绿色低碳转型背景下能源安全评估体系重构与启示丨中国工程科学

能源系统的绿色低碳转型是大势所趋，也是世界各国可持续发展的必然选择。为应对气候变化挑战和生态环境压力，各国纷纷加大对清洁能源和低碳技术的投入力度，旨在加快推动能源绿色低碳转型，提升国家核心竞争力，掌握国际能源合作主动权。保障能源系统的安全、稳定运行是绿色低碳转型的首要前提，受到世界各国的高度重视。党的二十大报告提出，积极稳妥推进碳达峰碳中和，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系，确保能源安全。美国能源部以维护美国清洁能源制造和创新的全球领先地位为目标，在支持关键矿物供应、扩大国内清洁能源制造能力、加强清洁能源产能与供应链韧性等方面进行部署。英国从能源根本性变革的视角出发，以阶段性脱碳目标为引领，大力发展核能、氢能，逐步减少对进口化石燃料的依赖，从而缓解国际能源市场波动对本国能源安全的冲击。

绿色低碳转型的发展目标赋予了能源安全更加丰富和多元的内涵。不同于传统对化石能源供应安全的关注，绿色低碳转型背景下的能源安全体系建设要求体现系统性思维，兼顾能源绿色稳定供应和可持续利用，涉及可再生能源发展、能源多样化、基础设施完善、能源普惠、能源效率、技术创新、治理能力、资源环境、气候生态等多个方面。为此，各国能源安全水平和世界能源格局也将发生改变。准确把握能源安全最新发展形势、预判国际格局演变动态，对完善能源安全保障体系至关重要。

基于能源安全的更丰富内涵，本文提出绿色低碳转型背景下的能源安全评估体系，从能源供应和能源使用两个方面，设置化石能源供应、可再生能源供应、能源多样化程度、能源可获得性 / 可及性、利用效率、发展环境、资源环境压力等评估子维度；以18个国家为例（2020年数据），识别和研判由传统供应安全主导转向新型能源安全观下各国能源安全格局的演变特征与发展趋势，并据此提出我国强化能源安全保障的相关建议，为准确把握发展形势和国际格局变化趋势，把握能源安全关键攻坚期、能源低碳转型重要窗口期提供决策支撑。

1974年，国际能源署成立，正式提出了以稳定石油供应和价格为核心的能源安全概念，即要求一国政府通过保持合理价格为经济与工业提供可靠的能源保证。随着经济社会的不断发展，能源安全的内涵也进一步拓展，其中以21世纪初提出的能源安全“4A”概念应用最为广泛，即聚焦石油、天然气等化石能源，综合考量能源资源可利用性（Availability）、可获得性（Accessibility）、环境可接受性（Acceptability）和能源投资成本可负担性（Affordability），能够较为全面系统地衡量一国能源安全水平。

21世纪以来，随着能源消费对气候和生态环境的影响逐渐显露，世界各国的碳减排压力日益增大，学术界开始关注能源安全与气候生态的关联。例如，执行有关排放控制的气候政策将降低能源系统风险；兼顾气候、污染控制与能源安全政策将延迟全球石油的枯竭时间，提升能源供应的稳定性；可再生能源在一国能源消费比重上升将降低该国与其他国家的能源博弈风险，加强能源安全。除考虑气候与生态变化外，体现政府角色和作用的国家治理能力等因素也逐渐被纳入能源安全评估体系之中，能源安全评估的内涵和框架得以进一步拓展。

近年来，风能、太阳能等可再生能源的快速发展，强化了能源安全内涵延伸至资源环境气候领域的必要性。一方面，可再生能源的发展与关键矿产、水、土地等资源供应密切关联。关键金属的稀缺性和供需矛盾可通过贸易风险传导，进而危及能源安全；水资源、土地资源的稀缺性也将限制生物质能等可再生能源或碳捕集、利用与封存（CCUS）等脱碳技术的使用。另一方面，考虑到可再生能源供给和能源需求受气候影响较大，极端天气等气候风险指标也逐渐作为能源供需影响因素纳入到能源安全评估体系中。

已有研究有助于更全面、深入地理解能源安全内涵，也为丰富和拓展能源安全评估体系奠定了良好基础（见表1）。大部分研究停留在新概念提出或新体系构建阶段，虽提供了丰富的评估指标，但基于实证数据的量化分析相对有限，体现绿色低碳转型趋势下多国能源安全水平差异的研究不多，难以直观呈现当前国际能源安全格局的演变特征。当前，全球能源转型进程加速、国际地缘局势持续动荡、气候异常性波动加剧、信息不对称和技术壁垒加深等问题不断涌现，亟需持续动态更新能源安全评估体系，将可再生能源发展带来的矿产资源需求增加、基础设施配套要求提高、国际贸易关系变化、科技创新水平竞争加剧和国家治理体系压力增大等更多指标纳入考量，从而为把握能源安全局势提供与时俱进的信息参考。

