第二节 基于能源成本情景分析的新能源替代目标研究
利用新能源
替代传统化石能源是应对能源安全危机及缓解环境压力的重要路径。在设定新能源替代化石能源的规模目标时，既不能因为目标设定过低而影响新能源开发利用的进度，又不能因为设定过高目标带来成本增加而影响整个经济的可持续发展。制定合理的新能源替代目标，需要综合考虑新能源成本趋势、能源消费总量控制规模等多个要素。
一 关注中国新能源替代目标的价值分析
近年来，中国以化石能源为主的能源消费总量呈快速上涨态势，石油、天然气、煤炭等化石能源的对外依存度越来越高，不仅加剧了能源安全的风险，而且加大了环境治理的难度。利用清洁、可持续的新能源替代传统化石能源是应对这些问题的重要路径。
在利用新能源替代化石能源时，需要规划设定能源替代目标，以引导新能源的开发利用。新能源开发利用目标的设定受经济、技术、能源开发利用现状等因素的影响，其中，新能源成本及化石能源的成本是最重要的因素之一。
由于能源价格的波动对社会经济的影响非常明显，在设定新能源替代目标时，既要重视社会、环境效益，又要重视经济效益。没有经济上的可持续性，新能源替代进程也难以持续。
目前，新能源开发尚处于市场失灵阶段，开发成本普遍高于传统化石能源。在新能源替代过程中，如果目标设定过高，将影响国家的竞争力，以及居民的生活水平。如果目标设定过低，又达不到加快开发利用新能源的目的。
新能源替代目标的设定及实现不仅同新能源本身的成本趋势有关，也同化石能源的成本变化有很大关联，如果化石能源成本出现持续下滑现象，新能源取得成本优势的时间将被推后。即使相较于化石能源，新能源取得了成本竞争优势，但原有化石能源开发利用设施设备的淘汰是一个逐步的过程，这也决定了新能源替代是一个长期的过程。
中国正在实施的能源消费总量控制政策对新能源替代也有影响。在每年能源消费增加总量受到控制的背景下，如果设定较高的新能源替代目标，势必需要在新增能源中大幅度增加新能源的比重，甚至需要大量淘汰现有化石能源设施设备，由此产生的成本也将转嫁到新能源方面，进而增加能源消费的成本。
因此，基于对能源成本趋势及能源消费总量控制的分析，研究新能源替代目标的可行性及实现路径具有较强的现实意义。
在相关研究方面，国内有一些研究新能源成本及新能源替代关系的文献，但数量不多。国外如Iniyan等采用学习曲线等经济学方法，对可再生能源与不可再生能源的替代使用进行了研究。国内如郑轶峰等也进行了一些相关研究。
在新能源成本研究方面，文献很多，但这些文献主要是基于化石能源成本上升、新能源成本下降的条件假设，对新能源替代目标进行线性分析，对化石能源成本可能出现的多种情景研究不足。更多的研究只是单纯地研究新能源或化石能源的成本发展趋势，缺少对二者进行对比分析。如，张雯等根据学习率历史变化情况选取了高增长、基本增长和低增长三种情景，研究了光伏发电的学习成本。
国内外也有一些单纯研究新能源替代的文献，国外如Bastianoni等利用模型研究不可再生能源和可再生能源的替代问题。国内如曹玉书等进行了相关研究。
在能源消费总量控制方面，国内也有一些研究文献，但其主要研究能源消费总量控制的路径、经验，以及对经济等因素的影响，把能源消费总量控制与新能源替代结合起来进行研究的却很少。
同时，把能源消费总量控制、能源成本趋势与新能源替代目标三大要素结合在一起的研究文献几乎没有，对柔性替代与硬性替代进行分析的文献也较缺乏，这显然不能满足复杂现实的需要。因此，多角度构建能源成本情景，并基于最有可能的情景，以及对能源消费总量控制的预测，研究中国新能源替代目标的可行性，也具有理论价值。
二 化石能源与新能源成本情景分析
1．化石能源与新能源成本情景构建
