碳中和新能源新领域

新质生产力下“能源绿色转型”革命及意义——兼论“能源三角”理论认识

  • 邹才能 , 1, 2, 3 ,
  • 李士祥 , 1 ,
  • 熊波 1 ,
  • 刘翰林 2, 3 ,
  • 马锋 2, 3
展开
  • 1 中石油深圳新能源研究院有限公司,深圳 518000
  • 2 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
  • 3 提高油气采收率全国重点实验室,北京 100083
李士祥(1981-),男,湖北钟祥人,博士,中石油深圳新能源研究院有限公司教授级高级工程师,主要从事能源战略、地热能与非常规油气地质等研究。地址:广东省深圳市南山区高新南九道清华大学研究院新大楼B座,中石油深圳新能源研究院有限公司,邮政编码:518063。E-mail:

邹才能(1963-),男,重庆北碚人,博士,中国科学院院士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事常规及非常规油气地质学理论研究与实践、新能源、能源战略等研究。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院院办,邮政编码:100083。E-mail:

Copy editor: 胡苇玮

收稿日期: 2024-09-13

  修回日期: 2024-10-25

  网络出版日期: 2024-12-10

基金资助

国家科技重大专项秘书处项目“新时代我国油气工业科技创新支撑高质量发展战略研究”(2022-5596510-000064)

中国石油天然气集团有限公司重大专项“二氧化碳规模化捕集、驱油与埋存全产业链关键技术研究及示范”(2021ZZ01-05)

Revolution and significance of “Green Energy Transition” in the context of new quality productive forces: A discussion on theoretical understanding of “Energy Triangle”

  • ZOU Caineng , 1, 2, 3 ,
  • LI Shixiang , 1 ,
  • XIONG Bo 1 ,
  • LIU Hanlin 2, 3 ,
  • MA Feng 2, 3
Expand
  • 1 CNPC Shenzhen New Energy Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, China
  • 2 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
  • 3 State Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery, Beijing 100083, China

Received date: 2024-09-13

  Revised date: 2024-10-25

  Online published: 2024-12-10

摘要

基于全球气候变化、碳中和目标与能源转型需求、现状及发展趋势,总结了世界能源绿色转型进程与中国新能源革命取得的成就及意义,提出了“能源三角”理论。研究表明:能源技术革命引领全球能源正历经北美黑色“页岩油气革命”和中国绿色“新能源革命”。中国风光氢储绿色新能源革命取得历史性成就,光伏风电技术水平全球领先,建成全球最大、最完整和最具竞争力的新能源创新链、产业链、价值链,建成了世界上最大的清洁电力供应体系。新质生产力代表绿色生产力,中国绿色新能源革命,加速了中国能源结构转型和全球清洁能源转型的步伐,构建了世界绿色低碳转型共赢新模式。新质生产力下的“能源三角”理论诠释了碳中和目标驱动能源绿色转型背景下,能源安全性、经济性、绿色性三要素在由化石能源到新型能源体系再到能源革命演变过程中的关联与发展。与世界能源资源禀赋比,中国能源资源特征是“煤炭较多、油气较少、风光无限”,未来中国能源发展思路要坚持科技驱动、洁煤降碳、稳油增气、强新增绿、智能互融。大力发展新能源是解决中国能源安全的必然趋势,建设碳中和“超级能源系统”是必然选择,要持续提升中国新能源发展的国际领先优势,发展能源新质生产力,支撑中国建设“能源强国”,奋力“能源独立”。

本文引用格式

邹才能 , 李士祥 , 熊波 , 刘翰林 , 马锋 . 新质生产力下“能源绿色转型”革命及意义——兼论“能源三角”理论认识[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(6) : 1395 -1408 . DOI: 10.11698/PED.20240598

Abstract

Considering the demands, situations and trends in respect to global climate change, carbon neutrality and energy transition, the achievements and significance of the global green energy transition and the new energy revolution of China are summarized, and the “Energy Triangle” theory is proposed. The research indicates that the energy technology revolution is driving a dual transformation in global energy: the black “shale oil and gas revolution” in North America and the green “new energy revolution” in China. The green energy revolution of China has achieved significant milestones in wind-solar-hydrogen-energy storage technologies, leading the world in photovoltaic and wind power. The country has developed the world’s largest, most comprehensive, and competitive new energy innovation, industrial and value chains, along with the largest clean power supply system globally. New quality productive forces represents the green productive forces. The green “new energy revolution” of China has accelerated the transformation of its energy structure and the global shift towards clean energy, promoting a new win-win model for the global green and low-carbon transition. Under the backdrop of a carbon-neutral goal-driven energy transition, the “Energy Triangle” theory within the framework of new quality productive forces explains the correlation and development of energy security, economic growth, and environmental sustainability throughout the evolution from fossil fuels to new energy systems, culminating in an energy revolution. Compared to the global energy resource endowment, the energy resources of China are characterized by abundant coal, limited oil and gas, and unlimited wind and photovoltaic energy. Moving forward, the energy strategies of China will focus on the advancement of technologies to clean coal for carbon emission reduction, increase gas output while stabilizing oil production, increase green energy while enhancing new energy, and achieve intelligent integration. Vigorously developing new energy is an essential step in maintaining the energy security of China, and establishing a carbon-neutral “super energy system” is a necessary choice. It is crucial to enhance the international competitiveness of China in new energy development, promote high-quality energy productive forces, support the country’s transition to an “energy power”, and strive for “energy independence”.