表1　能源安全评估体系综述

为此，本研究在前人研究成果的基础上，综合数据可得性，构建了绿色低碳转型背景下的能源安全评估体系，并采用2020年18个国家（包括加拿大、智利、墨西哥、美国、英国、澳大利亚、中国、印度、印度尼西亚、马来西亚、阿根廷、巴西、伊朗、科威特、阿拉伯联合酋长国、埃及、俄罗斯、日本）的数据，量化评价了由当前能源发展模式转向未来大力发展可再生能源情景下的各国能源安全水平，为我国乃至世界其他国家深入理解和研判国际能源格局演化特征与趋势提供信息参考；证实能源安全水平与可持续发展水平在世界能源转型背景下的内在关联，为各国提升可持续发展水平提供内在动力；结合多权重敏感性分析，识别新形势下提升能源安全水平的关键影响因素，为保障国家能源安全、掌握国际能源市场主动权提供决策支撑。

（一）能源安全的内涵与评估体系构建

结合绿色低碳转型目标，本研究将能源安全定义为：在特定时间、一定技术经济条件下，能够稳定、高效、清洁地满足指定地域空间内（国家、区域）能源需要的状态，逐步脱离化石能源依赖。在这一定义下，能源安全评估体系由能源供应可靠性和能源使用可持续性两部分构成，前者由能源资源供应、多样化程度、可获得性／可及性决定，后者与利用效率、发展环境和资源环境压力3类因素密切相关（见表2）。

表2　能源安全评估体系的评价指标及权重

能源资源供应包括化石能源供应和可再生能源供应两个维度。化石能源供应下设资源禀赋、贸易安全两个一级指标，以及不同化石能源形式（石油、天然气、煤炭）储量、生产量、储采比、进口依赖度等二级指标，这些指标反映了化石能源供应稳定性。可再生能源供应下设发展能力、资源禀赋和贸易安全一级指标。可再生能源发展能力通过可再生能源发电量年增长率来体现，增长率越高，发展能力越强；资源禀赋情况采用与可再生能源发展直接相关的风光资源指标来体现，包括平均理论光伏发电潜力、平均风功率密度；贸易安全考虑了可再生能源上中游重要生产组件的进出口情况，用蓄电池进口能力指数、光敏半导体器件进口能力指数、风力发电机组进口能力指数来衡量。能源多样化程度采用一次能源供给多样化和电力多样性系数来衡量。能源可获得性反映一国能源基础设施韧性，采用“获得电力：系统平均中断频率指数”“获得电力：系统平均中断持续时间指数”指标来衡量。可及性衡量一国能源的普惠程度，用通电率、电价指标来体现。

能源可持续利用通过利用效率、发展环境和资源环境压力3个子维度来开展评估。利用效率与能源利用强度、技术创新能力有关，能源利用强度用一次能源强度水平指标来衡量，技术创新能力用研发支出占GDP的比重、居民专利申请量（每百万人口）、碳捕集与封存技术专利数、可再生能源发电技术专利数等指标来衡量。发展环境包括保证能源安全的法律制度、响应机制和应急方案等，这与国家治理体系和能力建设密切相关，选用全球治理指标（WGI）来衡量，包括腐败控制、政府效能、政治稳定和没有暴力 / 恐怖主义、监管质量、法治、发言权和问责制等。在资源环境压力方面，考虑生态资源条件与排放影响，以此衡量能源活动对环境承载力和生态环境质量的影响。生态资源条件用以衡量与能源发展间接相关的资源保障能力，包括关键矿产、土地资源、水资源禀赋。排放影响主要衡量能源消费过程对大气环境的影响情况，包括细颗粒物浓度（PM2.5）的年平均水平、人均碳排放量、人均甲烷排放量、人均二氧化氮排放量指标。

（二）指标计算与数据来源

本研究构建的能源安全评估体系数据来源包括两类。第一类是公开的统计数据，包括石油输出国组织的原油与天然气储量、生产量数据；美国能源信息署的煤炭储量、生产量数据；英国石油公司的可再生能源发电年增长率数据；世界银行的平均理论光伏发电潜力、平均风功率密度、“获得电力：系统平均中断频率指数”“获得电力：系统平均中断持续时间指数”、通电率、电价、一次能源强度水平、研发支出占GDP比重、居民专利申请量（每百万人口）、全球治理指标、土地面积、人均可再生内陆淡水资源；经济合作与发展组织的碳捕集与封存技术专利数、可再生能源发电技术专利数；世界卫生组织的细颗粒物浓度（PM2.5）年平均水平；欧盟数据库的人均甲烷排放量、人均二氧化氮排放量数据等。

