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全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 作者列表张强，清华大学地球系统科学系教授同丹，清华大学地球系统科学系助理教授 Steven J Davis，加州大学欧文分校地球系统科学系教授关大博，清华大学地球系统科学系教授徐若翀，清华大学地球系统科学系博士生覃馨莹，清华大学地球系统科学系博士生闫柳，清华大学环境学院博士后陈翠红，清华大学地球系统科学系博士生编辑蔡慈澜王肖阳孙茹装订设计王义强引用方式全球能源基础设施排放数据库工作组（2021）.“全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021”，清华大学碳中和研究院，北京，中国文中部分图片来自 pixabay / unsplash 执行摘要 4 第一章引言 10 第二章全球主要能源基础设施发展现状 14 2.1 电力行业 15 2.2 钢铁行业 20 2.3 水泥行业 25 2.4 道路交通 30 第三章全球能源基础设施碳排放及驱动因素 32 3.1 电力行业 33 3.2 钢铁行业 38 3.3 水泥行业 43 3.4 道路交通 49 第四章能源基础设施碳锁定效应及绿色转型 50 4.1 能源基础设施碳锁定效应及对全球气候目标的影响 51 4.2 能源基础设施低碳转型挑战 56 4.3 疫情影响及绿色复苏机遇 58 4.4 能源基础设施绿色转型 60 附录 62 参考文献 66 Table of Contents 目录 -4- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 当前全球经济发展高度依赖化石能源，电力、钢铁、水泥、石化、油田、煤矿、交通运输等开采、生产和消耗能源的基础设施（以下简称“能源基础设施”）排放大量温室气体和大气污染物，对气候、环境和健康造成严重影响。能源基础设施的寿命往往长达几十年，当前新建的基础设施在未来会产生大量碳排放，产生碳排放锁定效应，对低碳能源转型和巴黎协定目标造成严重威胁。在应对气候变化背景下，全球能源基础设施在未来几十年内将面临剧烈转型挑战，其转型路径及转型过程中的气候环境影响是科学家和决策者共同关心的重大问题。在这一背景下，由清华大学碳中和研究院、清华大学全球变化研究院和能源基金会支持，全球能源基础设施排放数据库工作组发起并组织相关专家学者完成了全球能源基础设施碳排放及锁定效应研究报告，旨在以单个设施为研究对象，建立从设施层面追踪全球能源基础设施排放的新方法，进而识别能源基础设施在低碳转型过程中面临的主要挑战并提出治理思路，为推动全球化石能源低碳转型贡献中国智慧。报告以全球能源基础设施排放数据库（ Global Energy Infrastructure Emissions Database，简称 GID， http//gidmodel.org. cn）中超过十万个产耗能基础设施信息为基础，追踪全球火电、钢铁、水泥行业和机动车等主要能源基础设施在过去三十年的发展历程，分析全球及主要新兴经济体能源基础设施碳排放变化及驱动因素，并在此基础上探究其碳排放锁定效应和对实现全球气候目标的影响，识别全球能源基础设施在绿色转型进程中面临的挑战并提出政策建议。执行摘要 -5- 执行摘要火电、钢铁、水泥和陆地交通运输均是支撑全球社会经济发展的基础行业和部门，近三十年得到快速发展。除全球水泥行业产能自2015年以来基本保持稳定以外，全球火电和钢铁行业近年来依然保持增长态势，机动车保有量快速增加。新兴经济体国家是上述主要能源基础设施增长的最大驱动力，贡献了全球大部分新建产能。能源基础设施的快速增长有力推动了行业技术进步，但大量新建基础设施导致全球火电、钢铁、水泥行业当前设备服役年限均偏低，对未来低碳转型带来压力和挑战。近三十年来全球火电行业总体发展迅速，全球火电总装机容量从1990年的1774 GW增加到 2020 年的 4229 GW，机组数量从 3.7 万个增加到 8.4 万个。在火电迅速增加的背景下，当前全球火电机组年龄结构偏年轻，2020 年火电机组平均服役年限约为24年，其中服役年限在10年以内的新机组占比达到 33，而服役年限在 40 年以上的老旧机组占比只有16。