0 引言

全球能源战略和供需格局进入深度调整变革期,正历经中国风光氢储绿色“新能源革命”和美国黑色“页岩油气革命”[1],这“两场革命”加速全球能源转型。“风光能源”在新质生产力作用下正进入“风光时代”,新能源时代正在加速提前到来,开辟能源革命新征程。
能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题,对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。能源系统可分为单能源系统、多能源系统、超级能源系统。中国提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略[2],为新时代能源高质量发展指明了方向。新质生产力就是绿色生产力,中国加快构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,能源生产和利用方式发生重大变革,能源高质量发展迈出了新步伐。
纵观2023年全球一次能源消费量、生产量、进出口量和人均消费量,中国是全球最大能源生产国、消费国和进口国,一次能源产量33.86×108 t油当量、消费量40.78×108 t油当量、进口量6.92×108 t油当量[3]。俄罗斯是全球最大能源出口国,出口能源6.13×108 t油当量[3]。日本是全球能源对外依存度最高的国家,能源产量0.69×108 t油当量,能源消费量4.16×108 t油当量,能源进口量3.47×108 t油当量,能源对外依存度达83%[3]。卡塔尔人均能源消费量全球最大,达到19.51 t油当量,是全球平均水平(1.84 t油当量)的10.6倍[3]
中国能源结构目前存在含碳偏高、能源利用排碳偏高、油气对外依存度偏高、新能源生产利用偏低的“三高一低”特点。中国现在能源不安全,主要是油气对外依存度偏高的不安全,需要地下煤岩油气化、页岩油气革命;未来能源不安全,主要是新能源关键矿产进口量偏高的不安全,需要加大关键矿产开发。保障中国现在和未来的能源安全,要从全煤炭系统(地面与地下)、全油气系统(常规与非常规)、全能源系统(化石能源与新能源)、全碳循环系统(碳排放与碳利用封存)“4个系统观”出发,谋划煤炭清洁利用、非常规油气效益开发、新能源加速发展、碳中和稳步实现。“多能叠合系统”是发展路径,该系统内涵是指地下化石能源+地上风光新能源叠合分布,地下化石能源有序分布+地上风光新能源持续产生,多能智慧融合开发,CCUS/CCS(碳捕集利用与封存/碳捕集与封存)潜力巨大。当前及未来一段时期内,中国能源安全须坚守能源对外依存度小于20%、天然气对外依存度小于50%、石油国内产量大于2×108 t的“3条红线”。应对气候变化和能源安全保供的多重挑战,需要突破3个极限:突破非常规采收率极限,突破CCUS/CCS埋藏规模极限,突破新能源技术经济极限。中国新能源革命,将为全球应对气候变化、实现“碳中和”目标和能源绿色转型做出巨大贡献[4]
全球人类发展面临粮食安全、能源安全、国土安全、气候安全的“4大安全”问题。全球人类发展需要加强地球健康、粮食健康、能源健康、经济健康、气候健康“五大健康”。碳中和下新能源被赋予新定位,既具有传统能源的资源属性,也具有绿色发展的碳中和属性,承担着“能源转型+能源安全+能源强国+能源独立”的新使命。从新质生产力的视角,本文论述了碳中和目标下能源工业革命、碳排放与全球能源绿色转型发展,总结了中国风光氢储绿色新能源革命的成就及意义,创新提出了能源三角从“不可能”到“可实现”到“可持续”的“能源三角”理论,阐述了通过新能源“技术独立”可实现“能源独立”,新能源革命必将为中国式现代化建设持续注入绿色新动能[5]

1 碳中和目标下的全球能源绿色转型

1.1 全球能源绿色转型加速推进

“能源绿色转型”是指通过能源绿色科技创新,使能源结构向清洁低碳转换,能源生产消费安全高效、多能智慧融合,碳排放显著减少并利用与封存,支撑实现碳中和目标、能源独立与绿色可持续发展。
世界能源体系经历了从薪柴时代到煤炭时代、再到油气时代的演变,正在加快步入向新能源时代演变的第3次能源转型阶段(见图1)。世界油气工业呈现出“一非、一老、两深、三融合”新趋势:非常规油气的“一非”,老油气田的“一老”,深层+深水油气的“两深”,与CCUS/CCS融合、与零碳新能源融合、与数据智能融合的“三融合”。油气工业的快速发展得益于“六个突破”:页岩煤岩油气工业化开采,突破了常规烃源岩只能是油气源岩的“认识禁区”;微纳米级孔喉储集系统的发现,突破了常规储层宏观孔隙赋存油气的“运聚下限”;揭示“连续型”甜点区规律,突破了常规“单砂型”圈闭油气成藏的“经典概念”;平台式多水平井体积增能压裂,突破了常规打直井自然能量开采的“核心技术”;地质工程一体化统筹低成本发展,突破了常规条块分割各司其职的“管理思维”;碳中和下超级盆地能源总量理念,突破了常规勘探只限油气资源的“战略思想”。
图1 世界能源利用史与发展趋势图(2023年之前数据据文献[3],之后为综合预测结果)
能源属性具有煤炭资源有限性与高碳性、油气资源短缺性与不可再生性、新能源无限性与绿色性的“三性”特征,煤油气化石资源有限,风光水氢新能源无限。在世界能源发展中,煤炭进入“转型期”,石油步入“稳定期”,天然气迈入“鼎盛期”,新能源跨入“黄金期”。化石能源低碳化提速、新能源规模化提速、能源管理智慧化提速“三化提速”同步进行,推动全球能源高质量绿色低碳转型[6]。依据世界和中国能源消费结构变化及新能源技术发展趋势,新能源将进入快速发展阶段,第6次科技革命、第4次工业革命和第3次能源革命叠加,加快新能源时代的到来(见图1[3],预计2050年全球新能源在一次能源消费中占比超过50%。
2023年全球清洁能源消费进一步提升,天然气+新能源消费占比41.83%[3]。2023年全球消费一次能源148.00×108 t油当量,其中煤炭占26.47%、石油占31.70%、天然气占23.30%、新能源(核电、水电、可再生)占18.53%;2023年中国消费一次能源40.78×108 t油当量,其中煤炭占53.85%、石油占19.18%、天然气占8.53%、新能源占18.44%(见表1)。2014—2023年,全球非化石能源消费占比从13.6%增长到18.5%,中国对全球增长4.9个百分点所起到的贡献率达45.2%[7]
表1 中国、美国及世界2023年一次能源产消量构成[3]
能源 世界 美国 中国
产量/
108 t
产量
占比/%
消费量/
108 t
消费量
占比/%
产量/
108 t
产量
占比/%
消费量/
108 t
消费量
占比/%
产量/
108 t
产量
占比/%
消费量/
108 t
消费量
占比/%
石油 45.14 30.04 46.92 31.70 8.27 33.93 8.56 38.01 2.09 6.17 7.82 19.18
天然气 34.90 23.22 34.48 23.30 8.90 36.52 7.62 33.84 2.01 5.95 3.48 8.53
煤炭 42.81 28.49 39.18 26.47 2.83 11.60 1.96 8.70 22.24 65.66 21.96 53.85
核电 5.87 3.91 5.87 3.97 1.75 7.18 1.75 7.77 0.93 2.75 0.93 2.28
水电 9.47 6.30 9.47 6.40 0.53 2.17 0.53 2.35 2.74 8.09 2.74 6.72
可再生 12.08 8.04 12.08 8.16 2.10 8.60 2.10 9.33 3.85 11.38 3.85 9.44
合计 150.27 100 148.00 100 24.38 100 22.52 100 33.86 100 40.78 100

