能源轉型在應對氣候變化中的作用分析與預測

趙懷天，劉志鵬，李永鋒

（臺州學院電子與信息工程學院，浙江 臺州 318000）

0 引言

持續上升的全球氣溫令人擔憂，空氣質量的惡化影響著各個國家的發展，不斷上升的海平面威脅著部分國家的生存，這些情況警示了能源轉型和改善氣候的緊迫性，逐步淘汰傳統能源產業，鼓勵、支持、大力發展新能源產業已經成為各國默契的發展路線。在全球能源轉型中，中國扮演著至關重要的角色，中國政府積極推動能源轉型和可持續發展，采取了一系列政策措施，以實現能源的低碳、清潔、高效和可再生。此外，中國在新能源技術研究和應用方面也取得了巨大進展，為全球能源轉型提供了有力的幫助。

21 世紀以來，以風能和太陽能為代表的新能源產業異軍突起，它們在改善氣候變化、促進節能減排過程中發揮著越來越重要的作用。本文重點分析了21 世紀可再生能源對氣候變化的影響，以及中國的能源轉型情況和可再生能源與PM2.5濃度的關系，并對中國的CO2排放量增長率及相關能源占比進行了預測，以此喚醒人們的環境意識，共建美麗家園。

1 數據來源與研究思路

1.1 數據來源

以和鯨ModelWhale 數據云端協作工具［1］作為數據建模和數據分析平臺，利用2023 年中國計算機設計大賽大數據主題賽中的數據集，搜集“用數據看世界（Our World in Data）”平臺數據［2］、世界銀行開放數據［3］、BP（英國石油公司，British Petroleum）世界能源統計年鑒數據［4］和國務院新聞辦公室發布的數據［5］為研究對象，共計6 852 條。將這些數據進行清洗和處理后最終得到3 496 條數據，這些數據為后續的數據挖掘與可視化分析提供了數據支持。

1.2 研究思路

本文的研究思路如圖1 所示。首先，選取世界氣候變化情況和中國能源轉型與發展情況作為研究對象；接著，使用和鯨ModelWhale 數據云端協作工具對BP 世界能源統計年鑒等數據庫網站提供的數據集進行分析，同時使用Z-Score 標準化方法和線性回歸（Linear Regression）模型進行數據清洗和擬合；然后探索可再生能源類型與CO2排放量增長率和PM2.5濃度之間的相關性，評估它們在CO2排放量增長率數據集上的精確度，并選擇最優模型對水力發電、風力發電及太陽能發電的占比進行預測；最后，對世界氣候變化及中國能源轉型情況進行總結，并從世界、國家、社會和個人4 個維度提出可行性建議。

圖1 研究思路

2 全球能源類型發電量占比情況

首先，通過計算得到了2000 年和2020 年全球各類能源發電量占比情況，如表1 所示。

表1 2000 年和2020 年全球各類能源發電量占比變化情況

由表1 可知，2020 年各類能源發電量占比由大到小依次是：化石燃料，水力發電（抽水蓄能除外），核能，風能，太陽能，生物質能，其他不可再生能源，抽水蓄能，地熱能以及海洋能。其中：化石燃料發電量占比自2000 年至2020 年下降了2.67 個百分點，風能和太陽能的發電量占比分別上升了5.69 和3.12 個百分點。從表1 中傳統能源和可再生能源的發電量占比數據可以看出，世界整體在積極推動傳統能源的轉型工作。

3 可再生能源發電量增長率與CO2和PM2.5的關系

為了研究能源轉型對氣候變化的影響，本文提取了已有的可再生能源發電量數據，并選擇了兩個氣候變化指標，即全球CO2排放量增長率（2000—2020 年）和PM2.5濃度（2000—2020 年），以探討可再生能源對氣候變化的影響。

3.1 可再生能源發電量增長率與CO2排放量增長率相關性分析

經過Z-Score 方法去除異常值后，擬合出兩者變化的趨勢線，繪制的散點趨勢圖如圖2 所示。由圖2可以得出，隨著全球可再生能源發電量的增長，CO2排放量增長率呈現下降趨勢。

3.2 可再生能源與PM2.5濃度相關性分析

在探索可再生能源與PM2.5濃度的關系時，使用Z-Score 算法剔除數據集中的異常值，并計算對應的相關性系數，如表2 所示。從表2 可以看出，可再生能源與PM2.5濃度大多呈現負相關關系，其中地熱能的相關系數為-0.98，太陽能和生物質能的相關系數為-0.95，風能的相關系數為-0.94。

4 中國的能源占比變化及各類能源與PM2.5的關系

為了探索中國在世界能源轉型中發揮的作用，本文結合BP 世界能源統計年鑒數據、世界銀行開放數據和國務院新聞辦公室發布的數據，從中國可再生能源發電量在世界的占比、中國各類能源發電量占比變化、中國各類能源與PM2.5濃度關系3 個方面進行了分析。

4.1 中國的可再生能源發電量在世界的占比情況分析

計算相關數據，分析中國可再生能源發電量在世界的占比情況，如表3 所示。表3 中數據顯示：中國可再生能源發電量在世界的占比呈現增長態勢，2000 年的占比為7.84%，2020 年的占比達到28.78%。

表3 中國可再生能源發電量在世界的占比情況

4.2 中國各類能源發電量占比情況分析

筆者計算了2000 年和2020 年中國各類能源發電量占比情況，如表4 所示。從表4 可以看出，各類能源發電量的占比發生了明顯變化。從2000 年至2020 年，化石燃料占比下降了15.360 個百分點，風能占比增加了5.957 個百分點，核能占比增加了3.472 個百分點，其他可再生能源也有不同程度的增長。這些數據表明，近年來中國能源轉型工作已取得實質性進展。