化石能源成本近20年来主要呈上升趋势，尽管近两年价格有所回落，但由于我国目前已进入由上游能源、原材料价格持续上涨引发的成本推进型价格上涨时期，且当前国内煤炭价格下跌幅度已超过了国内煤炭企业能够承受的临界点，煤价低谷已现，继续下行的空间已经不大，加上化石能源将逐步增加环境成本，从长期来看，化石能源未来成本将主要以上升为主，但也存在成本变动不大甚至下降的可能。
未来中国化石能源成本变化主要有五种趋势：一是成本大幅度上升；二是成本小幅度上升；三是成本保持不变；四是成本大幅度下降；五是成本小幅度下降。
对于新能源来说，成本将主要呈下降趋势，但成本大幅度下降的时间已经过去，未来主要是小幅度的下降，但也不排除由于技术的快速进步，某些新能源成本出现大幅度下降的可能。
未来中国新能源成本变化主要有两种趋势：一是成本大幅度下降；二是成本小幅度下降。
把化石能源成本变化的五种趋势，与新能源成本变化的两种趋势进行排列组合，共可构建出十种情景（见图4-1）。
图4-1 中国能源成本未来情景
基于以上分析，情景1是对新能源替代最有利的情景，情景8是最不利的。但情景4应该是未来最有可能的情景，即在化石能源成本小幅度上升的同时，新能源成本小幅度下降。但同时，由于未来能源价格面临多种不确定性因素，其他情景也都有出现的可能。在不同的情景下，新能源成本有着不同的竞争力，进而影响新能源替代化石能源的规模及速度。
2．柔性替代模式下的化石能源成本与新能源成本情景分析
由于制约新能源推广的主要因素是成本，一旦新能源具备成本优势，新能源增加的速度可以达到较快水平。因此，发现新能源具备成本竞争力的时间非常重要。具体方法是，把新能源与化石能源成本的发展趋势进行量化，并基于不同情景计算化石能源与新能源成本的趋同时间。
具体计算过程主要包括三个步骤。
第一步：依据2000～2012年中国化石能源价格变化情况，量化化石能源成本的五种趋势。
一是成本大幅度上升。2000～2012年，中国化石能源成本的平均增幅为14.6%（见表4-1）。由于这一时期是中国能源需求快速增长阶段，成本增长也较快。由于中国已经开始实施能源消费总量控制及节能减排政策，未来能源消费及成本的增幅难以超过2000～2012年的水平。这里选择14.6%作为未来成本大幅度上升的量化指标。
表4-1 2000～2012年中国化石能源价格变化情况
注：①根据国家统计局《2013年统计年鉴》中的2006～2012年能源消费数据，煤炭、石油、天然气占能源消费总量的平均百分比分别为68.85%、19.05%、4.05%。归一化处理后得到数据75%、21%、5%，各数据作为权重乘以各自成本平均变化幅度后相加，即得到中国能源成本2000～2012年的平均增幅为14.6%。②国内天然气价格长期偏低，没有反映市场供求变化和资源稀缺程度。尽管中国在2005年、2007年和2010年，三次较大幅度地提高了国产陆上天然气出厂基准成本，平均价格仍仅为1.15元/立方米。因此，这里选择进口价格作为价格变化参考。③三大市场平均价格是指北海布伦特原油价格、迪拜原油价格、西德克萨斯原油价格的平均价格。④表格中数据参考多方数据综合得来。
二是成本小幅度上升。这里选择平均增幅14.6%的一半，即7.3%作为成本小幅度上升的量化指标。
三是成本保持不变。未来中国的通货膨胀率为3%～4%。能源成本变化与通货膨胀率保持相等的速度，就等于成本没变。这里选择4%作为成本不变的量化指标。
四是成本大幅度下降。这里选择-10.6%（4%减去14.6%的通货膨胀率）作为大幅度下降的量化指标。
五是成本小幅度下降。这里选择-5.3%（-10.6%的一半）作为小幅度下降的量化指标。
第二步：量化新能源成本的两种趋势。
由于新能源成本竞争力弱主要体现在电力领域，这里以新能源电力成本变化作为分析新能源成本竞争力的主要对象。
依据2006～2012年中国新能源发电成本变化情况（见表4-2），可以量化中国新能源电力成本的两种趋势。
一是成本大幅度下降。这里选择-11.1%作为新能源电力成本大幅度下降的数值。