煤电依然是全球火电行业主力，2020年全球煤电装机容量约占火电总装机容量的50，而天然气发电和燃油发电分别占 38 和 10。技术水平进步推动单机装机容量稳步提升，全球平均单机燃煤装机容量从 1990 年的 110 兆瓦提高到 2020 年的 180 兆瓦，600兆瓦以上燃煤机组装机容量占比从 20 提高到 31。在区域层面，新兴经济体火电装机增速显著高于发达国家。例如“一带一路”沿线国家火电装机容量在过去三十年间增加了1.6倍，中国火电装机容量增加了 11.4 倍，而同期以国际经合组织（OECD）和欧盟为代表的发达国家装机容量只增加了 40。虽然全球火电行业燃料结构过去基本保持稳定，但发达国家煤电比例持续下降，天然气比例持续增加；而发展中国家煤电装机容全球主要能源基础设施发展现状 -6- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 量仍处在持续上升通道，且平均服役年限只有十余年，对未来全球电力行业减排带来较大压力。随着技术进步和成本大幅降低，全球光伏和风电产业近年来实现跨越式发展。近十年全球光伏和风电装机容量年均增速分别达到22和 14。中国再生能源开发利用规模快速扩大，目前光伏和风电装机容量均位居世界首位。2020 年新冠疫情下全球新增光伏和风电装机量同比增加 52，逆势创历史新高，为后疫情时代“绿色复苏” 注入动力。全球钢铁行业规模近三十年来持续增长， 2020 年全球共有钢铁企业约 2300 家，全球粗钢产能从1990年不足12亿吨增加到2020年超过 24 亿吨。当前全球粗钢产能以长流程为主，长流程和短流程产能占比分别为72和28。全球钢铁行业仍处在快速发展阶段，近十年全球新建粗钢产能约 6 亿吨，且仍以长流程为主，占比接近 65。当前全球粗钢和炼铁产能中服役年限小于 10 年的产能占比分别达到 19 和 21。当前发达国家粗钢产能以短流程为主且服役年限普遍较长，而新兴经济体国家粗钢产能以长流程为主，平均服役年限普遍较短。例如， OECD 和欧盟国家短流程炼钢产能占比约 50，平均服役年限为37年；亚洲地区（OECD国家除外）长流程炼钢产能占比达到 86，平均服役年限为16年。中国是世界钢铁生产第一大国， 2020 年粗钢产能达到 11 亿吨，占全球总产能的约 46。中国钢铁行业发展和技术更替均十分迅速，近十年新增产能达到约3.2亿吨，同期淘汰落后产能达到约3.3亿吨，推动行业高质量发展。印度钢铁行业发展势头迅猛，近十年粗钢产能增加了 45，年均增长率接近 4。在经历了二十多年持续增长之后，全球水泥产量自2015年起趋于稳定，近年来全球熟料产能稳定在35-37亿吨之间，熟料产量稳定在 28-31 亿吨左右，产能利用率维持在 79-83 之间。全球熟料产能在 2005-2015 年间快速扩张，因此当前全球服役年限小于 15 年的生产线产能占比达到53。中国熟料产能和产量均居世界首位， 2020年熟料产能达到20亿吨。近年来“一带一路” 沿线国家产能快速扩张，近十年间累积新建产能达到 2.3 亿吨。 2020 年全球机动车保有量达到 13.6 亿辆，过去 30年年均增速达到 3。当前全球机动车仍以汽油车和柴油车为主，汽柴油车保有量占比分别为 67 和 32。在技术进步和政策激励双轮驱动下，全球电动汽车保有量从 2010 年的 1.7 万多辆增长至 2020 年的 1023 万辆，十年间增长 600 倍。 -7- 执行摘要全球火电行业碳排放近三十年来总体呈增长趋势，从 1990 年的 75 亿吨 CO 2 增加至 2020 年的132亿吨，年均增长率为2。随着煤电比例逐步下降，近十年全球火电行业碳排放增速趋缓， 2010-2020 年间排放年均增速约为 1，远低于 1990-2010 年的 3，且 2018 年后排放呈现下降态势。燃煤电厂对全球火电行业碳排放的贡献最大，2020 年排放占全球火电行业碳排放总量的 70。2020 年，服役年限在 10 年和 20 年以内的机组分别贡献了 37 和 61 的碳排放，火电行业低碳转型任重道远。过去三十年全球火电行业碳排放受电力需求变化、可再生能源发展、燃料结构变化和发电效率提升等多种因素共同影响，在区域层面，火电行业碳排放变化趋势及驱动因素存在显著差异。 