电力生产脱碳的经济学（英）2024

电力生产脱碳的经济学 格奥尔格施韦尔霍夫WP24213 国际货币基金组织工作描论述文研究在作者（们）的进步并由出版社发布激发评论并鼓励辩论。 国际货币基金组织（IMF）工作论文中表达的观点那些作者（们）的，并不一定 代表国际货币基金组织（IMF）及其执行董事会的观点或国际货币基金组织管理。 2024 OCT 2024国际货币基金组织WP24213 国际货币基金组织工作论文研究部 电力生产脱碳的经济学 格罗格施韦霍夫 授权由FlorenceJaumotte分发，2024年10月 国际货币基金组织工作论文描述作者（们）正在进行的研究，并公开发表以征求评论并促进辩论。国际货币基金组织（IMF）工作论文中表达的观点为作者（们）的个人观点，并不一定代表IMF、其执行董事会或IMF管理的观点。 摘要：电力生产是全球排放量最大的行业，并且有许多实现脱碳的选项。确定实现脱碳（以及全面可靠性）的最低成本选项是一个复杂的优化问题，它位于经济学和工程学的交汇点。关键决定因素包括个别技术的成本 、地理潜力、能源来源与支持基础设施（如电网和能源存储）之间的互补性。本文回顾了该主题的文献，并从大量的专门分析中得出高级结论。研究发现，能源经济模型在近年来强烈改变了最佳电力混合比例的预测。虽然模型在细节上有所不同，但模型预测，在“低于2C”情景下，可再生能源（主要是太阳能和风能）的比例将稳步增加，并在2050年成为能源的主要来源。基于太阳能和风能的电力系统可以使用灵活性选项作为基荷能源的补充。模型在可再生能源受碳捕获和存储、生物质能和核能支持的程度上有所不同。 JEL分类号： Q42Q43Q47 关键词： 能源转型；能源经济建模；气候政策 作者电子邮件地址： gschwerhoffimforg 国际货币基金组织，gschwerhoffimforg 工作论文 电力生产脱碳的经济学 由GregorSchwerhoff编制 目录 1引言3 2电力组合 21历史趋势5 22模型预测6 23区域差8 24随时间发展8 25100可再生电力？10 3低碳电力生产类型11 31太阳能和风能12 32水能和地热能13 33碳捕集与封存13 34生物燃料14 35核能14 36核聚变15 4成本作用15 41能源来源的相对成本1642能源系 统成本17 5灵活性选项18 51供应灵活性18 52网络扩展18 53需求灵活性19 54能源存储19 6结论20 参考资料22 附录：第二节背景信息29 1引言 经济学家在提供能源转型政策建议方面扮演着关键角色。他们的重点通常在于设计政策工具以促进低碳能源选择。然而，经济学家越来越多地面临有关在低碳世界中将使用哪些能源来源的问题。实现能源使用的脱碳的一个重要方面将是电力的日益增加使用，从而建立一个成本效益高且稳定的低碳电力系统。电力生产产生了全球排放的大量份额，使电力行业的脱碳成为宏观经济政策优先事项。在气候和能源经济学交叉领域有大量的分析可供参考，这些分析提供了关于如何实现电力生产脱碳的见解。然而，这些分析分散在许多出版物中，其中只包含了拼图的一部分。 本文旨在向一般经济学家介绍如何对电力系统如何实现脱碳进行建模。本文的主要贡献是将高度专业化的研究出版物中分散的信息汇总在一起。它将相关概念的简要介绍与最新的研究成果相结合。第二个贡献是，它确定了最先进能源经济模型中的共性和差异，并基于技术趋势对其进行解释。最后，本文独特地将当前模型结果与以往结果进行比较，以记录并解释关于最佳脱碳策略的结果发生的重大转变。 太阳能和风能已成为那些在电力平准化成本（IRENA2023；Way等，2022年）方面成本最低的技术。然而，太阳能和风能是间歇性的，这意味着由于无法控制的因素，它们并非持续可用。这引发了一个问题：一个国家可以依赖这些技术到什么程度，以及需要哪些投资来稳定电力系统。也可以问，像碳捕集与封存（CCS）、核能和生物质能这样的替代方案，是否可能从系统角度来看是更优的选择。 