第二类数据是在公开统计数据基础上进一步计算得到的（见表3），包括：基于化石能源储量和产量数据计算的原油、天然气、煤炭储采比；基于煤炭、原油和天然气等化石能源需求量、进口量和出口量计算的进口依赖度；基于一次能源消费量和电力供应量计算的一次能源供给多样化、电力多样性系数；基于进出口数据计算的蓄电池、光敏半导体器件、风力发电机组进口能力指数；基于各国特定矿产资源产量、各种矿产资源的应用广泛程度（采用加权覆盖 ‒ 集中指数衡量）和需求程度（采用生产 ‒ 需求指数衡量）计算得到的关键矿物资源相对生产能力指数；基于各国碳排放量和人口数据计算的人均碳排放量。本研究采用上述数据库中2020年的数据进行分析。

表3　能源安全评估体系的指标计算公式及说明

（三）指标赋权与敏感性分析

在指标赋权方面，本研究遵循两个原则。一是参照联合国可持续发展目标（SDG）评估体系的做法，认为各子维度具有同等重要性，且子维度下的一级指标、一级指标下的二级指标均设置为等权重，以此反映能源安全的系统性和不可分割性。二是针对化石能源供应和可再生能源供应维度中的不同能源形式指标，考虑各国能源结构差异，以不同能源形式在本国当前能源生产中的占比作为赋权依据，从而贴合本土化实际情况（如高度依赖煤炭资源国家的煤炭供给相关指标权重会更高）。同时，考虑未来可再生能源发展趋势，参考《联合国气候变化框架公约》第二十八次缔约方大会（COP28）提出的到2030年将可再生能源增加2倍目标，设置了大力发展可再生能源情景，调整可再生能源供应的权重为当前能源结构情景的3倍（相应缩减化石能源供应子维度的比重）。该情景与当前能源结构情景的对比，可以反映进一步发展可再生能源对能源安全的影响。计算过程对所有指标进行0-1标准化处理。

为尽可能降低赋权主观性对结果的影响，采用Maamoun等提出的集成计算方法，对各子维度权重变化情况进行敏感性分析。令7个子维度所占权重从0~1变化，变化幅度为0.1且和为1，在各子维度内部运用等权重法分别为一级、二级指标赋权，总共穷尽8008种权重分配情况；计算每一种情况下各国的能源安全得分，并根据其能源安全表现是否良好（得分是否位于样本国家中位数之上）分别赋值1、0，迭代累加后作为综合评估依据。由此判断哪些国家在不同权重评估体系下始终具有较好的能源安全性。

在遍历8008种权重分配方式的基础上，识别各子维度对构建全面评价体系的贡献程度。具体而言，若某个子维度权重不小于70%（各子维度各有84种），则认为是以该子维度为主的评估策略。将以该子维度为主的评估策略下样本国家能源安全排名，与遍历8008种权重分配方式后得到的多权重评估结果进行比较，计算结果相似度Si：

式（1）中，f_ij表示基于i子维度的评估策略，即在i子维度的分配权重≥70%时，计算j国家的能源安全性的累加值；F_j表示基准评估策略，即在8008种权重分配情况下，计算j国家的能源安全性的累加值。相似度体现了各子维度在评价结果中的作用程度，该值越小，说明所关注子维度对评估结果的影响程度越高。

（一）绿色低碳转型背景下的能源安全格局演变趋势与特征

由以化石能源为主导、聚焦供应安全单一维度的传统能源安全评估体系转向面向绿色低碳转型的多维能源安全评估体系后，世界能源安全格局变化显著。具体而言，18个案例国可划分为4类（见图1（a））：第一类国家在两种评估体系下得分均较高，如美国、澳大利亚、巴西和加拿大，说明无论是单一供应安全评价，还是基于面向绿色低碳转型的能源安全多元评估体系，这些国家均表现出较高的能源安全水平。第二类国家在两种评估体系下得分均较低，如阿根廷、墨西哥、埃及和印度，说明这些国家能源安全水平一直相对较低。第三类国家在转向绿色低碳趋势下的多元评价体系后，能源安全性降低，如科威特、阿联酋、伊朗、俄罗斯和印度尼西亚。这些国家拥有丰富的化石能源资源储备（高于案例国家中位数），在传统化石能源供应安全方面表现突出；但由于可再生能源发展相对滞缓、能源结构单一或能源利用效率较低、创新能力不足、生态环境压力大、政治局势不稳定等，绿色低碳转型目标下的能源安全存在明显短板，传统意义上的能源安全优势被大幅削减。第四类国家则相反，在绿色低碳转型目标下的能源安全水平较传统安全评价体系有明显提升，如智利、英国、日本、中国和马来西亚。这些国家的化石能源储备虽较为欠缺，但可再生能源发展态势良好且国内政治环境稳定，在绿色低碳转型目标下的能源安全保障优势大幅上升。