注:产消量均为油当量

2023年一次能源消费量全球排名前10的国家消费总量99.67×108 t油当量(见表2),占全球的67.3%。这10个国家能源产量98.98×108 t油当量(见表3),占全球65.9%。其中,中国、印度、日本、韩国的能源产量小于消费量,尤其日本和韩国产消比小于0.2,亚太地区的能源对外依存度较高。
表2 2023年全球能源消费量前10国家能源消费量情况表[3]
国家 石油 天然气 煤炭 核电 水电 可再生 合计/
108 t
人均
消费
量/t
人均
消费量
排名
消费量/
108 t
占比/
%
消费量/
108 t
占比/
%
消费量/
108 t
占比/
%
消费量/
108 t
占比/
%
消费量/
108 t
占比/
%
消费量/
108 t
占比/
%
中国 7.82 19.17 3.48 8.54 21.959 53.85 0.93 2.28 2.74 6.71 3.854 9.45 40.78 2.86 37
美国 8.56 38.03 7.62 33.85 1.958 8.69 1.75 7.77 0.53 2.34 2.097 9.31 22.52 6.62 11
印度 2.53 27.10 0.54 5.78 5.250 56.34 0.10 1.11 0.33 3.58 0.569 6.10 9.32 0.65 81
俄罗斯 1.72 23.05 3.90 52.16 0.916 12.25 0.47 6.23 0.45 6.00 0.023 0.30 7.47 5.17 15
日本 1.59 38.24 0.79 19.12 1.084 26.07 0.17 3.99 0.17 4.00 0.357 8.58 4.16 3.37 28
加拿大 1.04 31.20 1.04 31.16 0.089 2.66 0.19 5.73 0.81 24.42 0.162 4.85 3.33 8.59 8
巴西 1.22 36.82 0.26 7.78 0.137 4.13 0.03 0.94 0.96 28.89 0.710 21.44 3.31 1.53 65
伊朗 0.84 27.55 2.11 69.54 0.019 0.62 0.01 0.47 0.05 1.67 0.005 0.16 3.04 3.40 27
韩国 1.28 43.14 0.52 17.39 0.643 21.67 0.39 13.03 0.01 0.28 0.134 4.50 2.97 5.73 13
沙特 1.77 64.07 0.98 35.42 0.001 0.04 0 0 0 0 0.013 0.47 2.77 7.50 10
全球 46.92 31.70 34.48 23.30 39.179 26.47 5.87 3.97 9.47 6.40 12.081 8.16 148.00 1.84

注:消费量均为油当量

表3 2023年全球能源消费量前10国家能源产量情况表[3]
国家 石油 天然气 煤炭 核电 水电 可再生 合计/
108 t
产量/
108 t
占比/
%
产量/
108 t
占比/
%
产量/
108 t
占比/
%
产量/
108 t
占比/
%
产量/
108 t
占比/
%
产量/
108 t
占比/
%
中国 2.09 6.17 2.01 5.95 22.237 65.66 0.93 2.75 2.74 8.08 3.853 11.38 33.86
美国 8.27 33.93 8.90 36.52 2.828 11.60 1.75 7.17 0.53 2.17 2.097 8.60 24.37
印度 0.33 5.81 0.27 4.86 4.001 71.42 0.10 1.83 0.33 5.93 0.568 10.15 5.60
俄罗斯 5.42 39.84 5.04 37.08 2.200 16.18 0.47 3.43 0.45 3.30 0.024 0.18 13.60
日本 0 0 0 0 0.004 0.55 0.17 24.09 0.17 24.09 0.356 51.27 0.69
加拿大 2.78 47.26 1.64 27.83 0.296 5.04 0.19 3.25 0.81 13.85 0.162 2.76 5.88
巴西 1.84 48.86 0.20 5.34 0.024 0.64 0.03 0.83 0.96 25.48 0.709 18.87 3.76
伊朗 2.14 48.97 2.16 49.45 0 0 0.01 0.33 0.05 1.15 0.005 0.11 4.38
韩国 0 0 0 0 0.003 0.58 0.39 72.87 0.01 1.35 0.134 25.19 0.53
沙特 5.32 84.25 0.98 15.56 0 0 0 0 0 0 0.012 0.19 6.31
全球 45.14 30.04 34.90 23.23 42.811 28.49 5.87 3.91 9.47 6.30 12.081 8.04 150.27

注:产量均为油当量

分析1970—2023年世界能源消费结构变化(见图2)发现,石油和煤炭消费占比从47%和30%分别下降至32%和26%,天然气消费占比从17%上升到23%,非化石能源消费占比从6%上升到19%[3]。全球2022年天然气消费量4.16×1012 m3,电力、工业、居民、运输、其他天然气消费量分别占全球天然气消费总量的39.4%,20.7%,20.9%,3.6%,15.4%[8]。国际能源署(IEA)预测2030年天然气达峰,天然气产量和需求量均为4.30×1012 m3[8]。分析1970—2023年中国能源消费结构变化发现,低碳化转型速度高于世界平均水平,煤炭消费占比下降幅度最为明显,从82%下降至54%,石油和天然气消费占比从14%和1%分别上升至19%和9%,非化石能源消费占比从3%上升到18%。
图2 1970—2023年世界和中国能源消费结构变化[3]
英国要打造新能源超级大国。2024年7月5日英国工党新政府上台后,第一个优先事项是在净零排放上采取更为激进的举措[9]。工党政府公布了组建大英能源公司(Great British Energy)的立法蓝图,新公司将在新一届议会期内获得83亿英镑(约783亿人民币)注资,以推动英国成为浮动式海上风电、核电和氢能领域的世界领先者[9]。工党政府将出台一系列支持能源转型、绿色经济发展的政策,引入《能源独立法案》,推动英国成为“清洁能源超级大国”[9]
全球范围内实质性的能源转型已在不同程度地进行[10]。2023年,可再生能源新增装机容量510 GW[3],比2022年增加了近50%。可再生能源保持高速增长,过去20年,随着光伏和风电成本的下降,非水可再生能源取得了巨大的发展,2023年全球太阳能发电1 641.6 TW·h、风力发电2 325.3 TW·h、地热和生物质等发电781.5 TW·h,非水可再生能源发电量达到4 748.4 TW·h [3],同比增长12.9%,过去10年复合增长率达到14.4%。到2030年全球可再生能源装机容量增加两倍,达到11 000 GW的清洁能源目标有望实现。
中国新能源产业为世界构建了绿色低碳转型共赢新模式[11]。目前,中国与100多个国家和地区开展绿色能源项目合作[11]。过去10年间,全球风电和光伏发电项目平均度电成本分别累计下降超过60%和80%[7],这其中很大一部分归功于中国贡献。中国新能源产业促进了全球技术进步,提升了资源分配效率,创造了未来经济新增量,有力推动了世界能源转型与经济增长[12]