关键资源以预测电力系统未来发展的工具是综合评估模型（IAMs）。1他们根据成本、电网稳定性、排放和技术特定的技术潜力来确定最优的电力系统设计。这些模型由研究机构中的建模团队经过多年开发和完善。这些模型获得政府资金，并定期在同行评审的期刊上发表他们的研究结果。此外，这些模型被用于全球对科学共识的评估，如政府间气候变化专门委员会（IPCC）和绿色金融网络（NGFS）的报告。最近的IAM模型结果在不同模型 、情景和地理范围之间存在差异，但它们的结果具有一些重要的共同特征。首先，电力生产依赖于多种技术的混合。其次，在实现温度目标的情景中，可再生能源的份额随着时间的推移而增加，到至少2050年成为主要的能源来源。第三，可变可再生能源（VRE）的使用，主要是太阳能和风能，通过网络扩展和储能等灵活性选项得到补充。这些观点中的第一和第三强调了模型真实地反映了电力系统的复杂性，并承认了扩大太阳能和风能所需的互补性。 1更具体地说，本文依赖于基于过程的IAMs，这些模型通常用于提供未来气候变化预测的排放情景，并评估有效的缓解 。这与将简化的社会经济模型与气候模型完全集成的成本效益IAMs不同。有关IAMs类型的更多信息，请参阅httpswwwiamconsortiumorgwhatareiams 观察指出，综合评估模型（IAMs）将太阳能和风能识别为主要扩大电力生产的选项，这是一个非常新的发展。本文表明，直到最近，IAMs在碳捕集与封存（CCS）方面的份额要大得多。 核能在电力生产脱碳预测中，以及生物质能。这表明模型原则上允许大量脱碳选项。它还显示了最近的技术发展。 多年已根本改变了未来电力生产的展望。变革的一个驱动因素是价格的变动。 太阳能和风能的下降，这是专家们未曾预料到以如此速度的发展。变革的另一个驱动力是灵活选项的发展。电池的成本经历了与成本下降相似的成本下降。 对于太阳能和风能。此外，许多其他灵活性选项的技术也已变得竞争性。 近期关于能源系统的研究提供了两个额外的见解。首先，结合太阳能和风能是所有世界地区实现电力脱碳的最佳选择（尽管一些国家可以通过水能和地热能生产大部分电力）。IAMs模型涵盖了11至32个世界地区，并反映了各地区的许多特定特征。这些特定特征包括可再生能源的特定地点潜力及其变化性，以及现有的能源组合和其他因素。因此，不同地区的电力组合看起来非常不同。同时，在各个地区的脱碳情景中，太阳能和风能是最重要的能源来源。第二个新的见解是，关于电力生产是否可以完全依赖可再生能源的问题已经失去了相关性。一些研究小组多年来一直主张电力可以100来自可再生能源。然而，大多数研究小组在脱碳情景中只包括了少量可再生能源。现在，结果趋于一致，最杰出的研究小组预计到2050年将有超过90的可再生能源。因此，是否能够达到100的完全可再生能源已成为一个更具学术性的问题。然而，这些预测只显示了一种可能性。要继续近年来在太阳能和风能发展方面取得的成功，需要付出专门的努力。 能源经济模型，包括IAMs，借鉴了大量关于能源来源的研究结果。我更深入地审视了三组研究结果。第一组研究结果是关于不同脱碳选项的关键特征。例如，最近的研究已经细化了对碳捕获和封存（CCS）的存储能力、生物燃料的可持续性和水力发电潜力的理解。第二组结果是关于脱碳选项的成本。这包括个别能源来源的成本和构建一个功能系统的成本。第三组是用于补偿太阳能和风能变化的灵活性选项。根据文献，它们被分类为供应灵活性、电网扩展、需求灵活性和能源储存。 本文是一篇文献综述，结合了从前未公开发表的情景数据库中的数据展示。2因此，相关文献的讨论是本文的主要内容。然而，有一些多少有些相似的研究出版物，它们比较了最先进的能源经济模型的建模结果。能源建模论坛的研究结果通常发表在概述文章中（Bhringeretal2021），这些文章比较了几个模型的建模结果。