图1　传统与面向绿色低碳转型的能源安全评价矩阵

在面向绿色低碳转型的多元能源安全评估体系下，进一步对比了当前能源结构情景和未来大力发展可再生能源情景的评估结果（见图1（b））。结果发现：在两类情景中，各个国家的能源安全水平排名差异不大，但在大力发展可再生能源情景下，各国能源安全得分的离散程度增加（当前能源结构的变异系数为9.6，大力发展可再生能源情景中的变异系数为13.2）。这说明在绿色低碳转型的多元评估体系中，进一步提升可再生能源比例虽然并未显著改变世界能源安全格局，但将扩大国家间能源安全水平差距。在大力发展可再生能源情景下，英国、美国、加拿大、日本、智利、澳大利亚、中国等国家的能源安全优势进一步强化和放大，这与这些国家可再生能源发展速度快、研发投入高、创新能力强密切相关；而伊朗、科威特、阿根廷、俄罗斯等化石资源储量丰富国家的能源安全则会面临更大挑战。比较以上两类国家的优劣指标可以得出，可再生能源发展能力、研发创新水平、国家治理能力可以作为高能源安全水平国家的优势指标和低能源安全水平国家的劣势指标，或将成为各国能源安全格局博弈中的焦点，影响未来地缘政治格局演变。

就我国而言，在两类情景下的能源安全排名无显著变化。我国可再生能源发展速度位居案例国家之首，可再生能源组件的生产能力强，且与可再生能源发展间接相关的资源禀赋充足，发展可再生能源以弥补油气资源不足导致的能源安全隐患，优势显著，但能源消费结构相对单一、治理体系不健全等因素也在一定程度上制约了能源安全水平的提升。

（二）能源安全与可持续发展水平

对比联合国公布的SDG得分和能源安全得分情况（见图2），可以发现：传统能源安全评估结果与可持续发展水平无显著相关关系（相关系数为-0.3，10%水平下不显著），而面向绿色低碳转型的多元能源安全评价结果与各国可持续发展水平显著正相关（相关系数为0.7~0.8，1%水平下显著）。这说明，本研究构建的面向绿色低碳转型的能源安全评价体系与可持续发展评估体系高度契合。

图2　联合国SDG得分与能源安全得分

注：***表示检验在1%水平上显著。

在绿色低碳转型目标下，考虑能效创新、治理体系、资源环境和排放影响的能源安全与可持续发展水平密切相关。这说明在可持续发展领域表现欠佳的国家未来在能源安全方面更有可能受到牵制，如印度、科威特、伊朗和埃及。这些国家在水资源、能源利用、社会平等、治理体系等方面的可持续发展挑战严峻，将在一定程度上制约绿色低碳转型背景下的可再生能源供应、能源多样化程度、能源可获性、能源发展环境和生态环境压力等，能源安全水平因此处于相对劣势。与之相反，英国、日本、加拿大、智利、美国、澳大利亚、中国等在SDG和能源安全评估体系中均有较高得分，这些国家在可持续发展和能源安全保障方面具有协同优势。

值得一提的是，在两种情景下，阿根廷在SDG得分与能源安全得分方面存在一定反差，即拥有较高可持续发展水平，但能源安全水平较低。产生偏差的主要原因在于该国虽然可持续发展综合表现较好，但现阶段对发展可再生能源的重视程度不足，可再生能源生产制造能力弱、能源基础设施质量较差等因素显著制约了其能源安全。

（三）敏感性分析

考虑到指标体系赋权会影响评估结果，本研究对赋权方式进行了敏感性分析。遍历8008种权重可能性后，得出了各国能源安全水平位于前50%的频率，用于代表一国综合的能源安全水平（见表4）。可以看出，该频率与前述得到的能源安全排名结果基本一致，表明基础情景权重方案所得的结果较为稳健。