1.2 全球能源工业“两场革命”加快进行

气候变化和双碳目标背景下,碳基化石能源向零碳基新能源转型是必然趋势和必须选择。能源技术革命的突破,引领全球能源正在历经美国黑色“页岩油气革命”和中国风光氢储绿色“新能源革命”,这“两场革命”加速了全球能源转型。

1.2.1 美国黑色页岩油气革命

美国黑色页岩油气革命[1],是超越认识的小概率事件。2019年美国能源消费量22.2×108 t油当量,产量22.6×108 t油当量,自1957年以来首次实现能源产量超过消费量(见图3),引领推动美国实现“能源独立”,引领推动世界非常规油气快速发展。2023年,美国油气产量16.9×108 t油当量[3],其中原油产量6.6×108 t、天然气产量12 922×108 m3[3]。原油产量中,常规原油产量2.3×108 t、非常规原油产量4.3×108 t;天然气产量中,常规天然气产量4 609×108 m3、非常规天然气产量8 313×108 m3[3]
图3 1950—2023年美国能源产量与消费量[3]

1.2.2 中国绿色新能源革命

中国风、光、氢、储绿色新能源革命[1],是潜伏隐藏的大概率事件。2023年底,中国水电、风电和太阳能发电3类新能源电源累计装机容量分别达3.70×108 kW、4.41×108 kW、6.09×108 kW [13],累计装机容量占比达到50.4%(见图4),首次超过火电装机容量占比(47.6%),标志着中国已步入新能源时代。中国在运在建核电总装机10 033×104 kW,其中,在运核电装机容量5 691×104 kW,以全国电力装机中不到2%的占比产出全国近5%的发电量[7]。“西电东送”输电能力约3×108 kW,建成20条特高压直流输电通道。中国引领全球风电和光伏产业发展,2023年底中国风电和光伏装机总量达10.50×108 kW,占全球风电和光伏装机总量(2 436 GW)的43.2%[3]。中国风能、太阳能、储能的技术水平、规模优势和成本竞争力正在不断增强:量产先进晶体硅光伏电池转换效率超25%;陆上风电机组最大单机容量突破10 MW,单机18 MW的海上风电机组顺利下线;2023年底,抽水蓄能装机容量5 094×104 kW,新型储能规模3 139×104 kW/6 687×104 kW·h、平均储能时长2.1 h[7]。低成本风能、太阳能、储能将支撑全球能源转型。
图4 中国2014—2023年电力装机结构[3]
全球风电快速发展,中国处于领先地位。2023年,全球累计风电装机1 017 GW,中国累计风电装机442 GW,占比43.4%(见图5[3]。中国2023年新增风电装机75.931 GW,年增长率20.7%,2013—2023年平均年增长率19.1%[3]。国家规划到2030年,沙漠、戈壁、荒漠地区风电和太阳能发电基地总装机约455 GW,“十四五”期间,全国海上风电规划总装机超100 GW[7]
图5 中国和世界2000—2023年风力发电装机容量对比图
中国引领太阳能产业发展,全球光伏发展迅猛。2023年,全球太阳能发电累计装机容量1 419 GW,中国累计装机容量610 GW,占比43.0%(见图6),超过欧洲和美洲的总和(509 GW)[3]。中国2023年新增太阳能发电装机216.889 GW,年增长率55.2%,2013—2023年平均年增长率42.4%。
图6 中国和世界2000—2023年太阳能发电装机容量对比图
碳中和共识和地区冲突加剧背景下,各国更加重视能源转型与能源安全,新能源技术迭代加速、成本大幅降低,形成竞争优势,新能源技术革命正在加速提前到来。在新能源产业中发挥主导作用的是科技革命,新能源具有高科技、高效能和高质量特征。中国新能源革命构建以新能源、新储能、新智能、新政策“四新”为主的新型能源体系,是能源高质量发展的重要路径,以“风、光、气、热、氢、储、智”互补一体化为代表的新能源占比不断提升,推动能源向着绿色、经济、科技、智能方向高质量发展,为全球应对气候变化、实现“碳中和”目标、能源绿色转型与能源安全做出了巨大贡献。

