技术创新、成本效益和不断增长的消费者需求正在推动可再生能源——尤其是风能和太阳能——成为首选能源。我们研究了推动这种转变的几大趋势。

执行概要

　　可再生能源最近才被公认为“主流”能源，现在正迅速成为人们的首选能源。在全球多个发达国家和发展中国家都明显存在强大的推动趋势和需求趋势，正在帮助太阳能和风能与传统能源竞争并赢得胜利。

　　第一个推力是可再生能源在电网和市场上的价格和性能都达到了平价。其次，太阳能和风能可以经济有效地帮助平衡电网。第三，新技术正在提升风能和太阳能的竞争优势。

　　来自能源消费者的需求主要集中在三个目标上，前三个趋势使可再生能源得以充分地实现利用。随着对每个目标的不同程度的侧重，消费者正在寻找最可靠、最经济、最环保的能源。

　　其中最主要的城市消费者将可再生能源纳入到智慧城市计划，社区能源项目使获得可再生能源途径民主化,新兴市场引领发展可再生能源的部署，以及企业扩大了太阳能和风能的采购范围。

　　这些趋势可能通过两个相互加强的良性循环继续增强。新技术的部署将有助于进一步降低成本和改善整合。这将使越来越多的能源消费者能够获得他们喜欢的能源，并加速世界各地的国家能源过渡。

推动可再生能源发展的因素

　　由于这三方面的原因--电网平价指日可待、电网整合经济有效且可靠以及技术创新，增加可再生能源部署的长期障碍已经消除。太阳能和风能一度被认为过于昂贵，无法拓展到利基市场以外的领域，但现在它们在价格上可以与传统能源相媲美，而且它们的性能也越来越好。可再生能源带来了许多需要解决的整合问题的观点已经被推翻:太阳能和风能的整合开始帮助解决电网问题。最后，可再生能源不再等待支持技术的成熟，而是抓住尖端技术领先于传统能源的机会。

　　一. 可再生能源在价格和性能方面可与传统能源相媲美

　　太阳能和风能的部署速度及其急剧下降的成本曲线甚至让最乐观的业内人士和观察人士都感到意外。尽管人们对风能和太阳能的预期一直与现实情况想左，但在全球最大市场上，风能和太阳能在没有补贴的情况下，已经成为传统发电技术的竞争对手。

　　风能和太阳能已达到电网价格平价，并正接近传统能源的性能水平。事实上，在世界大部分地区，公用事业规模的陆上风电和太阳能光伏发电的无补贴平均化能源成本(LCOE)已经下降，甚至达到或低于大多数其他发电技术的成本。虽然联合循环燃气轮机等资源在负荷曲线方面具有更大的灵活性，但越来越便宜的电池存储和其他创新有助于缓和风能和太阳能间接的影响，使它们更具有与传统能源竞争所需的可靠性。从价格角度看，陆上风电已成为世界上成本最低的发电能源，无补贴的LCOE范围为30-60美元每兆瓦时(MWh)，低于最便宜的化石燃料天然气(42-78美元每兆瓦时)的范围。

　　到2017年底,陆上风电容量比2011年216千兆瓦容量增加了一倍多：共有121个国家部署了近495千兆瓦的陆上风电，由中国、美国、德国、印度、西班牙、法国、巴西、英国、加拿大领导--这9个国家的陆上风力已达到价格平价。在美国如大平原和德克萨斯等风力最强的地区发电成本最低，东北部成本最高。从全球来看，成本最低的国家包括这9个领先国家，以及欧亚大陆和澳大利亚。

　　公用规模的太阳能光伏非常热门，它是紧随风能后第二便宜的能源。太阳能光伏的LCOE范围的最高值(43-53美元/MWh)低于任何其他发电能源。2017年全球187个国家增加的光发电达创纪录的93.7兆瓦--超过2011年的总容量(69兆瓦)--总产能达到386兆瓦，此乃由中国，日本，德国，美国，意大利，印度和英国领导。除了日本(主要由于高资本成本，日本是世界上光伏发电成本最高的市场之一)以外，太阳能价格在所有这些市场已达到平价。随着日本转向竞争性拍卖，太阳能价格平价有望在2025年至2030年之间实现。从全球来看，澳大利亚的太阳能光伏发电成本最低，非洲的太阳能光伏发电成本最高，这是由于投资成本所致。

