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Assessment of Carbon Emission Reduction and Costs of Global Renewable Energy Investment 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
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為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，以電能替代與電氣化快速發(fā)展驅(qū)動(dòng)的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略已日益成為國際共識(shí)[1-4]。根據(jù)主流國際機(jī)構(gòu)能源情景展望結(jié)果，電能占終端能源消費(fèi)比重預(yù)計(jì)從當(dāng)前的20%增長至2050年的50%左右[5]。其中，國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）能源轉(zhuǎn)型路線圖預(yù)計(jì)2050年電能占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到49%[6]，DNV GL能源轉(zhuǎn)型展望結(jié)果將達(dá)到46%[7]，而滿足《巴黎協(xié)定》1.5 ℃溫控目標(biāo)的低能源需求情景（LED）需要到60%[8]，以全球互聯(lián)互通促進(jìn)清潔能源規(guī)模化開發(fā)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)能源情景結(jié)果預(yù)計(jì)達(dá)到50%[9]。在2018年能源需求增長驅(qū)動(dòng)下，全球與能源有關(guān)的CO2排放量增長1.7%，達(dá)到331億t CO2，成為歷史新高。電力生產(chǎn)部門（電力部門）碳排放占能源相關(guān)排放總量的38%，電力部門排放量增量占能源相關(guān)排放總增量的近三分之二[10]。文獻(xiàn)[11]提出4種用于減少化石能源燃燒排放的主要路徑，包括降低能源需求、能源服務(wù)電氣化、電力部門脫碳以及終端非電燃料脫碳。伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及應(yīng)對(duì)氣候變化迫切要求，電能消費(fèi)將持續(xù)呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，因此電力部門減排面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究報(bào)告表明，實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2 ℃及1.5 ℃溫控目標(biāo)，本世紀(jì)中葉需要電力部門率先完全脫碳，實(shí)現(xiàn)凈零排放[12]。
2018年全球電力生產(chǎn)達(dá)到26.6萬億kWh，其中化石能源發(fā)電高達(dá)64%以上[5]。針對(duì)電力部門減排，許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)行了減排技術(shù)潛力和成本量化分析。一次能源中煤炭60%以上用于電力生產(chǎn)，因此以清潔能源發(fā)電代替高排放煤電是促進(jìn)電力部門減排的有效手段，根據(jù)能源系統(tǒng)投資成本最優(yōu)得到的全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下的清潔發(fā)電占比可達(dá)到80%以上[9]；隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，IRENA預(yù)計(jì)2050年可再生能源將供應(yīng)86%的電力生產(chǎn)[6]。化石能源發(fā)電碳捕集及封存（CCS）也是一種低碳供應(yīng)的可行路徑，但由于其較低捕集率及較高成本，IPCC研究報(bào)告表明1.5 ℃路徑中化石能源CCS使用有限[12]。考慮到1.5 ℃路徑深度減排需要負(fù)排放技術(shù)，生物質(zhì)發(fā)電碳捕集及封存（BECCS）將在電力部門實(shí)現(xiàn)凈零排放中發(fā)揮重要作用[12]。特高壓及智能電網(wǎng)應(yīng)用可促進(jìn)清潔能源大規(guī)模發(fā)展，并降低輸電損耗、提高輸電效率，對(duì)電力部門減排具有支撐作用[1]。減排成本方面，文獻(xiàn)[13]對(duì)中國低碳電力技術(shù)減排潛力及減排成本進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電CO2減排成本在200～300元/t，光伏發(fā)電CO2減排成本在400～550元/t，水電CO2減排成本最低，介于-53～-6元/t。文獻(xiàn)[14]對(duì)化石燃料及可再生能源減排成本進(jìn)行了比較，研究表明水電、核電及風(fēng)電由于其低成本和低排放量，是應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的重要減排技術(shù)，其中水電減排成本最低。文獻(xiàn)[15]對(duì)比分析了發(fā)達(dá)國家及發(fā)展中國家化石能源發(fā)電及可再生能源發(fā)電減排成本，研究表明大部分可再生能源發(fā)電減排成本高于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（CCGT）減排技術(shù)。文獻(xiàn)[16]研究了美國增加25%可再生能源的經(jīng)濟(jì)成本，可再生能源替代煤電的CO2減排成本可低至23 美元/t。
以往可再生能源減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析均采用與化石能源發(fā)電成本進(jìn)行對(duì)比[14-16]，量化替代煤電或氣電的碳減排額外成本，衡量減排技術(shù)是否具有經(jīng)濟(jì)競爭力。但此方法無法評(píng)估可再生能源的投資減排量或減排目標(biāo)下所需可再生能源投資。同時(shí)，以往研究缺少對(duì)全球及重點(diǎn)區(qū)域或國家可再生能源投資減排的系統(tǒng)評(píng)估。為此，本文首先總結(jié)電力部門減排整體框架，在此基礎(chǔ)上分析全球及重點(diǎn)國家可再生能源發(fā)電減排路徑；其次提出可再生能源減排成本評(píng)估方法，量化分析全球及重點(diǎn)區(qū)域或國家最新可再生能源單位投資減排成效，分析減排成本的地域分布特點(diǎn)；最后計(jì)算滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃溫控目標(biāo)的可再生能源投資需求量。