二是成本小幅度下降。这里选择-7.7%作为新能源电力成本小幅度下降的数值。
第三步：依据下列公式，可以计算出不同情景下的火电与新能源电力的成本趋同时间。
P1（1 +P2）n-1＝ P3（1 +P4）n-1
P1为2012年的火电成本。2012年，中国火电成本为0.4～0.5元/千瓦时，在应用时，取中间值0.45元/千瓦时。
P2为火电成本上升或下降趋势。以化石能源价格的五种变化趋势为依据。
P3为2012年新能电力源成本。取2012年的中间值0.765元/千瓦时（见表4-2）。
P4为新能源电力成本下降趋势。以新能源价格的两种变化趋势为依据。
n为新能源电力成本达到与火电成本相同所需的时间（年）。
采用同样的方法，也可以计算出光伏发电成本、风力发电成本、生物质能发电成本与火电成本的趋同时间（见表4-3）。
表4-2 2006～2012年中国新能源发电成本变化情况
注：①截至2012年年底，全国发电装机容量达到11.44亿千瓦，其中核电为1257万千瓦，占全国总装机容量的1.10%，水电装机容量为2.49亿千瓦，风电并网装机容量为6300万千瓦，太阳能光伏发电装机容量为650万千瓦，生物质能累计核准容量达到878.1万千瓦，太阳能热水器总集热面积为2.58亿平方米，浅层地热能应用面积为3亿平方米，各类生物质年利用量为3000万吨标准煤。根据以上数据，可以计算出风能、太阳能、核能、生物质能发电能力占新能源发电的比重分别为69.3%、7.2%、13.8%、9.7%。用风能、太阳能、核能、生物质能的发电能力占新能源发电的比重作为权重乘以各自平均增幅后相加，可得新能源发电成本平均增幅为-7.7%～-11.1%。用风能、太阳能、核能、生物质能的发电能力占新能源发电的比重作为权重，分别乘以2012年各自价格，然后再相加，可得到2012年中国新能源发电的综合成本为0.57～0.9元/千瓦时。应用时可取中间值0.765元/千瓦时。②水电行业比较成熟，生产成本已低于化石能源发电成本，水电工程造价变动主要受征地移民补偿标准提高和物价上涨等因素影响。整体来说，变动不大。同时，根据规模大小，水电分别可被列入新能源与传统能源，因此，具体计算时不再把水电成本变动列入评价新能源成本变动之列。③太阳能、风能、水能、地热能发电过程中没有原材料的成本问题，主要受电场造价等初始投资成本影响，其他成本相对较小，但需同时考虑发电及传输成本。由于前些年太阳能、风能发电的成本较高，因此，成本下降空间及下降幅度都较大。④核电成本变动主要受通货膨胀率影响，这里采用中国近些年比较正常的年通货膨胀率4%作为核能每年生产成本上升的幅度。⑤生物质能发电的成本变化主要受原材料影响，由于人工成本不断增加，生物质能发电的成本很难下降，这里采用中国近些年比较正常的年通货膨胀率4%作为生物质能每年生产成本上升的幅度。⑥表格中数据参考多方数据综合得来。
表4-3 不同情景下的火电与新能源电力的成本趋同时间（2012年为基准时间）
从表4-3可以看出，如果化石能源价格不出现长期下跌态势，到2017年前后，新能源电力将初步具备同火电相当的成本竞争力。随着时间的推移，新能源电力成本的竞争优势将日益明显。但如果化石能源价格持续下跌，新能源电力取得成本优势的时间也随之推后。
对于生物质能发电来说，由于原材料及人工成本占很大比重，其成本呈上升态势。如果化石能源不出现明显下跌态势，到2025年前后，生物质能才能逐步具备同化石能源相当的成本竞争力，但优势也不会特别明显。如果化石能源价格下降，生物质能发电就很难取得成本优势。不过，由于生物质能开发能增加就业，并能使农民增收，减少环境污染，因此，其也具有开发的价值。
由于核电、太阳能热水器、沼气、水电目前已具有市场竞争力，到2017年前后，随着新能源电力成本竞争力的上升，整个新能源行业也将初步具有同化石能源相当的成本竞争力。