同样，IAM社区定期发布建模结果的比较（Hickmannetal2022；Guivarchetal2022；Ludereretal2022）。然而，这些出版物集中于非常具体的话题，而不是广泛的全球趋势。关键的相关文献包括那些明确讨论如何将可再生能源整合到电力组合中的进展在能源经济模型中反映的论文（Pietzckeretal2017；Ueckerdtetal2017 ）。本文基于这些出版物，并得出政策相关的结论和更通俗易懂的概述。 2数据库从同行评审的出版物中收集数据。虽然这些出版物侧重于新颖但通常非常详细的内容，本研究的依据则是提供概述的据。 第二部分概述了能源经济模型如何预测电力生产的最佳脱碳方案。第三部分讨论了研究中的主要成分：不同的脱碳选项及其主要特征。第四部分从个体和系统两个角度概述了不同选项的成本。第五部分介绍了将太阳能和风能集成到系统中的最新灵活性选项研究。第六部分得出结论。 2电力结构 有许多选项可以实现电力系统的脱碳。确定哪些选项以及使用何种程度需要模型分析。能源经济模型确定电力系统在多个约束条件下的最低成本。这些约束条件包括每种能源的自然限制（或潜力）。例如，水能和地热能仅限于有限的量。另一个约束条件是可以用于生物燃料的土地数量。3生产，考虑到食品生产和自然保护的需求。在本节中，我们展示了几个模型的结果，这些模型被用于发表在顶级同行评审期刊上的文章，也用于NGFS和IPCC。 21历史趋势 在我们讨论预测之前，让我们先考虑最近的发展情况。太阳能和风能的份额正在指数级增长，请参见图1的左侧面板。从煤炭、核能和石油产生的电力的份额正呈下降趋势。到2023年，全球年度可再生能源新增容量增加了近50（IEA2024）。通过高比例的水力发电，埃塞俄比亚、冰岛、尼泊尔和巴拉圭已经实现了100的可再生能源组合。4德国、希腊、爱尔兰、荷兰、西班牙和乌拉圭在2023年已从太阳能和风能中获得了超过37的电力混合，但仍被丹麦和立陶宛超越，后者分别从太阳能和风能中获得了67和57的电力。在这八个国家中，太阳能和风能的份额正在急剧增加。因此，这些国家证明了高比例的太阳能和风能是可行的。 在图1的右侧面板中，可以直观地展示出太阳能和风能在量化层面上变得多么相关。该图显示了每年总电力发电量的年度增长与太阳能和风能年度增长的对比。太阳能和风能的生产增长稳步接近总电力发电量的趋势线。如果这一趋势持续下去，太阳能和风能的生产量可能会很快超过电力生产总增长。一旦发生这种情况，其他能源资源将不得不经历产量的净减少。到2022年，电力容量新增的86都是可再生能源，这一比例逐年上升（Mitri等，2023，第14页）。 3生物燃料包括作物和非食物植物。请参阅第34节以获取相关讨论。 4这些国家在电力产量方面差异很大。特别是埃塞俄比亚，电力产量非常低。这里的要点是，在全球电力结构中实现高比例的 生能源，将得益于世界各地各种可再生能源。在埃塞俄比亚，就像在撒哈拉以南非洲的其他国家一样，预计可再生能源将在电力容量的进一步增长中发挥重要作用（Cai等人，待出版）。 图1：全球电力生产趋势 全球电力生产燃料份额，19852022（百分比） 电力生产，来自太阳能、风能和总发电量，单位为太瓦时（TWh） 来源：能源研究所，《2023年世界能源统计评论》来源：httpsemberclimateorgdatacatalogueyea yelectricitydata 22模型预测 模型对全球电力结构预测差异很大，但也有一些重要共性。图2展示了四个例子。前三个例子中数据从NGFS第四阶段情景数据库下载。5TheNGFSemploysthreeIAMsforfurtherdetailsrefertoTableA1intheappendixTheGlobalChangeAssessmentModelGCAM60wasdevelopedbytheJointGlobalChangeResearchInstituteintheUnitedStat