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圖1為電力部門減排技術(shù)總體框架圖。電力部門排放核心指標(biāo)包含發(fā)電量及度電排放因子，因此減排策略可分為兩個(gè)方面：一是在滿足同等用電需求情況下，通過降低輸電損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；二是通過優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)及提升發(fā)電效率推動(dòng)度電排放水平下降。圖1中4類技術(shù)組合可促進(jìn)電力部門減排：一是通過大力發(fā)展清潔能源、在火電中增加氣電比重來優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，降低度電排放水平；二是通過發(fā)展特高壓及智能電網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)大范圍電力互聯(lián)互通，推動(dòng)清潔能源規(guī)?；l(fā)展，同時(shí)高壓輸電技術(shù)可以降低輸電損耗，促進(jìn)節(jié)能減排；三是采用高效清潔燃煤發(fā)電技術(shù)提升發(fā)電效率；四是化石能源發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電過程中通過碳捕集及封存降低度電排放水平。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖1 電力部門減排總體框架圖
Fig.1 Framework of emission reduction in power sector 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.1 清潔能源發(fā)電技術(shù) 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
可再生能源發(fā)電技術(shù)主要包括水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電等。本文忽略可再生能源發(fā)電技術(shù)全生命周期內(nèi)設(shè)備原材料、加工生產(chǎn)、運(yùn)輸及發(fā)電設(shè)備建造等環(huán)節(jié)的間接排放，因此可再生能源發(fā)電作為零碳電源，通過替代煤電等高排放化石能源發(fā)電，降低電力生產(chǎn)過程中的度電排放。2018年全球可再生能源發(fā)電量達(dá)到 6.8萬億kWh，占全球總發(fā)電量的25.6%，較2010年提高5.3個(gè)百分點(diǎn)[17]?？稍偕茉匆殉蔀槿蛐略鲅b機(jī)主力電源，2018年新增裝機(jī)171 GW，占總新增裝機(jī)中比重達(dá)到62%[18]?？稍偕茉窗l(fā)電成本大幅下降，已與化石能源發(fā)電成本相當(dāng)。2018年全球陸上風(fēng)電、光伏平均度電成本分別下降至0.056美元/kWh、0.085美元/kWh，相比2010年成本分別下降34%、77%。水電、陸上風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電平均度電成本已觸及最低化石能源發(fā)電成本[19]，伴隨技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，可再生能源成本相比化石能源將更具競爭力。 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
除可再生能源發(fā)電外，在火電中提高天然氣發(fā)電比例同樣可以降低度電排放水平。中國、印度等國家火電以煤電為主，煤電在火電結(jié)構(gòu)中占比均超過93%，因此火電度電排放水平較高，CO2排放分別達(dá)到0.87、0.89 kg/kWh，明顯高于全球平均水平（0.79 kg/kWh）。相比之下，俄羅斯和中東地區(qū)天然氣發(fā)電占比達(dá)到70%，火電度電排放水平較低。全球可再生能源發(fā)電和天然氣發(fā)電持續(xù)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，2018年電力生產(chǎn)度電CO2排放水平降至0.476 kg/kWh。 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.2 電網(wǎng)技術(shù) 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
互聯(lián)互通技術(shù)是指以特高壓和智能電網(wǎng)為支撐，推動(dòng)清潔能源大范圍、大規(guī)模優(yōu)化配置和開發(fā)利用的輸電技術(shù)。特高壓交流的輸電線路年平均線損率小于2%[20]，背靠背直流系統(tǒng)的年平均電量損耗在1.5%左右[21]，因此特高壓輸電技術(shù)在輸電能力顯著提升同時(shí)，通過降低輸電損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。研究表明，1000 kV特高壓交流輸變電工程較500 kV輸變電工程每年節(jié)約電能2.8億kWh，年碳減排量為25萬t[22]。截至2019年底，中國特高壓建成“十一交十四直”、核準(zhǔn)在建“三交三直”工程。智能電網(wǎng)依托數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，可大幅提高清潔能源消納能力，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，充分挖掘用能側(cè)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等設(shè)備調(diào)節(jié)潛能，支撐終端冷、熱、電、天然氣等多能互補(bǔ)綜合能源服務(wù)，通過信息和通信深度融合，實(shí)現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，提高能源利用效率和電網(wǎng)運(yùn)行效率，推動(dòng)節(jié)能減排。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