有一些相关研究文献也持类似观点，如在风电成本预测方面，有如下观点。
有研究认为，2015年新建陆上风电项目的度电成本为0.44～0.45元/千瓦时，2020年度电成本为0.41～0.42元/千瓦时，度电成本呈明显下降趋势。从发电成本角度看，2015年风电具备同火力发电上网竞争的实力。
也有研究认为，到2020年，随着技术的进步，风电成本将降低到可以与常规化石能源电力竞争的水平，风电实现快速发展，将从补充能源上升为主导能源之一。
在光伏发电成本预测方面有如下观点。
有研究认为，未来我国光伏发电的学习率完全有可能保持在15%～20%的水平。所以，到2020年光伏发电的价格将接近传统化石能源，具备与传统化石能源竞争的实力。
另有研究认为，光伏发电在我国部分地区将实现平价上网。在主要驱动因素的作用下，在我国太阳能辐射强度第三资源区和第四资源区晶硅光伏发电成本分别可以达到0.394元/千瓦时、0.487元/千瓦时（2009年不变价，40年项目期，8%折现率，无财务费用），这一目标预计在2020年以前可实现。
目前中国风电实行分区域标杆电价，太阳能发电主要还是靠补贴。国家能源局提出，将逐渐降低新能源入网电价，并在2020年前实现太阳能、风能等新能源电价与火电持平。根据前面的计算，这一目标实现的可能性较大。
3．硬性替代模式下的新能源成本分析
近年来，随着能源消费总量的快速增加，能源对外依存度不断提高，加上改善环境的要求，中国开始实行能源消费总量控制。实行能源消费总量控制，意味着硬性替代的规模将增大。
根据国务院新闻办公室2012年10月24日发布的《中国的能源政策（2012）》白皮书的数据，中国石油对外依存度已经达到57%。2009年中国从煤炭净出口国变成净进口国，2011年超越日本成为全球最大的煤炭进口国。2012年中国进口的煤炭为2.9亿吨，接近1980年全国煤炭消费量6.1亿吨的1/2。2006年中国成为天然气净进口国，2012年天然气对外依存度接近1/3。进口渠道单一，地区集中，对外依存度不断上升给中国能源安全带来严峻挑战。
当前，煤炭约占中国能源消费总量的70%。而中国二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的67%、二氧化碳排放量的70%都来自燃煤。控制能源消费总量，是破解雾霾围城等环境问题的重要途径。
在这种背景下，中国提出了能源消费总量控制的思路。国务院提出的近期目标是，到2015年，全国能源消费总量控制在40亿吨标准煤左右，用电量控制在6.15万亿千瓦时左右，万元GDP能耗下降至16%。中共十八大报告进一步明确了“控制能源消费总量”的战略任务。
2013年，国家发改委以及各省都印发了控制能源消费总量的工作方案。但由于国家的考核办法没有出台，而且各省的年度目标也不是很明确，地方推进不是很快。不过，从长期来看，实施能源消费总量控制政策措施势在必行。
当能源消费总量到达预期总量控制目标后，新能源的总量增加，将主要硬性替代化石能源。这意味着要淘汰原有化石能源设施设备，部分成本也将转嫁到新能源开发成本上，这决定了新能源的硬性替代面临更大的成本压力。
以新能源电力为例。利用新能源电力取代原有使用年限没有到期的火电，意味着淘汰火电的成本需要计算到新能源电力的成本中，包括原有火电厂的设备淘汰、工作人员的安置等问题。因此，在利用新能源替代化石能源过程中，除了一些必须淘汰的小火电外，要尽量避免硬性替代。在这一条件制约下，即使严格执行国家发改委、国家能源办的《关于加快关停小火电机组的若干意见》的要求——“对到期应实施关停的机组，即年限到期或者超期的小火电机组进行就地报废”，每年年限到期或超期的火电规模有限，决定了利用新能源电力设施替代火电机组的进程依然是一个相对缓慢的进程。