表4　能源安全敏感性分析结果

为识别不同维度对评估结果的影响程度，本研究计算了7个子维度分别被赋予主权重时（该维度权重70%以上，称主权重策略）的能源安全评估结果，并将其与基准评估策略下能源安全评估结果进行对比，如图3所示。结果发现：以化石能源供应子维度为主的评估策略与遍历权重的结果最为接近。这说明即使在多元化的能源安全评估体系中，化石能源供应仍然处于主导地位。同时，随着各国可再生能源消费比重的增加，能源多样化程度、利用效率、资源环境压力子维度的重要性提升，成为能源安全评价中仅次于化石能源供应的次要主导因素。尤其是资源环境压力维度，其在大力发展可再生能源情景下的重要程度显著提升，成为7个子维度中影响能源安全的第三大重要因素之一。

图3　各子维度主权重策略评价结果与基准评估策略评价结果的相似性分析

注：图中数值越大，表示相似性越低。

从评估结果来看，我国在资源环境压力和利用效率作为主权重的能源安全评价中，均有较好的能源安全表现；而在以发展环境或能源多样化程度为主权重的评价体系中，能源安全则表现相对较差。这说明在绿色低碳转型背景下，治理体系不健全、能源消费结构相对单一可能成为制约我国能源安全的关键因素。

本文立足绿色低碳转型目标，提出了兼顾能源供给和使用，涵盖化石能源供应、可再生能源供应、能源多样化程度、能源可获得性／可及性、利用效率、发展环境、资源环境压力7个子维度的新型能源安全评估体系，以18个国家为例，测算了在当前能源结构和进一步发展可再生能源情景下的能源安全水平，为理解和预判能源转型背景下世界能源安全格局的演变特征与趋势提供了具象参考。

研究发现，由强调单一能源供给安全的传统评估体系转向面向绿色低碳转型的多元化能源安全评估体系后，世界能源安全格局呈现显著变化。主要表现为智利、英国、日本、中国和马来西亚等油气资源相对匮乏、但可再生能源发展态势迅猛的国家能源安全水平显著提升；科威特、阿联酋、伊朗、俄罗斯和印度尼西亚等化石能源强国在国际能源市场的主导地位将被大幅削弱。随着可再生能源消费比例的提升，上述两类国家的能源安全水平差距将进一步扩大。除化石能源供应之外，各国的可再生能源发展能力、研发创新水平、国家治理效能等软实力也将成为影响能源安全格局的重要因素。对标联合国SDG指标体系可以看出，本研究提出的多元化能源安全评估体系与可持续发展水平高度契合。可持续发展水平将成为影响国家在绿色低碳转型趋势下能源安全保障的重要因素。此外，对指标赋权方式进行敏感性分析发现，化石能源供应仍然是决定一国能源安全性的主要子维度；随着可再生能源的消费比例的大幅提升，能源多样化程度、可再生能源供应、资源环境压力等子维度的重要性递增。

上述研究结果对我国乃至世界能源安全保障均有一定的启示。一是在绿色低碳转型趋势下，全球能源安全格局将被重塑，可再生能源发展迅速、能源利用效率高、创新能力强、国家治理稳定、资源环境压力小的国家在这一过程中将占据优势。二是新时期能源安全保障需建立系统观、全局观。在重视并充分发挥化石能源兜底保障作用的同时，能源安全保障工作还需拓展至可再生能源供应、能源多样化、能源可获可及能力、利用效率与创新、发展环境、资源环境压力等多个维度，大力提升可持续发展水平，以多维度目标协同并进和可持续发展水平整体提升保障能源安全工作扎实推进。三是对我国而言，治理体系不健全、能源消费结构相对单一可能成为制约未来能源安全水平的关键因素。充分发挥可再生能源资源禀赋和产业链优势，优化能源供给与消费结构，促进能源品种多样化；健全能源法律法规制度体系，依法推进能源治理、政策协同和能源监管，提升国家治理效能，是我国在绿色低碳转型背景下提升能源安全水平的重要路径。

基于本研究构建的能源安全评估体系框架，未来研究可以在以下方面开展进一步探索：一是利用更多可得数据，丰富和拓展能源安全体系的实证评估。受限于数据可得性，本研究未深入探讨核能、生物质能、潮汐能等能源利用形式对能源安全的影响，可在未来研究中进一步补充完善。二是气候变化对各国能源安全体系的影响值得进一步深入探讨。气候变化不但影响能源供应能力（如光伏发电受阴晴天气影响、风力发电受极端天气影响等），还将影响能源需求，激化供需矛盾。未来研究可进一步考虑气候因素在更高时空分辨率下对能源安全造成的影响。

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