1.2.3 高效清潔燃煤技術(shù)
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高效清潔燃煤技術(shù)主要包括超臨界（supercritical，SC）、超超臨界（ultra-supercritical，USC）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（integrated gasification combined cycle，IGCC）技術(shù)等。這些發(fā)電技術(shù)可以通過鍋爐改造或循環(huán)利用提高火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率，減少發(fā)電煤耗，進(jìn)而減少度電排放。2018年全球燃煤發(fā)電量為10.1萬億kWh，占全球總發(fā)電量的38%，較2010年下降2個(gè)百分點(diǎn)。從裝機(jī)看，2017年全球煤電裝機(jī)為2088 GW，其中采用SC、USC技術(shù)的煤電裝機(jī)占比分別為19%和13%，較2010年分別增加3個(gè)和8個(gè)百分點(diǎn)[23]。從成本看，2015年SC、USC、IGCC這3項(xiàng)高效清潔燃煤技術(shù)的度電成本為0.055～0.060美元/kWh，高于次臨界發(fā)電技術(shù)成本[24]。從度電排放看，2015年SC、USC、IGCC的度電排放CO2分別約為0.8 kg/kWh、0.73 kg/kWh和0.64 kg/kWh，低于次臨界發(fā)電（約為0.88 kg/kWh）[25]。從投資看，2018年全球燃煤發(fā)電廠最終決策投資（final investment decision，F(xiàn)ID）為 22 GW，同比下降30%，大多數(shù)最終決策投資針對(duì)高效煤電廠，低效的次臨界煤電廠僅占10%。其中，印度是最大的煤電投資市場(chǎng)，SC技術(shù)是最主要的高效清潔技術(shù)[26]。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
1.2.4 CCS技術(shù)
CCS技術(shù)指將化石能源發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電過程中排放的CO2收集，并用各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。通過CCS實(shí)現(xiàn)降低電力部門度電排放，其中BECCS技術(shù)是目前主流的負(fù)排放技術(shù)，在電力部門深度減排中將發(fā)揮不可或缺的作用[12]。截至2020年初，全球規(guī)模化運(yùn)行的CCS項(xiàng)目僅有 2個(gè)，其中加拿大的Boundary Dam碳捕集及封存能力為1 Mt/a，2014年開始運(yùn)行；美國的Petra Nova碳捕集及封存能力為1.4 Mt/a。目前電力生產(chǎn)CCS技術(shù)成本非常高，Boundary Dam的碳捕集成本高達(dá)100美元/t，Petra Nova的碳捕集成本為65美元/t[27]。雖然成本有一定程度下降，但仍遠(yuǎn)高于可再生能源發(fā)電的減排成本，CCS進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段仍需進(jìn)一步降低成本。全球CCS研究所樂觀估計(jì)2024—2028年計(jì)劃運(yùn)行的碳捕集成本為43美元/t，中試規(guī)模的新技術(shù)有望下降至33美元/t[27]。生物質(zhì)發(fā)電碳捕集需充分考慮燃料問題，能源作物種植需要最大限度降低對(duì)糧食生產(chǎn)造成的威脅，同時(shí)種植大量能源作物需要大量的水資源和肥料，這些都是生物質(zhì)發(fā)電及碳捕集需要考慮和解決的問題。
本文僅對(duì)可再生能源減排技術(shù)進(jìn)行討論，重點(diǎn)分析其減排路徑、減排成效及滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃溫控目標(biāo)的可再生能源投資需求。
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電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電每提高r個(gè)百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的減排量占電力部門排放量比重Pr的計(jì)算關(guān)系式為 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
式中：E(T)是電力部門T年發(fā)電量，kWh；CT是T年的火電碳排放強(qiáng)度，kg/kWh；RC,T是T年電源結(jié)構(gòu)中清潔能源發(fā)電量占比；r(T)指T年清潔能源發(fā)電提高r個(gè)百分點(diǎn)。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
考慮到可再生能源發(fā)電建設(shè)成本集中在項(xiàng)目前期，而電源建設(shè)具有一定施工周期，因此僅用項(xiàng)目前期較高的投資量和前期較小清潔發(fā)電減排量計(jì)算的碳減排成效會(huì)造成過低估計(jì)?？稍偕茉赐顿Y潛在的減排成效應(yīng)考慮電源全生命周期的投資和對(duì)應(yīng)的清潔發(fā)電等效碳減排貢獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。綜合考慮全生命周期內(nèi)可再生能源建設(shè)成本、運(yùn)維成本、燃料成本、總發(fā)電量、碳排放強(qiáng)度（碳強(qiáng)度）、折現(xiàn)率以及全生命周期內(nèi)清潔發(fā)電替代火電的碳排放量，可再生電源單位投資的潛在減排成效PE為 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
式中：It是可再生能源電源系統(tǒng)生命周期內(nèi)第t年建設(shè)費(fèi)用支出，美元；Mt是第t年的運(yùn)維費(fèi)用支出，美元；Ft是第t年的燃料費(fèi)用支出，美元；Et是第t年的可再生能源發(fā)電量，kWh；CT是T年的火電碳排放強(qiáng)度，kg/kWh；r是折現(xiàn)率，%；n是系統(tǒng)生命周期的壽命，a。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
