乎无可争议，但在国家、次国家和地方层面仍存在显著复杂性，替代过程已经在这些层面进行中。不同国家在各种能源来源的生命周期阶段出现的显著差异反映了每个国家的独特能源优先事项、历史投资和不断变化的政策环境。由于燃煤发电厂在某些地区的使用量明显下降，而在其他地区却持续强劲增长，这突显了当地资源可用性、政治承诺和社会经济目标如何塑造能源优先事项[18]。

并非所有的能源转型都以相同的方式发生和表现。正如范登伯格和奥斯特豪斯[19]所讨论的，能源转型在结构、经济和制度转型要求方面可能存在显著差异，从而可以区分重大、中间和次要转型。根据他们的观点，当前全球对能源生产和利用方式的深刻修订需求，加上应对气候变化威胁的紧迫性，可能将当前向可再生能源的转型列为全球能源格局中的重大变化之一。这就提出了一个问题：在如此短的时间内，如何以及通过什么手段实现向可再生能源的转型，因为其他中间转型需要几十年甚至一个世纪的时间[20]，[21]，[22]。回答这个问题需要一个全面的视角，超越技术考虑，更广泛地理解创新在社会中的采用和整合方式。大多数当前的研究未能达到这一视角，而是将重点放在区域分析、技术改进、跨部门整合和政策相关性上[23]。另一方面，像国际能源署（IEA）[16]这样的大型国际能源组织提供了关于能源转变现状和前景的全面分析和预测。然而，这些预测并未明确量化SWET的扩散率，也未评估它们与现有（化石）能源的动态互动。

基于这些考虑，我们的研究利用创新扩散模型提供了对当前全球能源转型前景的新颖、基于模型的评估。为此，我们关注能源转型的核心动力，即用可再生能源替代化石燃料生产电力，这种互动是当前和未来脱碳前景的核心。我们通过煤炭和天然气（CGET）与太阳能光伏和风能技术（SWET）之间的竞争动态来进行分析，将两者视为一个合作的、整合的能源系统。该分析涵盖了所有可再生能源已经度过发展阶段并成为现实的国家[24]，包括75个国家，占全球当前可再生能源消费量的99%[25]。分析得到了聚类分析的支持和监督，旨在识别所考虑国家中化石燃料和可再生能源使用的共同模式。本质上，我们的论文旨在回答两个相互关联的研究问题：$1$。是否可以在各国之间识别出化石燃料和可再生能源使用的共同特征，从而建立“能源俱乐部”？$2$。基于对这些国家的分析并使用双变量扩散模型，是否可以估计化石燃料和可再生能源使用之间的显著竞争关系？

本研究遵循了Guseo和Mortarino[26]以及Guidolin和Alpcan[27]提出的概念化，其中能源创新系统作为市场产品竞争市场份额。为全球范围内绝大多数SWET发展努力所涉及的50个国家提供了基于模型的评估和预测。本文的其余部分按以下结构组织：第2节回顾了能源转型辩论的主要贡献。第3节介绍了本研究使用的数据和方法。第4节和第4.5节分别概述了模型结果和CGET-SWET预测。第6节提出了结论性意见。

部分摘录

背景：能源转型的异质性和相似性

能源转型从来都不是快速或简单的过程，因为社会需要时间来适应[22]。相反，这是一个共同演化的过程，新的能源技术以及社会、经济和制度结构相互发展并适应。这一过程通常需要共同努力，将新兴能源整合到现有系统中，包括调整基础设施的兼容性、遵守监管和经济框架，以及争取

数据和方法

在本节中，我们描述了CGET和SWET的数据库以及分析中使用的方法。后者包括用于对国家进行分组的聚类技术以及扩散模型及其统计技术。

分析计划

在本节中，我们首先使用聚类程序根据能源矩阵的主要维度对具有可再生能源数据的全球国家进行分组。聚类分析有两个目的：（1）根据CGET和SWET之间的消费情况识别能源俱乐部；（2）监督后续的基于模型的分析。接下来，我们将展示扩散建模的结果。该分析是在对选定国家进行聚类的基础上进行的

讨论

出于迫切需要了解全球能源转型的当前前景，本研究使用创新扩散模型分析了主要可再生能源技术（太阳能光伏和风能，SWET）与其关键化石燃料竞争对手（煤炭和天然气，CGET）之间的竞争趋势。分析借助了基于2022年各国能源矩阵关键特征的全球国家聚类来进行

结论性意见

当前的全球能源转型是对全球气候变化这一多维威胁的主要政策响应，这种变化可能带来毁灭性的社会经济和健康影响[83]，[96]，[97]，[98]。因此，向低碳社会转型的潜在好处远远超出了GCC缓解措施的范围。在越来越多的经济体中，可再生能源表现出显著的增长，并遏制了化石燃料的趋势，证明了这是正确的路径

CRediT作者贡献声明

亚历山德罗·贝西：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件开发，方法论研究，数据管理，概念化。玛丽安杰拉·圭多林：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，方法论研究，资金筹集，概念化。皮耶罗·曼弗雷迪：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，项目管理，方法论研究，资金筹集，形式化分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢该期刊的五位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见极大地改进了手稿。适用常规的免责声明。

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。