　　除了领先国家以外，随着风能和太阳能与其他发电能源之间的成本差距扩大，全球范围内的风能和太阳能价格平价也正在实现。除了联合循环燃气电站，在过去的8年里所有传统的LCOE能源和非间歇性可再生能源要么持平(生物质和煤)或增加(地热、水力发电和核)。然而由于组件成本大幅下降以及效率提升--预计这两大趋势将继续下去，陆上风能和太阳能光伏的LCOE分别下降了67%和86%。据彭博新能源财经报道，2018年上半年陆上风能和太阳能光伏发电成本已经下降了18%。在欧洲，日本和中国，竞争性拍卖是通过以较低价格推动无补贴部署进一步降低成本的一个主要因素。

　　发达国家的风力涡轮机升级或“重新发电”，也通过提高产能因素将全球平均成本拉低。此外，随着全球开发人员和国际组织联手促进项目开发，发展中国家的成本可能会下降。这种伙伴关系有助于解决一些不协调问题(日本，德国和英国某些地区虽然是世界上太阳能最贫乏的地区但却是全球太阳能领导者，而非洲和南美洲分别拥有最大的太阳能和风能资源，但这些资源仍未得到开发)。随着风能和太阳能发电能力的增长，许多传统能源将开始以较低的容量运行，导致现有和新建传统项目的LCOE都增加。新太阳能和风能发电厂的成本最终可能不仅会低于新传统发电厂的成本，还会低于继续以比全球现有运营发电厂更低的成本运营。这一点在去年Enel中标的智利风能、太阳能和地热发电厂中已经得到了证明，该发电厂将以低于现有煤炭和天然气发电厂燃料成本的价格出售电力。

　　公用规模的太阳能、风能和存储规模的竞争日益激烈，除了价格平价外，还电网性能也正在逐步改善。随着存储的增加，风能和太阳能变得更加可调度，侵蚀了传统能源长期以来的优势。虽然可再生能源开发及存储会增加成本，但它们可以提供容量和辅助电网服务，使其更有价值。监管和市场结构决定了附加价值能否货币化。但即使这些服务无法出售，这种组合也更有价值，因为运营商可以满足多种需求，并有可能将电网供电的时间转移到非高峰、成本更低的时段。自2010年以来，锂离子电池的成本下降了近80%，可再生能源存储正在实现价格平价。所有顶级的太阳能市场都有包括存储在内的公用规模项目。在美国作为存储市场的领跑者，太阳能存储在一些市场上的竞争已经非常激烈，以至于开发商Lightsource宣布其在西方的所有竞标都将包括存储。将投资税收抵免因素考虑在内，美国将从明年开始在亚利桑那州实施太阳能加储能项目，其次是内华达和科罗拉多，这两个州的风能加储能项目也将实行平价。

　　公用规模的电网平价并不是唯一趋势，因为像屋顶太阳能这样的分布式可再生能源正在达到价格平价和性能水平相当。在这种情况下，当自产电价低于零售电价时，就会达到价格平价。除了印度之外，商业太阳能光伏发电在所有处于电网平价的顶级太阳能市场的部分地区已达到无补贴平价。税收抵免和净计量等激励措施使得住宅太阳能光伏在这些市场中也具有竞争力。太阳能安装商越来越多地将电池存储与家用太阳能结合起来。

　二. 经济高效和可靠的电网整合

　　人们最常提到的阻碍太阳能和风能利用的障碍之一是它们的间断性。这种情况正在逆转:这很可能不再是风能和太阳能需要解决的问题，而是电网平衡需要解决的问题。事实上，可再生能源整合的难度和成本并没有预期的那么高。更重要的是，他们展示了增强电网弹性和可靠性的能力，并提供必要的电网服务。

　　风能和太阳能的间断性挑战可能被夸大了。大多数国家和地区处于可再生能源渗透率水平，需要对电网进行最低限度的调整:可再生能源要么在系统级别上几乎没有注册，要么只需要在运营实践和使用现有资源方面进行微小的改变。在可再生能源渗透率高、需要更复杂的系统性更改的国家或地区，传统能源正在进行调整，以使更多可再生能源能够以经济的方式整合。例如，在整个欧盟、中国和印度，运营商都对传统的热电厂和发电厂进行了改造，以在不用电的情况下产生热量，而煤电厂和CCGT电厂则提供了额外的灵活性和稳定性。与邻近市场的互联是北欧和美国各地区成功推行的另一个关键工具，因为将可再生能源集中到一个更大的地区，可以更经济有效地平滑其产出，并消除削减。