本文可再生能源是指風(fēng)能、太陽能、水能、地?zé)崮?、波浪能、生物質(zhì)能，式（2）中除生物質(zhì)能源需要燃料成本外，其他可再生能源燃料成本均為零。電力生產(chǎn)平準(zhǔn)化度電成本（levelized cost of energy，LCOE）的定義為 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
式中：CLCOE,T為T年可再生能源發(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本，美元/kWh。 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
因此式（2）可再生電源單位投資的減排成效PE可以改寫為 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
某區(qū)域或國家T年各類可再生能源總投資減排成效R(T)可由式（5）計(jì)算：
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式中：i為可再生能源類別，如光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等；φ 是可再生能源集合；Ii,T是T年可再生能源i的投資；PE,i,T是T年可再生能源i的單位投資減排成效，由式（4）計(jì)算得出。
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圖2為電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電占比每提高1～4個(gè)百分點(diǎn)減排量占比關(guān)系圖。從式（1）及圖2可以看出減排量占比Pr曲線與清潔發(fā)電占比呈單調(diào)遞增的“凸函數(shù)”關(guān)系，減排量占比隨著電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電比重提高而逐漸增大。從式（1）可以看出，當(dāng)清潔發(fā)電占比RC,T很小時(shí)，分母接近于1，分子提升對(duì)Pr影響較小。當(dāng)電源結(jié)構(gòu)中清潔發(fā)電占比在20%以下時(shí)，即使清潔占比提高4個(gè)百分點(diǎn)，減排量占比仍在5%以下；當(dāng)清潔占比達(dá)到60%時(shí)，每提高4個(gè)百分點(diǎn)，減排量達(dá)到10%；清潔占比達(dá)到80%時(shí)，每提高4個(gè)百分點(diǎn)，減排量可達(dá)到20%，減排效果顯著提升。因此，若要充分發(fā)揮清潔電源在電力部門中的減排作用，首先應(yīng)該推動(dòng)清潔能源規(guī)?；l(fā)展，否則清潔占比的提高對(duì)減排作用有限。根據(jù)國際能源署（International Energy Agency，IEA）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]，全球清潔發(fā)電占比從1990年的36.6%降為2017年的35.1%，這主要是由于核電和水電發(fā)展速度遠(yuǎn)低于電力需求增速，而其他清潔電源體量較小。清潔電源發(fā)展初期以核能和水能為主，1990年除核電和水電之外的清潔能源發(fā)電占比僅為1.3%，2017年達(dá)到8.5%，年均增速雖然達(dá)到10.3%，但清潔發(fā)電在總發(fā)電量中占比仍然很小。同時(shí)，1990—2017年間水電和核電發(fā)電量之和年均增長率為1.8%，低于全球電力需求增速2.9%，總體上全球清潔發(fā)電占比出現(xiàn)了一定程度下降。從圖2中全球數(shù)據(jù)可以看出，1990—1995、1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015等清潔占比每5年提高比例均低于1個(gè)百分點(diǎn)，減排量曲線位于灰色線以下。相比來看，德國25年間清潔發(fā)展成效顯著，減排路徑也有逐漸“攀爬”的趨勢(shì)，說明德國電力部門減排力度持續(xù)增強(qiáng)，2010—2015年間減排量占比達(dá)到7.3%。根據(jù)IEA的德國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]，2010年清潔發(fā)電量占比達(dá)到39.8%，2015年清潔發(fā)電占比提高4.3個(gè)百分點(diǎn)，年均增長0.9個(gè)百分點(diǎn)，減排路徑基本維持在2%曲線以上。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖2 清潔能源發(fā)電減排路徑變化圖
Fig.2 Change of emission reduction pathway with development of renewable power generation
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注：清潔能源包括風(fēng)能、太陽能（光伏、光熱）、水電、核能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、波浪能、可再生廢棄物；G代表德國，W代表全球，1:1990—1995,2:1995—2000,3:2000—2005,4:2005—2010,5:2010—2015。 本@文$內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
2018年，全球可再生能源發(fā)電投資達(dá)到2889億美元，遠(yuǎn)超過化石能源發(fā)電投資。相比2017年可再生能源投資下降11%，主要是由于技術(shù)成本下降及中國光伏政策導(dǎo)致的投資下降?？稍偕茉赐顿Y主要集中在光伏和風(fēng)電，2018年光伏和風(fēng)電投資分別達(dá)到1397億、1341億美元，合計(jì)占總投資比重達(dá)到95%。2018年，中國投資占全球可再生能源總投資約1/3，已連續(xù)第 7年成為全球可再生能源投資最多的國家，歐洲和美國緊隨其后，占比分別為21%和17%[28]。
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3.2.1 全球單位投資減排成效