同时，中国正在酝酿实施的能源消费总量控制计划，主要是煤炭消费总量控制。这意味着煤炭在能源消费总量中的比重将降低，也给新能源的发展提供了更大的空间。但从中长期看，煤炭仍然是亚太地区尤其是中国最主要的能源，煤炭消费总量下降的空间有限。这些因素决定了中国新能源硬性替代化石能源的规模相对有限。
三 中国新能源替代目标分析
在利用新能源替代化石能源过程中，成本是主要的制约因素。设定新能源替代目标，既要结合能源消费总量控制要求，确定新能源柔性替代的规模，又要根据成本趋势分析新能源替代规模的可行性。
1．基于能源消费总量控制与成本可行性的新能源替代目标分析
根据国家“十二五”规划，2015年，全国能源消费总量控制在40亿吨标准煤左右。对于2020年的控制目标，本书按45亿吨标准煤进行计算。由于2012年能源消费总量为36.2亿吨标准煤，要实现能源消费总量控制目标，年均增长率要控制在2.76%，“能源消费年绝对增加量”见表4-4。
对于新能源，截至2012年年底，全国商品化新能源年利用量约占一次能源消费总量的9%, 约为3.26亿吨标准煤。如果到2020年，达到15%，新能源消费总量需达到6.75亿吨标准煤，年均增长率需达到9.52%。计算出每年的新能源消费绝对增加量后再比上相对应的能源消费年绝对增加量，即得能源消费总量控制背景下，新能源消费绝对增加量占能源消费年绝对增加量的比重，参见表4-4。
表4-4 实行与不实行能源消费总量控制背景下实现新能源替代目标需要的开发速度及规模
根据表4-4的计算结果，如果要同时实现能源消费总量控制与新能源发展目标，在通过提高能源利用效率等措施控制能源消费总量的同时，新能源消费绝对增加量占能源消费年绝对增加量的比重要超过30%，并且逐年大幅度增加。尽管目标比重高，压力很大，但由于基数小，这些目标还是有可能实现的。
实际上，在近年的能源消费年绝对增加量中，新能源已经占有较高的比重。例如，根据国家统计局数字，2012年，中国新能源消费绝对增加量占能源消费年绝对增加量的比重已超过40%。
在新能源开发成本较高的背景下，增加新能源比重，不仅会导致能源开发利用成本的增加，而且会带来能源消费价格的上涨。以电力为例，依据2013年新增的各种新能源发电所占的比例及各种新能源发电成本进行计算，2013年新增电力的成本比完全开发火电高3%左右，导致整体电力成本上涨1%左右。
有研究结果表明，全社会平均价格水平对于电力、煤炭以及成品油的价格弹性分别为0.178、0.062和0.105，即电价、煤价和成品油价格均上升10%将使社会总体价格水平分别上涨1.78%、0.62%和1.05%。2013年电力成本上涨1%，意味着社会总体价格水平上涨了0.178%。
但相比较德国，中国开发利用新能源带来的电力价格上涨幅度并不大。2000年以来德国消费者共计为可再生能源出资1090亿欧元，德国电价实际上涨超过61%。工业电价也因可再生能源的投入而水涨船高。有数据显示，2005年以来，欧洲工业电价上涨40%，德国工业电价又比该水平高出19%。
基于以上分析，本书认为，成本上升导致的能源消费价格上涨给中国新能源开发利用带来一定的压力，但是可承受的。通过提高每年新增能源中新能源的比重，到2020年，中国“可再生能源年利用量占一次能源消费总量15%”的目标是可能实现的。
国外相关研究及实践也支持这一结论。如《2014能源技术展望》认为：尽管在2011年化石能源载体依然占到全球电力结构中一次燃料的2/3，并且近年需求增长的大部分源于化石能源，但过去几年，风电和太阳能光伏发电保持了两位数的增长，使得全球的可再生能源份额在2011年增加到20%。到2050年，可再生能源的份额会达到65%。但要同时实现能源消费总量控制与新能源替代目标，面临较大压力。