表4 2000 年和2020 年中國各類能源發電量占比情況變化表

4.3 中國各類能源與PM2.5濃度關系

為了分析中國各類能源與PM2.5濃度的關系，筆者計算了各種可再生能源發電量與PM2.5濃度的相關性系數，如表5 所示。從表5 可以看出，化石燃料的相關系數為0.46，生物質能的相關系數最低，為-0.52，太陽能的相關系數為-0.48，地熱能的相關系數為-0.42。數據表明，中國的可再生能源發電量與PM2.5濃度大多呈現負相關關系。

表5 中國各類能源與PM2.5 濃度相關系數表

5 中國的CO2排放量增長率及水力發電、風力發電和太陽能發電占比預測

為了解未來中國CO2排放量增長率及相關能源的發展情況，本文構建了相應的模型，預測未來20 年中國的CO2排放量增長率及水力發電、風力發電和太陽能發電在總量中的占比情況。

5.1 中國未來20年的CO2排放量增長率預測

采用5 種不同的模型（K臨近模型，隨機森林模型，多項式回歸模型，線性回歸模型和支持向量機模型）對CO2排放量年增長率進行預測。選用2000—2015 年的數據作為訓練集，并對2016—2021 年的數據進行預測。通過比較預測值和實際值的MSE（均方誤差），得出支持向量機模型的均方誤差最小，為3.19，詳見表6。從表6 可知，5 種模型中，支持向量機模型預測中國未來CO2排放量增長率表現較優。

表6 5 種模型在CO2 排放量增長率數據集的MSE 值

5.2 中國未來20年的水力發電、風力發電和太陽能發電占比預測

選取水力發電、風力發電和太陽能發電3 個數據集的2000—2015 年發電量數據作為訓練集，利用訓練后的模型對2016—2021 年的數據進行預測，并將預測值和實際值進行比對，計算5 種模型在不同數據集上的MSE。結果表明：支持向量機模型在水力發電數據集上的MSE 最小，僅為0.92，詳見表7。線性回歸模型在風力發電數據集上的MSE 最小，為5.41，詳見表8。而多項式回歸模型在太陽能發電數據集上的MSE最小，為1.19，詳見表9。

表7 5 種模型在水力發電數據集中MSE 值

表8 5 種模型在風力發電數據集中MSE 值

表9 5 種模型在太陽能發電數據集中MSE 值

因此，采用支持向量機模型對中國的水力發電情況進行預測，采用線性回歸模型對風力發電進行預測，采用多項式回歸模型對太陽能發電情況進行預測。預測結果表明：未來20 年水力發電的占比呈現下降趨勢，預計至2042 年達到14.83%，如圖3 所示；未來20 年風力發電和太陽能發電占比呈現上升趨勢，預計至2042 年分別達到23.19%和2.92%，如圖4 和圖5 所示。

圖3 未來20 年水力發電占比預測圖

圖4 未來20 年風力發電占比預測圖

圖5 未來20 年太陽能發電占比預測圖

預測結果表明，未來中國將大力發展風能和太陽能產業。近年來，中國政府對風電和光伏產業的發展給予了高度重視，因此可再生能源將在不久的將來發揮更加重要的作用，以替代傳統能源并改善空氣質量和全球氣候。

6 結語

6.1 分析總結

綜上所述，通過對21 世紀以來全球能源轉型的情況和各類能源對全球氣候變化的影響進行分析，從中國在21 世紀以來能源轉型的發展情況和未來中國能源轉型的方向兩方面著手，總結如下：

（1）21 世紀以來，全球可再生能源發電量占比上升趨勢明顯，以化石燃料為代表的不可再生能源（發電量）增長緩慢。在世界風力發電占比中，排名靠前的地區分別是北歐部分國家（如瑞典、芬蘭等）、大洋洲的澳大利亞、南美洲的巴西以及非洲部分國家（如肯尼亞、摩洛哥等）。

（2）21 世紀以來，全球溫室氣體排放量的增長率變緩；全球PM2.5濃度呈現下降趨勢；全球地表溫度總體呈現上升趨勢；全球降水量變化較小。

（3）在探究能源轉型對氣候變化的作用時，得出可再生能源（發電量）的增長對降低全球CO2排放量和PM2.5濃度發揮著積極的作用。隨著可再生能源產業的發展，全球CO2排放量會逐漸減少，空氣中PM2.5濃度會降低，全球氣候會得到改善。

（4）中國大力發展節能減排相關產業，政策關鍵詞為能源、綠色、清潔、發展等。21 世紀中國可再生能源發電量在世界的占比增長明顯，2020 年占比將近三成。中國的能源轉型對于降低PM2.5濃度同樣發揮著積極的作用。

（5）在預測未來20 年中國各類能源發電總量占比時，水力發電占比會逐年下降，而風力發電和太陽能發電占比將逐年上升?？梢酝茢嘀袊谖磥韺哟笾С趾屯度氲叫履茉聪嚓P產業，尤其是風能和太陽能等相關產業的建設與發展中去。

6.2 可行性建議

通過對能源轉型應對氣候變化的作用進行分析總結后，從世界、國家、社會及個人層面提出以下4 點建議：

（1）世界層面：制定全球性應對氣候變化的方案和計劃，鼓勵各國加強協作，共同推動能源轉型，減少溫室氣體排放；引導各國共同研發新能源技術和設備，促進可持續發展。

（2）國家層面：發布政策鼓勵和支持可再生能源的發展，加大對新能源的投資力度，制定更高的環境標準。

（3）社會層面：加強宣傳和教育，普及環保知識；同時舉辦環?；顒?，推廣低碳生活方式。

（4）個人層面：響應政策號召，積極參與環?；顒?；同時從日常出發，采取低碳、環保的生活方式。