根據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年電力生產(chǎn)碳強(qiáng)度為 0.476 kg/kWh，化石能源發(fā)電平均碳強(qiáng)度為0.743 kg/kWh。2010年電力生產(chǎn)碳強(qiáng)度為0.529 kg/kWh，化石能源發(fā)電平均碳強(qiáng)度為0.786 kg/kWh。在可再生能源快速發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，2018年電力生產(chǎn)碳強(qiáng)度相比2010年下降10%；伴隨化石能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中天然氣發(fā)電比例提高，化石能源發(fā)電碳強(qiáng)度也有小幅下降，2018年化石能源發(fā)電碳強(qiáng)度相比2010年僅下降5.5%。
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根據(jù)IRENA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[19]，2018年全球光伏發(fā)電平均度電成本為0.085美元/kWh，相比2010年下降77%；光熱度電成本雖然較高，但也有大幅下降，2018年全球光熱發(fā)電平均度電成本為0.185美元/kWh，相比2010年下降46%；陸上風(fēng)電成本仍顯著低于光伏發(fā)電成本，2018年全球陸上風(fēng)電平均度電成本為0.056美元/kWh，相比2010年下降34%；海上風(fēng)電雖然降本成效顯著，但仍為陸上風(fēng)電成本2倍之多，2018年全球海上風(fēng)電平均度電成本為0.127美元/kWh，相比2010年下降20%；水電仍是目前價(jià)格最低廉的可再生能源，但隨著水能資源較好的流域逐漸被開發(fā)利用，新建水電工程地理位置偏遠(yuǎn)，自然條件惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施落后，對(duì)外交通條件困難，工程勘察、施工難度加大，水電開發(fā)的建設(shè)成本、并網(wǎng)成本相對(duì)增高。同時(shí)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平提高，耕地占用稅等稅費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)提升，征地移民投資大幅增加，生態(tài)環(huán)保投入不斷加大，水電開發(fā)成本急劇增加。2018年全球水電平均度電成本為0.047美元/kWh，相比2010年增長27%；2018年全球生物質(zhì)發(fā)電平均度電成本為0.062美元/kWh，相比2010年下降17%；2018年全球地?zé)岚l(fā)電平均度電成本為0.072美元/kWh，相比2010年增長50%，目前全球新增地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目較少，發(fā)電成本對(duì)所在國技術(shù)水平、地?zé)豳Y源儲(chǔ)量、設(shè)備成本比較敏感，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)仍未顯現(xiàn)。各類可再生能源度電成本見表1[19]。
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表1 2010與2018年各類可再生能源度電成本
Table 1 LCOE of renewable power generation in 2010 and 2018 美元/kWh
根據(jù)度電成本、電力生產(chǎn)碳強(qiáng)度及式（4），2010—2018年可再生能源單位投資減排成效如圖3所示。從圖3可以看出，2018年水電單位投資CO2減排成效達(dá)到15.8 kg/美元，明顯高于其他可再生能源減排成效。其次為陸上風(fēng)電，2018年單位投資CO2減排成效達(dá)到13.3 kg/美元，相比2010年提高44.5%；光伏單位投資減排成效增長最為顯著，2018年達(dá)到8.7 kg/美元，相比2010年提高3倍。生物質(zhì)可廣泛來源于成本低廉的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品和林業(yè)廢棄物，同時(shí)容量因子較高（全球平均值在80%以上），導(dǎo)致度電成本較低，因此生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效較高，2018年CO2減排成效為12.0 kg/美元；地?zé)岚l(fā)電仍處于開發(fā)前期階段，高溫地?zé)豳Y源使得地?zé)岚l(fā)電具有較好的競爭優(yōu)勢(shì)，2018年單位投資CO2減排成效為10.3 kg/美元，相比2010年減少37%。當(dāng)前海上風(fēng)電和光熱單位投資CO2減排成效較低，分別為5.8和4.0 kg/美元，但均有增長的趨勢(shì)。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
圖3 2010與2018年可再生能源單位投資減排成效評(píng)估
Fig.3 Emission reduction assessment of unit renewable investment in 2010 and 2018 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
3.2.2 區(qū)域及重點(diǎn)國家單位投資減排成效 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
圖4為區(qū)域及重點(diǎn)國家2010—2018年間陸上風(fēng)電單位投資減排成效評(píng)估結(jié)果?？傮w來看，全球陸上風(fēng)電單位投資減排成效均有不同程度的提高，其中中國、非洲、北美洲單位投資減排成效增長高于全球平均水平。從單位減排成效絕對(duì)量來看，中國陸上風(fēng)電單位投資CO2減排成效最大，2018年達(dá)到18.2 kg/美元，相比全球平均值高出37%。中國的高投資減排成效主要有兩方面原因：一是由于中國對(duì)風(fēng)電發(fā)展強(qiáng)有力的政策支持，以及風(fēng)電退補(bǔ)貼政策驅(qū)動(dòng)下風(fēng)機(jī)建設(shè)成本持續(xù)降低，2018年平均建設(shè)成本為1170美元/kW[19]，處于全球最低水平，因此中國陸上風(fēng)電度電成本具有顯著競爭力；二是由于中國火電度電排放高，化石能源發(fā)電結(jié)構(gòu)中95%為煤電[5]，僅有少量氣電，火電碳強(qiáng)度明顯高于其他地區(qū)，較低的度電成本和較高的度電排放使得在中國投資1美元將生產(chǎn)更多風(fēng)電，有效避免高排放的煤電生產(chǎn)，風(fēng)電投資減排成效高于其他地區(qū)。印度單位投資CO2減排成效為14.7 kg/美元，與中國情況類似，印度風(fēng)電度電成本較低，而火電碳強(qiáng)度全球最高，因此也具有較好的單位投資減排成效。相比之下，雖然歐洲是風(fēng)電發(fā)展較早的地區(qū)，但由于人工及設(shè)備成本較高，平均度電成本高于全球其他地區(qū)；同時(shí)歐洲火電中45%為碳排放較低的氣電，電力生產(chǎn)碳強(qiáng)度較低，因此歐洲單位投資減排成效相對(duì)較低。在統(tǒng)計(jì)的區(qū)域和國家中俄羅斯及周邊陸上風(fēng)電單位投資減排成效最低，主要是由于當(dāng)?shù)靥烊粴赓Y源豐富，火電結(jié)構(gòu)中70%為氣電，火電碳強(qiáng)度處于全球最低水平，因此每投資1美元的減排成效較低。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