1990 年以来，发达国家火电行业碳排放经历了先上升后下降的过程。通过淘汰燃煤电厂、发展可再生能源电力等一系列措施，OECD和欧盟国家 2020 年火电行业碳排放比 2010 年下降了 26。在电力需求快速增长驱动下，新兴经济体国家火电行业碳排放增长迅速。例如，1990-2020 年间“一带一路”沿线国家火电行业碳排放增加了 78。技术进步和发电效率提升对减缓火电行业碳排放增速发挥了积极作用，中国火电行业发电标煤耗从 1990 年的 408 gce/kwh 下降到 2020 年的 308 gce/kwh。 2020年全球钢铁行业共排放27.2亿吨CO 2 （此处及以下均为直接排放），碳排放在过去三十年间增加了约1.5倍，且钢铁行业碳排放增长主要来自长流程炼钢过程。2020 年，服役年限在10年以内的设备排放占全行业排放的23。全球钢铁行业现役设备在技术水平、能源效率和排放强度方面存在巨大差异。以长流程炼钢为例，全球能效最低的部分企业生产了约 1 的长流程全球能源基础设施碳排放及驱动因素 -8- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 粗钢，但贡献了长流程炼钢企业约4的碳排放。因此，提升技术和能效水平对于钢铁行业碳减排具有重要意义。上世纪九十年代钢铁行业碳排放主要来自发达国家，1990年OECD与欧盟国家钢铁行业碳排放占全球排放的 42。受技术转型（发展短流程炼钢）和能效提升推动，OECD与欧盟国家钢铁行业碳排放近 30年持续下降，2020年排放比 1990年下降了35。受钢铁需求驱动，发展中国家钢铁行业碳排放呈持续增长态势。中国钢铁行业碳排放在1990-2020年间增加了约7倍， 2020 年排放量达到 18.1 亿吨 CO 2 ，且以长流程炼钢工艺贡献为主。全球水泥行业碳排放在 1990 年至 2020 年增加了 1.9 倍，2020 年排放达到 25.2 亿吨 CO 2 ，其中过程排放占64，燃料排放占36。需求增加是驱动水泥行业碳排放增长的最主要因素，而水泥熟料比下降、窑炉技术升级、能效提升、燃料结构变化等因素则有效降低了水泥行业的碳排放强度，1990-2020年间生产每吨水泥的碳排放量从 0.74 吨 CO 2 下降到 0.59 吨 CO 2 。过去三十年来水泥熟料生产线的生产工艺发生了巨大变化，2000 年以前全球熟料生产线中立窑、湿法回转窑、半干法回转窑和传统干法等工艺占全球水泥行业排放量一半以上。2000-2010年间立窑、湿法回转窑、半干法回转窑和传统干法等迅速被新型干法技术所替代，2010 年新型干法工艺贡献了排放量的 85。与钢铁行业类似，上世纪九十年代全球水泥行业碳排放主要来自发达国家，1990年OECD 与欧盟国家水泥行业排放占全球总排放量的 45。但过去三十年间亚洲水泥行业迅猛发展，推动全球水泥行业碳排放持续增加。1990-2020 年亚洲地区水泥行业排放增长近 5.5 倍，2020 年排放占全球总排放量的 71。受基础设施建设需求拉动，新兴经济体国家水泥行业碳排放近年来增速较快，例如北非与中东地区 2005-2020 年水泥行业年均排放增速达 5。全球机动车碳排放在保有量持续增长的驱动下逐年上升，三十年间排放增加了75，2020 年排放57亿吨CO 2 。在区域尺度，OECD与欧盟国家目前仍是全球机动车碳排放最高的区域， 2020 年机动车碳排放占全球总量一半以上。亚洲机动车碳排放在 1990-2020 年间显著增长，对全球机动车碳排放的贡献由 8 增长至 26。 -9- 执行摘要 2020 年，全球火电、钢铁、水泥和陆地交通运输部门共排放二氧化碳 241 亿吨，约占全球碳排放总量的 70。更为重要的是，这些基础设施在未来还将运行数十年并持续产生碳排放，形成碳排放锁定效应。如果上述现有能源基础设施按历史平均服役寿命和设备投运率运行，其在未来数十年内产生的碳排放总量（即锁定碳排放）约为 4800 亿吨。按同样方法测算，全球所有现存排放源的锁定碳排放约为 7000 亿吨，上述能源基础设施的锁定碳排放约占全部锁定碳排放的 70。能源基础设施的碳锁定效应将对巴黎协定提出的全球气候目标产生较大威胁。