1.3 气候变化下的中国减碳贡献提速

气候危机无疑是人类面临的决定性挑战,世界气象组织(WMO)发布的《2023年全球气候状况》报告确认,2023年是有记录以来最暖的一年,全球近地表平均温度比工业化前1850—1900年的平均水平基线高出了(1.45±0.12)℃[14],接近《气候变化巴黎协定》设定的1.5 ℃下限[15-16],这打破了之前最暖年份的记录,即比工业化前平均水平高(1.29±0.12)℃的2016年和高(1.27±0.13)℃的2020年,2014—2023年全球平均温度比工业化前的平均水平高出(1.20±0.12)℃,各大洲都感受到了日益严重的气候变化影响[17-18]。中国提出了共同深化能源转型务实合作、共同维护全球能源产业链供应链稳定畅通、共同提升全球能源可及性、共同应对全球气候变化调整的全球倡议[6]。全球气候变化所涉及的远不止温度的升高[19-20],近些年,在全球变暖以及厄尔尼诺和拉尼娜现象等多重因素叠加影响下,极端天气频次呈增加趋势,气象灾害越来越频繁。
尽管目前可再生能源已拥有确定、成熟的技术,以及与化石能源媲美的成本,但除2020年因新冠疫情出现碳排放下降以外,全球二氧化碳排放依然在上升。2023年全球化石能源燃烧、工业过程和甲烷排放、放空燃烧产生的二氧化碳当量排放达到404×108 t,首次超过400×108 t[3],二氧化碳排放创历史新高。欧美发达经济体的排放已经处于下降通道,而亚洲地区的排放还在持续上升。
实现“碳达峰碳中和”是一场广泛而深刻的社会变革[21],是发展新质生产力的具体体现。实现碳中和目标,首需能源自我革命。碳达峰碳中和重点在能源,是以能源为主的系统性问题。化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放是迄今为止温室气体排放的最大来源,2023年二氧化碳当量排放351.298×108 t,占总量的87.7%[3]。中国、美国化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量分别为112.184×108 t、46.397×108 t,占该国总排放量比例分别约为89.0%、90.4%[3]
中国新能源减碳贡献多。中国新能源产业的不断发展,为全球能源绿色转型的产业链供应链稳定提供有力支撑[22]。大力发展零碳基新能源,是应对气候变化和实现碳中和目标的战略性举措[17]。2021年,中国宣布不再新建境外煤电项目。2022年中国新能源发电量相当于减少碳排放约22.6×108 t,出口的风电光伏产品为其他国家减少碳排放约5.7×108 t,合计约占全球同期可再生能源折算碳减排量的41%[11]。2023年,全球可再生能源新增装机容量5.1×108 kW,中国贡献超过一半。

2 中国“能源绿色转型”革命成就及意义

2.1 中国能源革命成就

美国黑色“页岩油气革命”大大提高了美国在现有世界能源体系中的权重,成为当下第一油气生产国、主要油气出口国。目前能源转型的最大驱动力来自于气候变化,或说是“气候政治”,可再生能源在能源体系中的作用日益增加。目前公认的“零碳”可再生能源包括风能、太阳能、水电和核电。在光伏材料制造和风电制造领域,中国走在了前面,在新能源发展维度上获得了一定的竞争优势。
化石能源支撑中国由“能源小国”成为“能源大国”,2023年中国能源产量相对1949年产生成百倍甚至上万倍的增长:1949年总产量0.2×108 t标准煤,其中原煤0.3×108 t、原油12×104 t、天然气0.1×108 m3、发电43×108 kW·h;2023年总产量48.3×108 t标准煤(增长241倍),其中原煤47.1×108 t(增长156倍)、原油2.09×108 t(增长1 741倍)、天然气2 324×108 m3(增长23 242倍)、发电9.46×1012 kW·h(增长2 198倍)。
从化石能源到“化石能源+新能源”融合,再到风能+光能+氢能+储能+智能等,不可再生的有限“碳基”能源越采越少,可再生的无限“零碳”新能源越用越多。2023年中国新能源产量7.52×108 t油当量,占能源总产量(33.86×108 t油当量)的22.2%,中国新能源新兴产业进一步发展壮大[23]
中国未来能源需求量持续增大。2023年中国人均一次能源消费量2.86 t油当量[3],在全球93个国家或地区中排名37,人均用能远低于发达国家,约为美国的2/5。未来一段时期中国能源消费还将保持刚性增长,未来几年中国能源消费总量每年将保持2%左右的增速,折合约1.2×108 t标准煤,如果其中一半由风电光伏保障,则每年需要新增风电光伏装机约1.5×108 kW。从推动绿色低碳转型看,中国第二产业能耗约占全国能源消费总量的70%,二氧化碳排放约占全国碳排放总量的80%,传统能源结构转型任务较为艰巨[24]
中国新能源革命的成就来之不易,应持续巩固提升新能源发展的国际领先优势、大力发展新能源符合新质生产力的要求。2024年5月23日,国务院印发《2024—2025年节能降碳行动方案》[25],提出严格合理控制煤炭消费,合理调控石油消费,有序引导天然气消费,规划到2025年,非化石能源消费占比达到20%左右。加大非化石能源开发力度[25]:加快建设以沙漠、戈壁、荒漠为重点的大型风电光伏基地;合理有序开发海上风电,促进海洋能规模化开发利用,推动分布式新能源开发利用;有序建设大型水电基地,积极安全有序发展核电,因地制宜发展生物质能,统筹推进氢能发展;到2025年底非化石能源发电量占比达到39%左右。
目前,全球一半以上的绿色低碳技术尚未成熟,庞大的低碳发展需求与低成本绿色技术供给严重不足的矛盾突出。中国新能源技术不断升级、要素禀赋结构深刻改变、数字化与绿色化转型结合,并通过大规模应用显著降低了新能源产品成本,为新能源产业高质量发展探索了新路径[11]。风电光伏仍是新能源发展的主体。各主要经济体在扩大风电光伏装机规模的同时,重点围绕降本增效开展技术攻关。