首先是能源消费总量控制的压力。2013年全国能源消费总量为37.6亿吨标准煤，距离2015年40亿吨标准煤红线只有2.4亿吨空间。这意味着，2014年、2015年年均能源消费增量必须控制在1.2亿吨标煤之内。其他各年也面临类似的压力。
其次是初始投入资金问题。根据前面的情景分析，即使在对新能源最有利的情景下，新能源要取得成本竞争优势，也需要到2017年前后。同时，未来新增加的新能源中，成本较低的水能新增潜力有限。未来新能源的增加将更多地依赖太阳能、风能、生物质能以及地热能，这将导致开发成本的大幅度上升，需要更多的初始投入资金。
例如，有研究得出的结论是：要想实现国家《可再生能源中长期发展规划》，在2020年将可再生能源占总能源消费的比例从2005年的7.5%提高到15%, 2005～2010年的可再生能源产业投资年平均增长率应不低于14.3%, 2010～2015年、2015～2020年的年平均增长率分别应为16.5%、15.6%，均远远高于我国未来可能的GDP增长率。
面对较大规模的初始投入资金，单靠国家及大型能源企业难以实现预期目标，需要广泛动员社会资本参与。
2．不考虑能源消费总量控制的新能源替代目标分析
在不考虑能源消费总量控制的前提下，2005～2012年，中国能源消费总量年平均增长率为6.3%，以2012年的36.2亿吨标准煤为基点，可计算出2013～2020年各年的能源消费总量及绝对增加量（见表4-4）。
对于新能源消费，要达到2020年占能源消费总量15%的目标，新能源消费总量需达到8.85亿吨标准煤，年均增长率需达到13.3%。计算每年的新能源消费绝对增加量后再比上相应的能源消费年绝对增加量，即得在不实行能源消费总量控制背景下，要实现新能源替代目标，新能源消费绝对增加量占能源消费年绝对增加量的比重，参见表4-4。
从结果看，在不实行能源消费总量控制背景下，尽管每年新能源消费绝对增加量占能源消费年绝对增加量的比重不高，但每年绝对增加的总量比实行能源消费总量控制背景下要高出30%～80%。要实现2020年能源替代目标，面临更大的压力，需要付出更多的学习成本。
同时，能源消费总量过高，从能源安全来讲，也是不可持续的。2013年中国原油对外依存度已达到57.39%，天然气对外依存度上涨至30.5%，煤炭净进口量达3.2亿吨。无论是国内能源供给还是国外进口，都面临较大的压力。
再加上环境等因素的影响，如果不进行适度的能源消费总量控制，将不利于我国能源领域的可持续发展。因此，需要通过利用价格工具、提高能源效率、劝诱技术和配额等措施积极控制能源消费总量。
综合以上分析，可以得出三条主要结论。
一是在利用新能源替代化石能源的过程中，应主要采取柔性替代的方式，以减少替代成本，降低替代压力。但对于已经到了设计寿命的化石能源设施设备以及小火电等能耗大且污染大的设施设备则要坚决淘汰，以实现能源消费总量控制目标。
二是中国已制定的新能源替代目标是可以实现的，但在每年新增的能源消费中，新能源需要保持较高比例。由于到2017年前后，新能源将开始具备成本竞争力，扩大比例是可行的。但同时，也存在不确定性因素，如果化石能源价格出现大幅度下滑的情况，预期目标则难以按计划实现。
三是成本高问题依然是制约新能源开发利用的主要因素。实现新能源替代目标，需要付出较大的学习成本。有研究认为，“光伏发电成本低于上网电价的累计学习成本为1572亿元，风电累计学习成本约为288亿元”。新能源的成本高问题主要体现为初始投入大，这给开发者带来较大的资金压力。
通过技术进步、扩大市场规模等措施降低新能源开发成本，是实现新能源替代目标的关键。需要采取完善投融资机制、充分动员社会资本参与新能源的开发利用等措施，以扩大新能源开发资金的来源渠道。同时，也要认识到，阻碍我国可再生能源如风电发展的主要因素不仅来自发电成本，而且来自电网等其他方面的因素，需要从多个方面进行政策引导与规范，完善市场激励与约束机制。