巴黎协定提出将全球温升控制在2度之内并努力控制在1.5 度之内，而到 2020 年，1.5 度和 2 度目标下剩余的碳排放空间分别为 3500-5100 亿吨和 11000- 14000 亿吨。上述主要能源基础设施在未来锁定的 4800 亿吨碳排放与全球 1.5 度目标下剩余的碳排放空间基本相当，约占到 2 度目标下剩余碳排放空间的 40。碳锁定效应并非一成不变，通过缩短能源基础设施服役年限、降低产能利用率等措施可减少其碳锁定排放。以火电行业为例，如推动火电提前淘汰，将平均服役年限从 40 年削减到 30 年，则对应的锁定碳排放将从 3029 亿吨削减到 2000 亿吨。随着光伏和风电等新能源发电的大规模发展，未来火电将主要承担调峰功能，年发电小时数将大幅降低。如自2030年起将火电年发电小时数逐步降低到2000小时，则火电行业未来锁定的碳排放将减少到2295亿吨左右。此外，碳捕获与封存（CCS）等碳减排技术的大规模利用也能够在一定程度上抵消能源基础设施的碳锁定效应。从前述分析结果可以看出，全球主要化石能源基础设施总体仍处在扩张阶段，持续新建的基础设施对低碳转型带来巨大挑战。新兴经济体正处在经济快速发展阶段，能源和基础原材料需求增长迅速，如何在满足需求的同时尽可能减轻锁定碳排放对未来减排带来的压力，是发展中国家亟待解决的重大问题。在全球迈向低碳转型和净零排放的背景下，未来火电、钢铁和水泥行业的持续惯性投资或将使大量基础设施的平均服役寿命缩减至 10-20 年，造成巨额资本搁浅风险。受新冠疫情影响，2020 年全球主要能源基础设施投资趋缓，产能利用率下降。全球在推动经济复苏的同时还面临着可持续发展及气候变化的巨大挑战，后疫情时代的绿色复苏可望为全球经济低碳转型注入新动能。全球化石能源基础设施投资放缓为加快绿色基础设施建设提供了新机遇。中国已承诺不在海外新建煤电项目，未来大力推动分享绿色低碳技术，在使得“一带一路”倡议项目更加绿色的同时，也有望为全球气候治理探索出一条国际合作的新路径。绿色转型是实现全球气候目标的必由之路，为实现全球气候目标，需扭转高碳能源基础设施投资惯性，避免新的高碳增长带来的长期碳锁定效应，同时降低资产搁浅风险；加速能源基础设施的升级改造和有序淘汰，提升技术和能效水平，降低碳排放强度；加大新兴低碳技术研发力度，推进氢能冶金、CCS 等碳减排技术的示范和产业化应用；抓住后疫情时代绿色复苏的发展机遇，深入推进可再生能源、新能源汽车等新能源产业发展，加强绿色技术国际合作，构建全球零碳能源体系。能源基础设施碳锁定效应及绿色转型 01 引言第一章引言当前全球经济发展高度依赖化石能源，电力、钢铁、水泥、石化、油田、煤矿、交通运输等开采、生产和消耗能源的基础设施（以下简称“能源基础设施”）排放大量温室气体和大气污染物，对气候、环境和健康造成严重影响。能源基础设施是温室气体和大气污染物排放的基本单元，也是制订气候变化和大气污染控制策略的落脚点。然而长期以来，很多国家和地区的基础设施数据不透明、不公开，缺乏统一的数据基础和技术方法，目前大多数针对全球重点行业排放及减排策略的研究只能在行业宏观尺度开展，对科学研究和政策决策的支撑不足。能源基础设施的寿命往往长达几十年，当前新建的能源基础设施在未来会产生大量碳排放，产生碳排放锁定效应。政府间气候变化专门委员会（IPCC）在IPCC 全球升温 1.5℃特别报告中指出，如今全球地表平均温度较工业化前水平上升约 1℃，1.5℃温控目标下 2018 年起全球仅剩余 4200-5800 亿吨 CO 2 的排放空间（50- 66置信区间）。而当前人类一半以上的能源来自从地壳深处提取的化石燃料，化石燃料体系已经深深地根植于社会之中。现有的大量能源基础设施在未来锁定的碳排放对低碳能源转型和巴黎协定目标的实现造成严重威胁。在这一背景下，全球能源基础设施在未来几十年内将面临剧烈转型挑战，其转型路径及转型过程中的气候环境影响是科学家和决策者共同关心的重大问题。在能源基金会、国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、生态环境部等机构支持下，清华大学联合国内外多个机构和团队组成全球能源基础设施排放数据库工作组，自 2018 年起开发和维护全球能源基础设施排放数据库（ Global Energy Infrastructure Emissions Database，简称 GID），旨在构建设备级别的全球产耗能基础设施的基础信息及排放数据库，为科学研究和政策评估提供基础数据支持。