2.2 中国新能源革命进展

新能源是用新技术开发利用的零碳基可再生能源,主要类型有风能、太阳能、水能、氢能、热能、核能、海洋能、可控核聚变等,与传统能源区别是不含碳、可再生、新技术。
中国新能源产业的发展取得历史性成就,在开放竞争和互利合作中取得了竞争优势,代表的是先进产能和绿色发展,不仅丰富了全球供给,也为全球应对气候变化、绿色转型和全球经济发展做出巨大贡献。中国为全球贡献了60%的风电装备和70%以上的光伏组件[26],是全球性贡献和机遇,引领全球新能源革命。
中国拥有丰富的风光新能源资源,经过长期攻关和不懈积累,源于绿色发展理念的科学指引和产业链供应链体系的建立,通过技术创新、产品优化和产业升级,中国新能源产业快速发展和崛起,多项新能源技术和装备制造水平已全球领先,建成了世界上最大的清洁电力供应体系。与10年前相比,清洁能源消费占比提高10.9个百分点,煤炭消费占比下降12.1个百分点,清洁能源发电量占比提高约15个百分点,单位国内生产总值(GDP)能耗累计降幅超过26%[9]。中国外贸“新三件”新能源汽车、锂电池和光伏产品在国际市场上形成了强大竞争力,2023年出口增长近30%,全年合计出口突破万亿元大关[11],为国际社会提供了优质高效的新能源设备和产品[27]。未来新能源的“三大件”绿电工业、绿氢工业、绿储工业,“绿电制绿氢”将形成绿氢工业,而绿氢工业将是石油工业、天然气工业接力发展的必然趋势和必然选择。
中国新能源装机规模连续多年稳居世界第一,约占全球的40%。2024年6月底,中国累计发电装机容量约30.7×108 kW,同比增长14.1%[28]。其中,太阳能发电装机容量71 350×104 kW,风电装机容量46 671× 104 kW,水电装机容量42 715×104 kW,核电装机容量5 808×104 kW。新能源发电装机总量达16.65×108 kW,在发电总装机中的占比达54.2%,突破50%,超过火电装机。
新能源已成为中国新增电力装机主体。2012年以来,中国风电装机增长了6倍,年均增长20%左右;光伏增长了184倍,年均增长60%左右[24]。从2016年开始,中国新能源新增装机占全国新增电力总装机的占比超过50%,2023年新能源新增装机占新增电力总装机的占比达到85%,成为新增电力装机的主体。2023年新能源年发电量约2.68×1012 kW·h,占总发电量的30%,其中风电光伏发电量1.43×1012 kW·h,约占全社会用电量的15.8%,高于全球平均水平(13.0%)。
中国新能源技术水平处于全球领跑地位。中国光伏发电技术快速迭代,多次刷新电池转换效率世界纪录。中国在大容量风电机组研发、长叶片、高塔架应用等方面处于国际领先水平,并在大功率风机、超低风速风机、深远海风电技术等领域不断取得突破。装备制造领域,中国已建成全球最大、最完整和具有竞争力的新能源产业链供应链,培育出一批国际一流能源装备制造企业。10年来风电、光伏开发成本分别累计下降60%和80%,2023年平均度电成本分别降至0.26元和0.31元。新能源产业已建成先进完备、具备国际竞争优势的全产业链体系,已成为全球新能源产业中心。

2.3 中国能源绿色转型革命意义

中国新能源革命的快速推进,加速了全球清洁能源转型的步伐,为应对气候变化做出了巨大贡献。中国不仅在国内大规模发展新能源,还通过大规模部署清洁能源,降低了全球使用绿色技术的成本,让新能源利用变得实惠与可及。

2.3.1 加速了中国能源结构向绿色转型

中国能源供给结构中的主力能源仍是化石能源,化石能源起到“压舱石”作用。煤炭较好地发挥了兜底保障的作用,在极端情况下,能够快速释放至少3×108 t/a的煤炭储备产能,可有力保障中国能源消费需求。2023年国内油气产量超过4.1×108 t油当量,连续7年保持千万吨级快速增长势头,年均增幅达1 170×104 t油当量[3],形成新的产量增长高峰期。
中国一次能源生产结构和消费结构绿色化、低碳化进展显著[29],2000年以来能源产消结构中,煤炭占比持续下降,清洁能源(天然气+新能源)占比快速提升[30]。2000—2023年,煤炭产量占比由72.9%降至65.7%,新能源产量占比由7.7%增至22.1%(见图7),煤炭消费量占比由68.5%降至53.9%,新能源消费量占比由7.3%增至18.4%(见图8)。
图7 2000—2023年中国一次能源生产结构变化
图8 2000—2023年中国一次能源消费结构变化
中国能源结构目前处于“三期”叠加时期:煤炭时代的“过去”未去,2023年煤炭消费占比仍高达53.85%;化石能源时代的“现在”即在,煤炭、石油和天然气化石能源消费占比达81.56%;新能源时代的“未来”已来,新能源消费占比达18.44%。能源转型挑战与机遇并存,新能源在中国能源转型战略与双碳目标中起着举足轻重的作用[31]
中国能源消费结构存在多样性。2023年主要能源消费结构中(见图9[30]:原油消费以工业和交通运输为主;天然气消费以工业和城市燃气为主;煤炭消费结构单一,以工业为主;电力消费结构多样,以工业为主,其次为居民生活。
图9 2023年中国主要能源消费结构
中国积极转变能源消费方式,大幅提升能源利用效率,以年均约3.3%的能源消费增长支撑了年均超过6%的国民经济增长。中国对全球非化石能源消费增长的贡献度超过40%,单位GDP能耗降幅超出同期世界平均水平的1倍多,2023年全球新增新能源发电装机中超过一半在中国[27]
中国新能源技术取得长足进步与快速发展以来,中国能源结构调整加速推进,新能源发电装机占比超过50%,煤炭消费占比年均下降超过1个百分点,单位GDP能耗累计下降约27%,降幅超过同期世界平均水平的两倍[24]。持续推动传统能源产业转型升级,大力培育新能源产业发展壮大,形成了全球领先的清洁能源产业体系,光伏、风电已成为中国具有国际竞争优势的产业。
随着中国新能源技术的持续进步和新能源产业的规模发展,未来非化石能源的消费占比将快速上升。能源消费结构将由目前的煤炭消费占比大,石油、天然气、新能源消费占比小的“一大三小”格局,向2060年煤炭、石油、天然气消费占比小(预测分别为5.0%,5.6%,9.4%)、新能源消费占比大(预测为80%)的“三小一大”转型[2,32 -33]

2.3.2 更有力保障中国未来能源自主安全

能源的饭碗必须端在自己手里,中国发展新能源产业的核心逻辑是满足人民日益增长的能源消费需求。当前国际社会严峻复杂,围绕气候变化的博弈日趋激烈[34],激烈博弈背后的实质更多关系到发展权与排放权的权衡[35],能源安全对作为全球第二大经济体的中国极其重要[36],必须以更高的标准端牢能源的饭碗。2023年,中国能源消费总量占世界的28%,能源生产总量占世界的23%,人均能源消费量仅为经济合作与发展组织(OECD)国家平均水平的2/3左右[27]。由于地理分布的不均匀性,资源的稀缺性和供求关系的不稳定性,国际市场上石油、天然气等大宗能源商品具备特殊的政治属性、金融属性和资源属性。资源禀赋决定了油气方面中国是一个资源弱国,随着新质生产力快速发展,未来一段时期内中国能源消费仍将持续刚性增长,有效保障能源安全的责任重大。
中国具有新能源先天能源资源优势,坚持“科技驱动、洁煤降碳、稳油增气、强新增绿、智能互融”的能源策略,坚持地下化石能源与地上新能源融合发展,更有利于保障国家能源安全。煤炭是“压舱石”能源,石油是战略保持能源,天然气既是传统化石能源向新能源转型的“连接器”,又是与新能源融合发展的安全“稳定器”,在新型能源体系中发挥着“调节器”的关键支撑作用。天然气是实现向低碳、零碳能源转型最重要和最现实的过渡性能源[37],风光绿电、绿氢、可控核聚变等是主力接替性能源,大力发展新能源是战略性选择、是解决复杂问题的根本出路。
现在的能源不安全,主要是油气对外依存度很高的不安全,2023年中国石油和天然气对外依存度分别高达73.0%和42.3%;未来的能源不安全,主要是新能源关键矿产进口量偏高。中国锂资源和钴资源匮乏[38],对外依存度超过90%。
预计到2030年和2060年,中国非化石能源消费占比分别达到25%和80%,电能占终端能源消费比例分别达到35%和75%,能源配置格局将更加科学高效,能源供给结构将发生深刻调整,能源利用方式将更加复杂多元。电力是能源绿色低碳转型的载体,电网是保障能源安全的平台。