　　风能和太阳能对电价构成下行压力。从理论上讲，由于太阳能和风能的边际发电成本为零，它们取代了更昂贵的发电机，降低了电价。在全球实践中，太阳能的部署平抑了中午的价格峰值，而风能降低了夜间的价格。美国前20个实行太阳能和风能发电州中，有四分之三的州的电价低于美国全国平均水平;四分之一的州是美国10个电力最便宜的州之一，其中包括风能领头羊德克萨斯州。欧洲最大的太阳能和风能市场德国的批发价格在过去10年里下降了一半以上。丹麦是世界上间断性可再生能源比例最高的国家(53%)，不包括税费的电力价格是欧洲最低的。劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)估计，一旦美国达到丹麦40% - 50%的可再生能源渗透率水平，一些州就会迎来“价格便宜到无法计量的能源”。

　　由于电网可靠性和弹性越来越高，风电和太阳能电池组的份额不断增长。美国停电次数最少的州是太阳能和风能发电最大的州。在过去的十年中，德克萨斯州的风力发电量增长了645%，该州的电网可靠性指标显著提高。德国和丹麦的电网在过去10年里也变得更加可靠，尽管后者的风电和太阳能发电量占其西部地区全年五分之一时间电力消耗的90%。互联的丹麦和德国电网目前是世界上最可靠的电网。

　　风能和太阳能可以成为重要的电网资产。间断性的可再生能源已经在帮助平衡电网。例如，在2017年，风力发电帮助降低了中北部大陆独立系统运营商电力需求量最大三小时负荷的严重程度。但传统的发电方式仍然提供了几乎所有与频率、电压和容量有关的基本电网可靠性服务。不过，这种情况可能会改变，因为智能逆变器和先进的控制使风能和太阳能能够提供与其他发电来源同样或更好的服务。当结合智能逆变器、风能和太阳能可以比传统发电厂更能提高产量,即使在太阳落山和风停止之后也有助于稳定电网。智能逆变器还可以将分布式资源转化为对客户影响最小的电网资产。

　三. 自动化、智能、区块链等新技术推动可再生能源发展

　　包括自动化、人工智能(AI)和区块链在内的新技术，以及先进的材料和制造工艺，可以加速可再生能源的部署。这些技术从简化可再生能源的生产和运营(自动化和先进制造)到优化使用(人工智能在天气预报方面的应用)、改善可再生能源市场(区块链)，以及改造太阳能电板和风力涡轮机(先进材料)等材料。这些技术通过帮助进一步降低成本和促进整合来支持前两个趋势。

　　自动化大大减少了太阳能和风能生产和运营的时间和成本。去年，FirstSolar将其美国制造工厂自动化，使其电池板的尺寸增加了两倍，其成本比中国竞争对手低30%，将生产过程从需经过上百步的步骤、及耗时多天的过程转变为只需几个步骤和几个小时的过程。自动化对海上风能也有重大的操作影响，每兆瓦装机容量造成的计划维修停机比任何其他发电技术都多。今年7月，全球最大的海上风电场部署了全自动无人驾驶飞机，并将检查时间从两小时缩短至20分钟。展望未来，目前正在开发的爬行机器人将能够对太阳能电池板和风力涡轮机的内部结构和材料进行自动化的微波和超声波检查。

　　AI 微调天气预报优化可再生资源利用。天气预报是可再生能源整合的一个关键组成部分，因为天气决定了风能和太阳能的可用性，以及它们的消耗。在寒风凛冽的天气里，风力发电的供需可能会同时增加，而风大的夜晚，风力发电供应可能会增加但需求不变。人工智能系统可以通过处理卫星图像、气象站测量数据、历史模式，以及风力涡轮机和太阳能电池板传感器的数据，来预测天气，将预测与现实进行比较，并通过机器学习调整模型，以生成越来越精确的预测。人工智能系统可以处理数百兆兆字节的数据，并在高度精准地提供频繁的预测。领先的太阳能和风能市场的国家预测系统集成了人工智能，大大提高了运营商的准确性并降低了成本。