团队通过对多个全球和区域尺度的能源基础设施数据库开展数据挖掘，整理出全球超过十万个产耗能基础设施信息，并在此基础上利用大数据方法开发了统一的排放表征模型，实现了设备级别的二氧化碳和大气污染物排放核算。以GID数据库中超过十万个产耗能基础设施信息为基础，由清华大学碳中和研究院、清华大学全球变化研究院和能源基金会支持，全球能源基础设施排放数据库工作组发起并组织相关专家学者完成了全球能源基础设施碳排放及锁定效应研究报告。报告旨在以单个设施为研究对象，建立从设施层面追踪全球能源基础设施排放的新方法，进而识别能源基础设施在低碳转型过程中面临的主要挑战并提出治理思路，为推动全球化石能源低碳转型贡献中国智慧。 -11- -12- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 报告涵盖了电力、钢铁、水泥和道路机动车等四个生产和消耗化石能源的部门，上述四个部门的化石能源消耗量约占全球化石能源消耗总量的 63。本报告是依托GID数据库编制的首份研究报告，受方法和数据所限，不当之处在所难免。报告相关结论和政策建议仅代表作者团队个人观点，不代表作者所在单位和机构及报告资助方观点。GID工作组未来一方面将持续开发和完善数据库，从时间、空间、行业等多个维度拓展数据库覆盖范围，提升数据库精度；另一方面将致力构建开放、合作、共享的平台机制，依托平台持续科学产出并提出政策建议，为全球气候变化应对和可持续发展做出贡献。报告共分为三部分报告共分为三部分第一部分基于 GID 数据库中的基础信息分析了 1990-2020 年间全球电力、钢铁、水泥行业和道路机动车等主要能源基础设施的发展趋势，其中特别关注了中国和“一带一路”沿线国家等主要新兴经济体的发展态势。第二部分测算了上述主要能源基础设施 1990-2020 年碳排放变化趋势并解析了排放变化的驱动因素。第三部分探究了主要能源基础设施的碳排放锁定效应和对实现全球气候目标的影响，识别了全球能源基础设施在绿色转型进程中面临的主要挑战和机遇并提出了政策建议。 -13- 引言 02 第二章全球主要能源基础设施发展现状电力基础设施是社会经济发展的基础。火电指以煤炭、天然气、石油、生物质和其他化石燃料作为燃料生产电能的设施（ Tong et al., 2018）。为满足日益增长的电力需求，近三十年来全球火电行业总体发展迅速，全球火电厂总装机容量从 1990年的1774吉瓦增加到2020年的4229吉瓦，机组数量从3.7万个增加到8.4万个（见图2-1）。火电扩张速度在区域层面有明显差异，社会经济 2.1 电力行业图 2-1 1990 和 2020 年全球火电厂空间分布（改编自 Qin et al., 2022） -15- -16- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 发展和电力需求的持续攀升推动了发展中国家火电基础设施的快速扩张。例如，1990-2020年间，中国火电装机容量增加了 11.4 倍，而美国火电装机容量仅增长了 50。在火电行业迅速发展的背景下，当前全球火电机组年龄结构偏年轻。2020 年火电机组平均服役年限约为 21 年，其中服役年限在 10 年以内的新机组占火电总装机容量的 33，而服役年限在 40年以上的老旧机组占比只有16。由于经济发展、资源禀赋和环境政策的差异，不同区域和燃料类型的火电机组服役年限具有显著差别（见图 2-2）。亚洲的煤电机组、经合组织与欧盟的燃气机组与中东和非洲地区的燃油机组的服役年限较短，而经合组织与欧盟的燃煤和燃气机组、东欧和俄罗斯的燃气机组服役年限较长。煤电依然是全球火电行业的主力。电力需求的快速增长和环境政策导向推动了燃煤电厂和燃气电厂的大规模建设（ Tong et al., 2018）。尽管全球燃气电厂的装机容量增速快于燃煤电厂， 2020年全球煤电装机容量仍占火电总装机容量的50，而燃气发电和燃油发电分别占38和 10。虽然全球煤电占火电的比例过去三十年间基本保持稳定，但发达国家煤电比例持续下降，天然气比例持续增加；而发展中国家煤电装机容量仍处在持续上升通道，且平均服役年限只有十余年，对未来全球电力行业减排带来较大压力。技术水平进步推动单机装机容量稳步提升。