2.4 中国能源绿色转型前景

中国能源发展面临需求压力巨大、供给制约较多、绿色低碳转型任务艰巨等一系列挑战,应对的出路就是大力发展新能源,以更大力度推动新能源高质量发展,持续推动新能源技术进步和产业发展,为中国式现代化建设提供安全可靠的能源保障,为共建清洁美丽的世界做出更大贡献。

2.4.1 中国能源资源潜力

中国煤炭、石油、天然气探明可采储量(2020年底)分别为1 431.97×108 t、35.42×108 t、8.40×1012 m3,储采比分别为36.7,18.2,43.3,剩余可采储量(2023年底)分别为1 298.03×108 t、29.29×108 t、7.73×1012 m3 [3]。世界煤炭、石油、天然气探明可采储量(2020年底)分别为10 741.08×108 t、2 444.21×108 t、188.07×1012 m3,储采比分别为138.6,53.5,48.8,剩余可采储量(2023年底)分别为10 480.22×108 t、2 312.45×108 t、175.92× 1012 m3 [3]
中国2023年石油产量2.09×108 t、天然气产量2.01×108 t油当量、煤炭产量22.24×108 t油当量,是全球第6大产油国、第4大产气国、第1大产煤国。中国风电技术可开发量超过100×108 kW,光伏发电技术可开发量超过450×108 kW [24],2060年前实现碳中和,中国风电光伏装机将达50×108 kW以上,是目前装机总量的5倍。
世界能源资源具有“煤炭富足、油气较丰富、新能源无限”的特征。中国是能源生产、能源消费、能源进口最大的国家,需要重新评价认识中国能源资源禀赋[39],应该是“煤炭较多、油气较少、风光无限”。相对全球煤炭可采储量与储采比,中国并不高,且是煤炭生产和消费大国,与全球比和从自身消费看,不是富煤而是“煤炭较多”。中国是油气生产大国,还是全球油气消费大国,所以不是贫油少气,而是“油气较少”。中国风光资源巨量,具有本土性和可再生性,开采不到30%,就可以满足中国能源独立,所以是“风光无限”。
中国新能源安全问题,主要是部分新能源矿产进口量偏高,需要新的矿产开发[39-41]
中国石墨产量总体保持稳定。2023年底,全球石墨储量36 439.5×104 t、储采比218,中国储量7 800×104 t、储采比63[3],储量占比21.4%;2023年全球石墨产量166.83×104 t,中国产量123.0×104 t,占全球的73.7%[3]
中国是全球稀土的主要生产国。2023年底,全球稀土储量11 560.2×104 t、储采比327,中国储量4 400× 104 t、储采比183[3],储量占比38.1%。2023年全球稀土产量35.37×104 t,中国产量24.00×104 t,占全球的67.9%[3]
中国钴资源贫乏,对外依存度超过95%。2023年底,全球钴储量1 064.16×104 t、储采比54,中国储量14.0×104 t、储采比80[3],储量占比1.3%。2023年全球钴产量19.69×104 t,中国产量0.18×104 t,占全球的0.9%[3]
中国锂资源匮乏,对外依存度超过95%。2023年底,全球锂储量2 602.8×104 t、储采比131,中国储量300×104 t、储采比91[3],储量占比11.5%。2023年全球锂产量19.8×104 t,中国产量3.3×104 t,占全球的16.7%[3]

2.4.2 中国能源发展路径

中国是全球第二大经济体,外部环境严峻复杂,能源安全至关重要,中国煤炭较多、油气较少的化石资源禀赋特征决定了中国是化石能源资源弱国,油气等化石能源对外依存度高,目前能源供给不安全。中国能源安全问题的解决方案就是大力发展新能源。任何产品或商品都可以被“禁运”,任何公司都可以被制裁,油气也可以被“禁运”,但阳光谁也挡不住,风谁也制裁不了。中国的制造业能力很强,数字化能力呈现良好态势,基建能力更是全球有名,中国是全球唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家,已形成200多个成熟的产业集群,制造业规模连续14年居世界首位[11]。新能源本质就是制造业、数字化和基建的一个融合体,中国新能源资源丰富,新能源是中国能源安全的重要保障,新能源是中国成为能源强国、实现能源独立的现实路径[12,42]
碳中和目标下中国能源发展要处理好10大关系:世界能源转型与中国碳中和的关系,中国能源转型与能源安全的关系,化石能源与新能源节奏比例关系,中国油气进口与能源安全的关系,中国大规模新能源生产与低成本利用的关系,中国能源独立与颠覆性技术的关系,建设能源强国与能源独立的关系,碳中和目标与美丽中国建设的关系,中国新能源革命与世界碳中和贡献的关系,中国碳中和与绿色地球发展的关系。
中国能源强国发展路径,目前还要做好化石能源、新能源和CCUS/CCS的融合发展,突出绿色转型,注重“油气+新能源+CCUS/CCS、油气+煤炭+CCUS/CCS、油气+煤炭+新能源+CCUS/CCS”的融合发展。
“双碳”目标下,构建兼顾多种能源生产消费与碳中和协同的“超级能源系统”是战略性支点。地下碳基传统能源、地上零碳基新能源、CCUS/CCS与碳汇将实现协同融合和智慧管控,创新性配置形成碳中和“超级能源系统”[43],发展新质生产力,建设新型能源体系,引领推动“双碳”目标实现,为人类发展提供绿色动能。