　　另一项可能惠及服务不足市场的技术是区块链。

　　先进的材料和制造:钙钛矿和3D打印有望给太阳能和风能产业带来革命性的变化。钙钛矿自引入以来一直是发展最快的太阳能技术，在不到十年的时间内获得了硅花费了半个多世纪才达到的效率。2018年6月，一家英国和德国的初创公司在实验室环境下展示了高达27.3%的钙钛矿硅串联电池转换效率，打破了独立硅电池的实验室记录。比利时的研究人员在接下来的一个月里达到了类似的效率，他们都声称超过30%的效率是可以达到的。钙钛矿具有更简单的化学性质，能够捕获比硅更大的光谱，并具有更高的效率潜力。钙钛矿也可以喷在表面和印刷辊，使生产成本更低和应用更广。钙钛矿模块最早可能在2019年商业化。

　　在风能方面，增材制造(俗称3D)正在为新材料的使用铺平道路。两家美国国家实验室与该行业合作，制造了第一个3D打印的风叶模具，大大降低了原型制作成本和时间，从一年多削减到三个月。下一个用例是3D打印叶片。这将使使用新的材料和嵌入式传感器组合来优化叶片的成本和性能。

　　制造商正大举投资于这些新技术，因为他们预计太阳能和风能的需求将不断增长。

　　需求

　　随着城市、社区、新兴市场和企业寻求可靠、廉价和越来越清洁的能源，它们对可再生能源的需求日益增长。由于这些有利的趋势，太阳能和风能现在最适合实现这三个目标。智慧可再生城市(SRCs)将可再生能源视为智慧城市战略的重要组成部分;社区可再生能源使消费者有权使用电气化或行使电力选择;新兴市场正将太阳能和风能作为推动其发展战略的最佳手段;企业也在采购可再生能源，以提高他们的利润，同时使他们的业务成为环境友好型。

　四. 智慧可再生城市

　　智慧可再生城市认识到太阳能和风能可以为他们的智慧城市目标提供动力。世界上大多数人口现在都生活在不断发展的城市，其中一些城市已经采取了积极的“智能”方法，通过连接传感器技术和数据分析来管理他们的基础设施。更先进的智慧城市的重点是提高生活质量、竞争力和可持续性。太阳能和风能处于这些目标的交汇点，因为它们有助于降低污染、减少二氧化碳，同时促进清洁电力出行、经济发展和商业增长。智慧可再生城市正抓住这种融合所带来的机会。最大的智慧可再生城市通过改造现有的基础设施来做到这一点，而还刚刚开始部署智慧可再生城市则要从头开始。

　　智慧可再生城市可以定义为具有太阳能和/或风能的城市，以及包含可再生能源成分的智慧城市计划。表1按风能和太阳能发电的比例列出了100多万人口的城市。圣地亚哥是全球的领导者。太阳能和风能已经占到其电力结构的三分之一以上，该市的目标是到2035年实现100%的可再生能源。圣地亚哥也是一个由当地政府主导的智慧可再生城市——当美国政府放弃对气候变化的承诺时，圣地亚哥承诺继续使用可再生能源。与加州全州的目标相比，该市还有一个更加雄心勃勃的可再生能源目标。与此同时，亚洲的主要城市斋浦尔是一个全国性的智慧可再生城市。印度政府设立了100个智慧城市任务，其中包括太阳能需求。斋浦尔没有可再生能源的目标，但将受益于今年设定的雄心勃勃国家目标。斋浦尔的主要智慧可再生城市项目是屋顶太阳能基础设施发电，从8个地铁站开始，白天全部使用太阳能。最后，欧洲领导者汉堡(Hamburg)是一个地方性的智慧可再生城市。虽然德国没有提供国家智慧城市战略或资金支持，但欧盟提供了许多平台和资金来源，支持智慧可再生城市的倡议。这些智慧可再生城市共同面临的挑战是如何将现有的基础设施和系统改造成更智能、更可再生的系统。

　五.新兴市场成为领先市场

　　太阳能和风能产业和市场在发达国家(定义为33个高收入的经合组织成员国)已经开始并走向成熟，但它们的重心已经转移到新兴市场(所有非发达国家)。2013年，新兴市场陆上风电增长超过发达国家，2016年太阳能光伏增长超过发达国家;2017年，它们占全球可再生能源新增投资的63%，将与发达国家的投资差距扩大至创纪录的高点。目前,他们的累积容量即将超过发达国家(图5)。新兴市场帮助降低了可再生能源的成本,使他们能够超越发达国家部署的可再生能源,实现低碳发展,创新也有利于发达国家的方式。