圖4 2010—2018年區(qū)域及重點(diǎn)國家陸上風(fēng)電單位投資減排成效
Fig.4 Emission reduction assessment of unit onshore wind investment in 2010-2018
圖5為重點(diǎn)國家2010—2018年間光伏發(fā)電單位投資減排成效評(píng)估結(jié)果?？傮w來看，全球光伏發(fā)電單位投資減排成效均有較大程度的提高，2010—2018年印度和中國單位投資CO2減排成效增量超過10 kg/美元，增量及絕對(duì)量均高于全球平均水平。印度光伏發(fā)電單位投資CO2減排成效最大，2018年達(dá)到14.5 kg/美元，比全球平均水平高出66%。中國和印度光伏發(fā)電在規(guī)模經(jīng)濟(jì)推動(dòng)下，建設(shè)成本持續(xù)下降，處于全球較低水平。2018年全球新增光伏裝機(jī)94 GW，占可再生能源新增裝機(jī)的55%，其中，中國新增光伏裝機(jī)44 GW，印度為9 GW。全球光伏組件成本較2017年下降26%～32%，印度和中國光伏發(fā)電建設(shè)成本分別降至793和879美元/kW，使得兩國度電成本降至0.06美元/kWh，比全球平均度電成本低30%。意大利光伏建設(shè)成本僅有870美元/kW，略低于中國，但意大利火電中氣電占比超過75%，因此其火電碳強(qiáng)度遠(yuǎn)低于全球平均水平，僅有0.53 kg/kWh，這使得意大利光伏發(fā)電單位投資CO2減排成效較低，2018年僅為7 kg/美元，不足印度投資減排成效的一半。英國光伏發(fā)電度電成本較高，約為全球平均水平的2倍，同時(shí)其火電碳強(qiáng)度較低，因此其單位投資CO2減排成效僅為3.4 kg/美元?？傮w來看，全球光伏組件成本呈現(xiàn)全球趨同化，歐洲與其他地區(qū)建設(shè)成本差異日益縮小，但由于歐洲光照資源相對(duì)較差，導(dǎo)致光伏發(fā)電容量因子較低，度電成本相對(duì)較高，因此歐洲各國光伏發(fā)電單位投資減排成效較低，如法國、德國、意大利、英國等。亞洲地區(qū)光伏發(fā)電單位投資減排成效相對(duì)較高，如中國、印度等。
圖5 2010—2018年重點(diǎn)區(qū)域及國家光伏發(fā)電單位投資減排成效
Fig.5 Emission reduction assessment of unit solar PV investment in 2010-2018
圖6為區(qū)域及重點(diǎn)國家2010—2018年間大型水電項(xiàng)目單位投資減排成效評(píng)估結(jié)果。全球水電單位投資減排成效出現(xiàn)不同程度下降，如印度、巴西、北美洲。巴西單位投資CO2減排成效下降最為明顯，由2010年的16.5 kg/美元降至2018年的13 kg/美元，降幅超過20%，這主要是由于巴西水電容量因子波動(dòng)較為明顯[19]，由65%降至57%，使得水電度電成本增至0.051美元/kWh，高于中國水電度電成本。水電資源豐富的中國、印度、巴西單位投資減排成效相對(duì)較高，雖然部分地區(qū)減排成效略有下降，但由于其顯著的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，單位投資減排成效仍明顯高于風(fēng)電、光伏等其他可再生能源。中東和歐洲水電單位投資減排成效較低，一方面是由于其火電中氣電比例較高，中東達(dá)到74%，歐洲達(dá)到60%，導(dǎo)致火電碳強(qiáng)度較低；另一方面由于水資源較好流域已被開發(fā)利用，剩余水電資源開發(fā)建設(shè)成本、輸電成本較高，導(dǎo)致度電成本高于其他地區(qū)。歐洲平均度電成本是全球平均水平的2.5倍，因此歐洲水電單位投資CO2減排成效僅為 5.8 kg/美元，低于當(dāng)?shù)仫L(fēng)電和光伏單位投資減排成效。 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
圖6 2010—2018年重點(diǎn)區(qū)域及國家大型水電單位投資減排成效
Fig.6 Emission reduction assessment of large scale hydropower investment in 2010-2018 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
圖7為2018年區(qū)域及重點(diǎn)國家生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效評(píng)估結(jié)果。生物質(zhì)與其他可再生能源不同，燃料成本及其對(duì)應(yīng)的容量因子對(duì)度電成本影響較大，這也直接影響了單位投資減排成效。印度和中國生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效較高，其中印度利用農(nóng)作物肥料谷殼發(fā)電，容量因子可達(dá)到90%；中國利用甘蔗渣及廢物沼氣發(fā)電，燃料成本低，這使得印度和中國生物質(zhì)發(fā)電度電成本低至0.06 美元/kWh；如前所述，印度和中國火電碳強(qiáng)度較高，因此兩國生物質(zhì)發(fā)電單位投資CO2減排成效高于全球平均水平，2018年達(dá)到15 kg/美元左右。北美和歐洲單位投資CO2減排成效較低，低于9 kg/美元，這主要是由于北美和歐洲生物質(zhì)發(fā)電燃料成本較高（如采用木材肥料），而北美和歐洲火電碳強(qiáng)度較低，因此生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效低于全球平均水平。
圖7 2018年重點(diǎn)區(qū)域及國家生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效