技术水平进步和环境标准加严大力推动了大规模、低能耗强度的燃煤机组建设，同时加速了低效、小型燃煤机组的淘汰，使得全球平均单机燃煤装机容量从1990年的110兆瓦提高到2020年的 180兆瓦，600兆瓦以上燃煤机组装机容量占比从20提高到31，火电机组发电结构得以优化。在区域层面，新兴经济体火电装机增速显著高于发达国家。“一带一路”作为连接起亚太、非洲、欧洲等多个经济圈的经济走廊，沿线多为新兴经济体和发展中国家（国家发展改革委, 2015; 推进“一带一路”建设工作领导小组办公室 , 2021），区域图 2-2 2020 年全球不同服役年限火电机组装机容量分布（改编自 Qin et al., 2022） -17- 全球主要能源基础设施发展现状内火电装机增长显著。1990-2020年，“一带一路” 沿线国家火电装机容量从 480 吉瓦增加至 1259 吉瓦（见图 2-3）。三十年间“一带一路”沿线国家火电装机容量增长了 1.6 倍，而同期经合组织与欧盟火电装机容量只增加了 40。 “一带一路”沿线国家火电发展速度存在明显差异。1990 年，俄罗斯、印度、乌克兰是“一带一路”沿线国家中火电装机容量前三的国家，合计占“一带一路”沿线国家火电总装机容量的 46。到2020年，“一带一路”沿线国家中火电装机容量前三的国家分别为印度、俄罗斯和沙特阿拉伯，火电装机容量分别为276吉瓦、188 吉瓦和 91 吉瓦。图 2-3 1990 和 2020 年“一带一路”沿线国家火电装机容量分布中国火电以煤电为主，近三十年发展迅速。 1990年，中国煤电装机容量不足100吉瓦，到 2020 年已超过 1000 吉瓦（见图 2-4）。煤电发展的区域差异主要受煤炭资源分布及电力需求影响。华北和西北地区丰富的煤炭资源推动了煤电基础设施的建设，1990-2020年间内蒙古、山西、陕西等省份煤电装机容量年均增速都在10左右。这些区域依托自身资源优势发展煤电，现已成为国家重要的能源生产基地（中国电力企业联合会 , 2021）。在煤电基础设施快速发展的背景下，中国煤电机组服役年限偏低。如图2-5所示，2020年中国现役煤电机组平均服役年限为 11 年，其中服 -18- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 役小于15年的煤电机组超过75，这与“十一五” 时期以来煤电机组的快速发展和老旧机组的淘汰密切相关（ Zhang et al., 2019）。受煤电发展速度和发展阶段影响，不同省份煤电机组的平均服役年限存在显著差异。上海市煤电机组的平均服役年限接近 20 年，而新疆煤电机组的平均服役年限只有 6 年。随着技术进步和成本大幅降低，全球光伏和风电产业近年来实现跨越式发展。在技术进步推动下，可再生能源发电成本自2010年以来急剧下降，其中，光伏发电和陆上风电的成本分别下降了 82 和 39（ IRENA, 2020）。成本下降推动光伏和风电装机容量快速增加（ IRENA, 2019; IRENA, 2021a; IRENA, 2021b）。2010-2020 年，全球新增光伏和风电装机容量增长迅速，年均增速分别达到 22 和 14（见图 2-6）。过去十年间，亚洲逐渐超越经合组织与欧盟，成为全球光伏和风电装机容量增长最快的区域。2020 年，亚洲占全球新增光伏装机容量的 54、全球新增风电装机容量的 67。 2020 年新冠疫情下全球新增光伏和风电装机容量同比增加约 52，逆势创历史新高，为后疫情时代“绿色复苏”注入动力。2020 年，全球新增光伏装机容量为127吉瓦，较2019年增长了 30，而全球新增风电装机容量增速达到 90。其中，亚洲地区新增光伏和风电装机容量增长最显著，2020 年亚洲新增光伏和风电装机容量同比增速分别达到 52 和 164。图 2-5 2020 年中国现役煤电装机容量服役年限分布和各省（自治区、直辖市）平均服役年限（右图黑色虚线代表全国平均服役年限）图 2-4 1990、2000、2010 和 2020 年中国分区域煤电装机容量及其占比变化 -19- 全球主要能源基础设施发展现状图 2-6 2010-2020 年光伏和风电新增装机容量中国可再生能源开发利用规模快速扩大，目前累积和新增光伏/风电装机容量均居世界首位。 