　　作为全球领导者，中国正在推动新兴市场在可再生能源增长方面的崛起。中国在2017年实现了最大的太阳能和风能增长和总装机容量，是唯一一个在风能和太阳能发电超过100兆瓦的市场。2017年，仅中国就占据了新增太阳能发电装机容量的一半以上，占全球太阳能光伏板产量的三分之二。前十大太阳能光伏供应商中有8家来自中国，前三家中国风电企业的市场份额最大。此外，中国是唯一一个同时跻身新兴市场跨境清洁投资前10大投资市场和前10大进行投资的国家，也是新兴市场中唯一一个跨境投资排名前10的国家。从2015年创记录的跨境清洁投资年到2017年上半年，中国在11个新兴市场的风能和太阳能投资达22.3亿美元，从13个投资国获得了13.4亿美元的风能和太阳能投资。

　　新兴市场正在孕育创新。发达国家从最初在新兴国家兴起的市场和产品设计中获益。例如，可再生能源拍卖是新兴市场最先采用的一种趋势，它导致全球可再生能源价格大幅下跌。一些在或为新兴市场设计的太阳能和风能产品也正在发达市场中应用。例如，旨在使发展中国家的远离电网区通电的微型电网已经在发达国家的偏远矿山得到应用。

　　更广泛地说，企业在促进发达国家和发展中国家之间推动可再生能源增长的转化方面发挥着越来越大的作用。

六. 企业参与的范围不断扩大

　　企业正在以新的方式采购可再生能源，涉及的行业也越来越多。随着企业越来越关注其采购质量--标准是确保采购创造可衡量的、额外的可再生能源能力，电力采购协议(PPA)正成为首选工具。

　　PPA是增长最快的企业采购工具。2017年，企业通过自行发电或采购，在全球范围内采购了465太瓦时(TWh)的可再生能源。在企业采购可再生能源的75个国家中，有三种采购工具可供不同程度使用：EAC，公用事业绿色采购计划(UGP)和PPA。

　　EAC是最广泛使用的采购工具，在57个国家都有使用，而且很容易获得。它们允许企业证明自己符合政府的可再生能源要求或自愿减排目标。然而，它们并没有充分利用可再生能源的成本效益，也未必总能带来额外效益。UGP在39个国家可用，大部分在欧洲，但却是使用最少、最不透明的工具。它们通常与EACs绑定在一起，并且具有相同的缺点。PPA在35个国家可用，并且迅速传播。2017年，10个国家的企业签署了创纪录的5.4兆瓦可再生能源PPAs协议。到2018年7月底，企业数量已经远远超过这一记录，在28个市场购买了7.2兆瓦。 PPA比EAC和UGP提供了更大的额外性并节约了更多成本，但也高于常用电力价格。

　　这三种工具在北美和大多数欧洲国家都可用。这些发达国家仍然是领先的企业采购市场，信息技术仍然是领先的部门。然而，其它行业的企业也在增加可再生能源的采购，而新兴市场正在让这变得更容易。新兴市场印度和墨西哥也提供了全套的采购工具，跨国企业和国内企业的采购也在不断增加。

　结论

　　太阳能和风能最近跨越了一个新的门槛，在全球大部分地区从主流能源转变为首选能源。随着它们的价格和性能达到与传统能源同等的水平，他们提升电网容量能力也日益提高，并通过新技术变得越来越有竞争力，部署障碍和上限正在消失。太阳能和风能已经是全球最便宜的能源之一，但它们还有很长的路要走:它们还有很大的提升空间。成本将持续下降，成功的整合在新技术的支撑下迅速进行，新技术带来了更高的效率和能力。

　　与此同时，对可再生能源的需求正在疯狂地增长。太阳能和风能现在最接近于满足能源消费者的三个优先需求：可靠性、可承受性和环境责任。在丹麦等领先的可再生能源市场，超国家、国家和地方社区的利益与这些目标是一致的。在其他国家，如美国和澳大利亚，政府领导人在降低二氧化碳的努力上正在有所下降，城市、社区和企业已经成为最相关的角色。它们已加紧填补空缺，促进需求继续增长。最后，随着新兴市场的发展和(或)电气化，它们的电力需求将出现最显著的增长，并且已经一跃成为太阳能和风能领域的领军者。