Fig.7 Emission reduction assessment of bioenergy power generation unit investment in 2018 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
3.2.3 全球可再生能源投資減排成效評(píng)估 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
據(jù)統(tǒng)計(jì)[28-29]，2018年全球太陽能發(fā)電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電投資分別為1397億、1098億、246億、9億、88億、22億美元，根據(jù)式（5）計(jì)算得到的減排成效分別為12.2億、14.6億、1.4億、0.14億、1.05億、0.23億t CO2，2018年全球可再生能源投資的總減排成效約為30億t CO2，光伏和風(fēng)電投資減排成效占比超過90%。圖 8為2018年全球可再生能源投資總減排成效前15位國家，可以看出全球可再生能源投資減排成效主要集中在中國、美國和歐洲各國，其中中國2018年可再生能源投資的總減排成效為13.2億t CO2，占全球總減排成效的45%；其次為美國，投資減排成效為4.5億t CO2，占全球比重15%；印度和日本可再生能源投資減排成效占全球比重均為5.3%，其余各國投資減排成效占比不足3%。雖然水電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電單位投資減排成效較大（見圖3），但相比全球廣泛分布的太陽能和風(fēng)能，水電、地?zé)豳Y源具有明顯的地域分布限制，生物質(zhì)發(fā)電也依賴當(dāng)?shù)卦牧蟽?chǔ)量及價(jià)格，限制了生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組容量，而太陽能和風(fēng)能發(fā)電單位投資減排成效近幾年有明顯增長，因此全球可再生能源投資主要集中在資源更為豐富的太陽能及風(fēng)能領(lǐng)域。全球各國光伏和風(fēng)能投資減排成效評(píng)估在地域分布上有明顯的相似性，都是主要集中在亞洲的中國、日本、印度，北美洲的美國，歐洲的德國、法國、瑞士、瑞典等國。
圖8 2018年可再生能源投資減排成效評(píng)估
Fig.8 Emission reduction assessment of renewable investment in 2018 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
3.2.4 全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下能源投資
全球能源互聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用智能電網(wǎng)、特高壓輸電、清潔能源、儲(chǔ)能等先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)全球清潔能源大規(guī)模開發(fā)、配置和使用的重要平臺(tái)，將加快能源生產(chǎn)清潔替代和能源消費(fèi)電能替代，大幅提高全社會(huì)電氣化水平，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)全面“脫碳”和清潔發(fā)展[1]。本文應(yīng)用奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）開發(fā)的國際主流綜合評(píng)估模型MESSAGEix[30]對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景進(jìn)行了系統(tǒng)分析。為了刻畫電力互通，在MESSAGEix能源模型中新增跨區(qū)域電力互聯(lián)運(yùn)算模塊和模擬技術(shù)，區(qū)域間電力流在MESSAGEix模型中按文獻(xiàn)[31]中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過成本最優(yōu)化求解出全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景，量化評(píng)估全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2 ℃溫升控制目標(biāo)的能源投資。2016—2050期間年均能源投資與D.McCollum等統(tǒng)計(jì)的六大綜合評(píng)估模型[32]結(jié)果對(duì)比見圖 9。總體來看，各類模型結(jié)果顯示清潔能源年均投資需求大于化石能源投資，全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下，2016—2050年清潔能源投資年均投資達(dá)到6440億美元，其中非生物質(zhì)可再生清潔電力達(dá)到5280億美元，高于全社會(huì)化石能源投資的5000億美元（包括化石能源開采、轉(zhuǎn)化及電力生產(chǎn)）。全球電力互聯(lián)互通，將推動(dòng)清潔能源大規(guī)模開發(fā)利用，全球共享高質(zhì)量風(fēng)能和太陽能等可再生能源，持續(xù)降低發(fā)電成本。預(yù)計(jì)2050年陸上和海上風(fēng)電成本有望分別降至0.025和0.055美元/kWh左右，預(yù)計(jì)光伏和光熱度電成本有望分別降至0.02和0.05美元/kWh左右，其中撒哈拉以南非洲區(qū)域太陽能發(fā)電成本最低，基地式太陽能規(guī)模化開發(fā)利用相對(duì)于分散式開發(fā)成本低50%以上[33]。隨著全球清潔電力貿(mào)易擴(kuò)大及成本進(jìn)一步下降，全球及區(qū)域優(yōu)化結(jié)果顯示2050年全球可實(shí)現(xiàn)80%清潔電力供應(yīng)（見圖10）。雖然全球電力互聯(lián)互通將增加電力輸配基礎(chǔ)設(shè)施投資，但低成本的清潔能源供應(yīng)及化石能源投資大幅縮減使得全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景的能源總投資相比其他模型年均投資平均值低20%以上。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