2010 年，全球新增光伏装机容量最大的三个国家分别为德国、意大利和捷克，全球新增风电装机容量最大的三个国家分别为中国、美国和印度（图 2-7）。而目前中国新增光伏和风电装机容量稳居世界首位。2020 年，中国占全球新增光伏装机容量的38和风电装机容量的65，其次是美国（占全球新增光伏装机容量的 15 和风电装机容量的 13）。图 2-7 2010 和 2020 年新增光伏和风电装机容量前十国家 -20- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 2.2 钢铁行业全球钢铁行业规模近三十年持续增长。1990 年全球钢铁企业共约 1400 家，到 2020 年已增加至近 2300 家（图 2-8）；全球粗钢产能从 1990 年不足12亿吨增长到2020年超过24亿吨。亚洲、中东和非洲地区的生产扩张对全球钢铁产能增长起到主要推动作用，钢铁行业重心从发达国家向发展中国家发生明显转移。1990 年亚洲和中东与非洲的粗钢产能合计占全球总产能的 20，而近三十年两个地区产能分别增加约 6 倍和 3 倍， 2020 年产能合计超过 15 亿吨，占比超过全球总产能的60。与之相反，1990年经合组织与欧盟地区粗钢产能全球占比约 60，但其近三十年间产能相对稳定，到2020年全球占比下降至不足 30。以转炉为代表的长流程炼钢主导了当前全球粗钢产能，长流程和短流程产能占比分别为 72 和28（图2-9）。钢铁生产技术结构存在显著的区域差异性。由于废钢资源紧缺和成本偏高等因素，亚洲和中东与非洲等区域近三十年新增产能多为长流程炼钢及相关上游产品（烧结矿、图 2-8 1990 和 2020 年全球钢铁企业空间分布 -21- 全球主要能源基础设施发展现状图 2-9 2020 年全球不同服役年限粗钢产能分布球团矿和生铁等），而发达国家则充分利用自身废钢资源发展以电炉为基础的低能耗短流程炼钢技术。例如，当前亚洲长流程炼钢产能比例高达 86，而经合组织与欧盟短流程炼钢产能比例约为 50。当前全球钢铁行业仍处在快速发展阶段，近五年（2015-2020年）新建粗钢产能接近 3 亿吨，与 2010-2015 年间新建产能基本持平。近十年新建产能仍以长流程为主，占比接近 65。钢铁产能新建主要集中在亚洲和中东与非洲地区的新兴经济体，例如2010年后亚洲地区新建产能占全球总量的超过 70，而工业化起步较早的经合组织与欧盟和东欧与俄罗斯地区同期新建产能较少。全球钢铁行业近年来快速扩张导致服役年限较短的设施比例较高（图 2-9），当前全球粗钢和炼铁产能中服役年限小于10年的产能占比分别达到 19 和 21，而服役年限小于 20 年的产能占比分别达到55和62。当前全球粗钢产能平均服役年限仅为 23 年，但不同区域钢铁产能的服役年限呈现出显著差异性。例如，经合组织和欧盟地区钢铁行业发展较早，当前粗钢产能平均服役年限达 37 年，仅有不到 12 的设施服役不满 15年；而亚洲地区平均服役年限仅为16年，约 50 的设施服役不满 15 年。 “一带一路”沿线国家近三十年钢铁行业扩张明显。1990 年“一带一路”沿线国家粗钢产能合计为 3.5 亿吨，2020 年已达 5.6 亿吨，增幅达 60（图 2-10）。近十年（2010-2020 年）“一带一路”沿线国家钢铁产能扩张加速，年均增速接近 3，显著高于 1990-2020 年 1.6 的年均增速。当前大部分“一带一路”沿线国家废钢资源有限，主要依靠煤铁资源发展长流程炼钢，粗钢产能中长流程炼钢占比接近 65。尽管整体呈现增长趋势，“一带一路”沿线国家之间钢铁行业发展差异明显（图 2-11）。俄罗斯和乌克兰工业化较早，1990年在“一带一路” 沿线国家粗钢产能中位列前二，但受到苏联解体等因素影响，其 90 年代钢铁行业规模明显收缩，之后虽然有所恢复发展，但2020年产能规模仍不及1990年水平；东南亚和中东多个新兴经济 -22- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 图 2-10 1990 年和 2020 年“一带一路”沿线国家粗钢产能分布图 2-11 1990 年和 2020 年“一带一路”国家粗钢产能前十及 1990-2020 年间增速前十 -23- 全球主要能源基础设施发展现状体随着经济社会发展钢铁需求增长迅速，产能扩张显著，如印度、印度尼西亚、越南、土耳其和伊朗等多国产能年均增速达到 5 甚至 10，与 1990 年相比在“一带一路”沿线国家粗钢产能中排序明显提升。