3 新质生产力下“能源三角”理论内涵

3.1 “能源三角”理论认识

“不可能三角”理论最早提出是指经济社会和财政金融政策目标选择面临诸多困境,难以同时获得3方面的目标。本文把该理论应用于能源领域,提出了新质生产力下的“能源三角”理论,从能源的安全性、经济性、清洁性3方面,阐述了从碳基化石能源向零碳基新能源转型革命中“能源三角”的内涵和发展。
新质生产力下的“能源三角”理论诠释了碳中和目标驱动能源绿色转型背景下,能源安全性、经济性、绿色性三要素在由化石能源到新型能源体系再到能源革命演变过程中的关联与发展。能源及能源体系演变发展由化石能源的“不可能三角”发展到新型能源体系的“可实现三角”再到能源绿色转型革命的“可持续三角”(见图10)。这3个“能源三角”,从“不可能”到“可实现”到“可持续”,层层递进,初步形成了新质生产力下的“能源三角”理论内涵。
图10 “能源三角”理论的3个“能源三角”
化石能源“不可能三角”寓意能源的绿色性、经济性、安全性三者难以共存[44]。新能源是零碳清洁能源,具有绿色性;目前技术条件下风、光等新能源已规模效益开发,以低廉价格供给,具有经济性;“多能互补、源网荷储”构架的新型能源体系智慧性支撑能源长期安全稳定供给,具有安全性;以新能源为主构建的新型能源体系兼具能源绿色性、经济性和安全性,破解了化石能源不能兼具这3种属性的矛盾,发展成为新能源新质生产力的“可实现三角”[1]。为了实现气候治理和碳中和目标,在能源经济+能源安全前轮引领可行、技术创新+双碳目标后轮驱动提速的碳中和能源转型“四轮驱动”下,能源转型势在必行,技术革命带来的能源革命,将稳固支撑国家未来实现能源独立,“能源转型、能源安全、能源经济”形成了能源革命下的“可持续三角”,三者相互支撑形成能源的经济安全供应。
全球能源绿色转型革命,从化石能源的“不可能三角”,发展到新能源为主构建的新型能源体系的“可实现三角”,再到能源独立目标下能源革命的“可持续三角”。中国能源发展面临最大能源消费国、最大能源进口国、最大碳排放国“3大压力”,要做好化石能源与新能源融合、与CCUS/CCS融合、与数据智能融合的“3个融合”,中国能源绿色转型要坚持多能互融、安全有序、经济高效的“3个原则”。“3个三角”、“3大压力”、“3个融合”、“3个原则”,丰富和发展了新质生产力下“能源三角”理论内涵。

3.2 能源“绿色科技创新”

新型能源体系是“绿色+智慧能源体系”,为人类绿色生活、绿色地球建设提供绿色动能,体系建设遵循“五新为主”:新绿电绿氢为主、新型煤油气为主、新材料储能为主、新智能调控为主、新政策支持为主。科技创新推动人类进步,但开始不一定是绿色创新,新质生产力本身就是绿色生产力,新质生产力下的能源三角理论发展,就是能源低碳化零碳化发展,就是能源“绿色科技创新”。科技创新是自然科学知识的新发现、技术工艺的创新。绿色创新是关注并实现碳中和目标与环境可持续发展的创新模式。绿色科技创新是用自然科学知识的新发现、技术工艺等,引领推动实现碳中和目标与绿色可持续发展。能源绿色科技创新是用自然科学知识的新发现、技术工艺等,引领推动化石能源低碳化经济转型、新能源规模化高效利用,为碳中和目标、地球绿色建设、人类绿色发展提供不竭动力。
科学发现+技术发明+企业发展的“科技企”融合创新链,使能源三角从“不可能”到“可实现”到“可持续”,形成新质生产力下的“能源三角”理论,实现产业基业无限长青。

4 结语

能源技术革命引领全球能源正历经美国黑色“页岩油气革命”和中国绿色“新能源革命”。美国页岩油气革命引领推动美国于2019年实现“能源独立”,中国风、光、氢、储绿色新能源革命,引领推动全球风电光伏产业迅猛发展,为全球应对气候变化、能源绿色转型与能源安全做出了巨大贡献。
中国新能源产业的发展取得历史性成就。多项新能源技术和装备制造水平已全球领先,光伏发电多次刷新电池转换效率世界纪录,风电技术不断取得突破,为全球贡献了60%的风电装备和70%以上的光伏组件;新能源电力装机规模连续多年稳居世界第一,约占全球的40%,新能源已成为中国新增电力装机主体,水电、风电和光伏发电3类新能源电源2023年底累计装机容量占比达到50.4%,首次超过火电装机占比,建成了世界上最大的清洁电力供应体系,步入了新能源时代。
“能源三角”理论诠释了能源安全性、经济性、绿色性以及碳中和目标之间的关联与发展,能源及能源体系演变发展由化石能源的“不可能三角”,发展到新型能源体系的“可实现三角”,再到能源绿色转型革命的“可持续三角”。科学发现+技术发明+企业发展的“科技企”融合创新链,使能源三角从“不可能”到“可实现”到“可持续”,层层递进,初步形成了新质生产力下的“能源三角”理论内涵。
中国绿色新能源革命的快速推进,加速了中国能源结构转型和全球清洁能源转型的步伐,10年间全球非化石能源消费占比从13.6%增长到18.5%,中国贡献率为45.2%,为世界构建了绿色低碳转型共赢新模式,推动了全球碳中和与气候治理,为应对气候变化做出了巨大贡献。
中国具“煤炭较多、油气较少、风光无限”的能源资源禀赋特征,油气对外依存度偏高,现在的能源供给不安全,大力发展新能源是解决中国能源安全的根本出路,未来中国能源发展的总体思路是坚持科技驱动、洁煤降碳、稳油增气、强新增绿、智能互融,坚持地下碳基传统能源、地上零碳基新能源、CCUS/CCS与碳汇协同融合发展,创新性配置形成碳中和“超级能源系统”,建设新型能源体系,支撑中国建设“能源强国”,力争实现“能源独立”,为中国式现代化建设持续注入绿色新动能。
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