需要指出，雖然2008—2018年可再生能源投資增速穩(wěn)定在5%以上，但當(dāng)前可再生能源投資發(fā)展速度仍不滿足《巴黎協(xié)定》2 ℃及1.5 ℃溫控目標(biāo)要求。全球能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)2 ℃溫控目標(biāo)下，2050年可再生能源投資需要達(dá)到9180億美元，是2018年投資的3.2倍；2018—2050年可再生能源累積投資需要達(dá)到19.3萬億美元，這與IRENA[6]評(píng)估的累積投資21.9萬億美元① IRENA研究表明，為滿足《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，2016—2050年電力部門可再生能源累積投資需求為22.5萬億美元，其中2017—2018年全球可再生能源累積投資為0.615萬億美元，因此2018—2050年可再生能源累積投資需求為21.9萬億美元。 以及D.McCollum等[32]根據(jù)六大綜合評(píng)估模型計(jì)算的可再生能源累積投資19.5萬億美元② D.McCollum等研究表明，2 ℃情景下非生物質(zhì)可再生能源發(fā)電年均投資6090億美元。 （2 ℃情景）相當(dāng)。電力部門實(shí)現(xiàn)凈零排放不但對(duì)實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)意義重大，同時(shí)對(duì)全球?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著巨大貢獻(xiàn)，2018—2050年的可再生能源投資年均增速需要達(dá)到11.4%，相比當(dāng)前投資增速翻一番。 本`文-內(nèi).容.來.自：中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
圖9 全球能源互聯(lián)網(wǎng)滿足2 ℃溫控目標(biāo)的全球年均能源投資與其他模型結(jié)果對(duì)比
Fig.9 Projected global-average annual energy investments needed to achieve 2 ℃ target by category from 2016 to 2050 according to different models and Global Energy Interconnection Scenario 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
圖10 2016—2050年全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景下電源結(jié)構(gòu)及清潔能源發(fā)電量占比
Fig.10 Power generation mix and share of clean energy power generation in Global Energy Interconnection Scenario in 2016-2050 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
本文系統(tǒng)總結(jié)了電力部門減排整體框架和主要減排技術(shù)路線，分析了可再生能源減排路徑，提出了可再生能源投資減排成效分析方法，并量化分析了各類可再生能源單位投資減排成效，最后對(duì)全球可再生能源投資減排成效和投資需求進(jìn)行了評(píng)估，主要結(jié)論如下。
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1）可再生能源減排路徑研究表明，減排量占比曲線與清潔發(fā)電占比呈單調(diào)遞增的“凸函數(shù)”關(guān)系。若要充分發(fā)揮清潔電源在電力部門中的減排作用，首先應(yīng)該推動(dòng)清潔能源規(guī)?；l(fā)展，否則清潔占比的提高對(duì)減排作用有限。1990—2015年全球每5年清潔占比提高比例均低于1個(gè)百分點(diǎn)，德國清潔發(fā)展成效顯著，減排量占比變化也有逐漸“攀爬”的趨勢(shì)，2010—2015年間清潔發(fā)電占比增長帶來碳減排貢獻(xiàn)占電力部門總排放的比重達(dá)到7.3%，遠(yuǎn)高于全球平均水平。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
2）提出可再生能源單位投資減排成效評(píng)估方法。在不考慮電源建設(shè)過程中材料投入所產(chǎn)生的碳排放、可再生能源均按零碳電源計(jì)算情況下，2018年水電單位投資CO2減排成效達(dá)到15.8 kg/美元，顯著高于其他可再生能源。其次為陸上風(fēng)電13.3 kg/美元，相比2010年提高44.5%；光伏發(fā)電單位投資減排成效增長最為顯著，2018年單位投資減排成效達(dá)到8.7 kg/美元，相比2010年提高3倍。中國和印度光伏、陸上風(fēng)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電單位投資減排成效居全球前列，主要是由于可再生能源發(fā)電建設(shè)成本較低及當(dāng)?shù)馗吲欧诺拿弘娬急容^高。本研究未考慮潛在的其他環(huán)境成本，未來研究將納入全生命周期碳排放進(jìn)行可再生能源單位投資減排成效評(píng)估。
3）分析全球可再生能源減排成效及可再生能源投資需求。2018年全球可再生能源投資的總減排成效約為30億t CO2，光伏和風(fēng)電投資減排成效占比超過90%。全球電力互聯(lián)互通可推動(dòng)全球清潔能源優(yōu)化配置，共享高質(zhì)量風(fēng)能和太陽能，大幅降低發(fā)電成本，全球及區(qū)域優(yōu)化結(jié)果顯示2050年全球可實(shí)現(xiàn)80%清潔電力供應(yīng)。低成本的清潔能源供應(yīng)及化石能源投資大幅縮減使得全球能源互聯(lián)網(wǎng)情景的能源總投資相比其他模型年均投資平均值低20%以上。全球能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)2 ℃溫控目標(biāo)下，2050年可再生能源投資需求為9180億美元，是2018年的3.2倍；2018—2050年可再生能源累積投資需要達(dá)到19.3萬億美元，可再生能源投資年均增速需達(dá)到11.4%，相比當(dāng)前投資增速翻一番。
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附錄A 數(shù)據(jù)說明
表A1 本文各圖所用數(shù)據(jù)來源
Table A1 Data sources used in this study 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
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