作为“一带一路”沿线国家钢铁行业快速扩张的代表性国家，印度钢铁行业发展势头迅猛，图 2-12 1990-2020 年印度新增钢铁产能分布 2010-2020年间粗钢产能年均增速接近4， 2020 年已接近 1.3 亿吨，成为“一带一路”沿线国家中粗钢产能最大的国家和世界第二钢铁生产国（图2-11）。印度新建钢铁产能在多个邦均有分布，其中东部的奥里萨邦等地尤为突出（图 2-12）。除了发展传统基于高炉 - 转炉的长流程炼钢外，印度还大力发展以直接还原铁为主要原料的电炉炼钢技术，并大量进口废钢补充原料缺口（ IEA, 2020）。在总体规模快速扩张的同时，需求增长推动印度建设了许多小型的高能耗钢铁生产设施，其吨钢能耗居高不下，环境问题突出（ IEA, 2020），亟需探寻产业结构转型和高质量发展路径。中国是当前世界钢铁生产第一大国，拥有超过11亿吨粗钢产能，占全球总产能的约46。中国钢铁行业在2000年后迅速发展，产能二十年间增加了约 4 倍，且形成了产能较为集中的分布格局（图2-13）。华北地区的粗钢产能增长最为显著，产能占比在2020年接近全国的40 （1990年占比小于20），其增长主要归因于河北钢铁行业的迅速扩张（2000-2020 年年均增速 11）。河北的铁矿石资源丰富，且毗邻煤炭大省山西，资源优势明显；同时其位于沿海大型图 2-13 1990、2000、2010 和 2020 年中国分区域粗钢产能及其占比变化 -24- C 全球能源基础设施碳排放及锁定效应 2021 港口辐射范围之内，进出口运输便利；京津冀地区的经济快速发展又催生了巨大的钢铁需求（中国钢铁工业年鉴编辑委员会 , 2021）。上述因素共同推动河北逐步发展成为中国钢铁生产的中心， 2020年其一省产能占比达到全国的 25 左右。江苏和山东等省份近二十年新增大量钢铁产能的大量新增，使得华东地区成为另一个炼钢产能的增长热点。中国钢铁行业发展和技术更替均十分迅速，近十年新建产能约3.2亿吨，同期也淘汰落后和过剩产能约 3.3 亿吨（ Zheng et al., 2018; Zhang et al., 2019），因此 2010-2020 年中国粗钢产能基本保持稳定。同时，中国钢铁行业炼铁炼钢工艺装备自主集成、自主创新能力不断提高，在超薄钢和高强度钢材制造等方面取得重大技术突破，同时大力促进产业结构优化和节能减排，推动行业实现高质量发展（新华社 , 2018）。经过近二十年的快速发展，我国钢铁行业现有设施平均服役年限较小，服役不满 15 年的设施占比超过50（图2-14）。在“十五”计划中后期，我国钢铁市场利润可观，行业存在一定的大量投资涌入、粗放型发展现象，钢铁行业快速扩张，因此现有设施服役年限分布的峰值为 15-17 年。而近十年来我国实施严控产能新增等供给侧结构性改革措施，推动钢铁行业走上高质量发展道路。受煤铁资源禀赋、运输条件发展和本地需求增长等影响，不同省份钢铁行业发展程度存在差异。例如，河北、江苏、山东等钢铁生产大省在“十五” 计划时期大幅扩张钢铁产能，当前设施的平均服役年限在 10-15 年之间；而上海等钢铁行业发展较早的地区设施平均服役年限较长。图 2-14 2020 年中国现役粗钢产能服役年限分布和各省（自治区、直辖市）平均服役年限（右图黑色虚线代表全国平均服役年限） -25- 全球主要能源基础设施发展现状 2.3 水泥行业自90年代起全球水泥熟料产能和产量均持续增长，于近五年趋于稳定。1990 年全球水泥熟料产能约 9 亿吨，1990-2015 年间年均产能增速达 5.6，2015 年增长到 35 亿吨。随着主要生产国需求趋于饱和，2015 年之后全球熟料产能稳定在35-37亿吨之间，产量亦稳定在28-31亿吨左右，产能利用率维持在 79-83 之间。全球熟料产能在2005-2015年间扩张迅速，年均产能增速达6,当前全球服役年限小于15年的设施产能占比达 53，熟料产能平均服役年限仅为 21 年。从生产工艺上看，新型干法产能占比达到 87。过去近三十年水泥行业在全球不同区域的发展速度差异明显。东亚、东南亚