《自然》：全球供应链给各国光伏安装节省了数百亿美元

文章导读

实现碳中和需要以前所未有的速度和规模推广可再生能源，但各国却采取一些限制资本、人才和创新自由流动政策来支持本地的经济增长、就业和贸易盈余。纽约州立大学石溪分校（石溪大学）何钢老师与乔治华盛顿大学章乐汉老师、加州大学圣地亚哥分校戴维森老师合作在《自然》杂志发文第一次定量评估了全球化的太阳能光伏供应链所带来的成本节约。文章利用美国、德国和中国的太阳能光伏的历史装机、组件和硅料的价格数据搭建了一个双要素学习曲线模型。文章估计，从2008年到2020年，全球化的光伏组件市场，相对于各国在10年内全部转为国内生产的情景，为美国的光伏安装节省了240亿美元（190-310亿美元），给德国节省了70亿美元（50-90亿美元），给中国节省了360亿美元（260-450亿美元）。如果从2020年开始，各国10年内全部转为国内生产，估计各国2030年太阳能组件的价格将比依靠全球化供应链高出约20%-25%。国际气候政策从全球化的低碳技术产业链中获益，这些结果表明，需要额外政策来缓解福利分配效应和对排挤潜在竞争技术的影响。

核心观点

光伏成本速降中国贡献巨大：从2008到2020年，如果没有以中国为主的全球光伏产业链，各国10年期逐步转为全部自己国内生产的话，美国将为同样的装机容量多付约240亿美元，德国将为同样的装机容量多付约70亿美元。

主导全球生产中国受益颇丰：中国也是全球产业链条的受益者，除了生产企业出口创汇，如果没有全球市场，中国将为同样的装机多支出约360亿美元。

应对气候变化有赖全球合作：如果从2020年开始各国开始以10年为期全部转向国内生产，到2030年光伏组件的价格将比依赖全球产业链条的条件下高出20-25%。实现全球应对气候变化的目标需要大规模快速推广安装可再生能源，各国依赖自己生产将推高可再生能源成本推迟这一进程，进而影响应对气候变化碳中和目标的实现。

研究背景

太阳能将在实现可持续低碳能源未来和避免气候变化的最坏影响方面发挥关键作用[1-4]。在过去的40年里，太阳能光伏的价格已经下降了两个数量级。在2010年至2021年期间，全球新投产的公用事业级太阳能光伏的加权平均平准化能源成本（LCOE）下降了88%[5]，光伏发电在世界一些地区比化石燃料电力更便宜。在此期间，安装成本（不包括资本成本）下降了81%[5]。虽然这些价格的大幅下降对加速低碳能源的推广是一个福音[6-7]，但要以实现气候目标所需的速度和规模安装可再生能源，特别是在化石燃料电力仍然更便宜的地区，可再生能源的成本就必须进一步下降。最近的研究表明，即使在安装速度最快的国家，太阳能和风能的安装速度仍不足以达到避免气候变化最严重后果所需的目标[8]。

太阳能光伏发电价格的快速下降并非没有争议。例如，中国在太阳能光伏电池板和组件的大规模生产方面发挥了巨大作用， 2021年占全球产量的78%[9-10]（见图1）。Greg Nemet教授称赞这是中国"送给世界的礼物"[11]，归功于中国企业在过去十年中实现了制造成本的大幅降低[5]。然而，其他国家把光伏制造业集中在中国视为一种竞争威胁，一些人将这一结果归因于中国政府实施的不公平贸易行为和产业政策[12]。希望快速发展清洁能源行业的国家正在寻求保护和鼓励国内生产企业[3]。

图1 - 按来源全球光伏组件生产量，中国2021年占比约为78%。

为了回应这些担忧，美国和欧盟对来自中国和其他国家的进口太阳能产品征收严厉的关税。2022年6月，拜登政府援引《国防生产法》，加速太阳能光伏制造的国内生产[13]。这些政策可能导致以效率较低的国家学习进程取代导致价格急剧下降的全球供应链相关的学习进程[4]。资本（如外国金融支持的初创企业）、人才（如与中国研究人员的国际合作）和创新（如海外实验室发明的技术，在中国获得许可并进行大规模生产）的自由流动对于中国的太阳能光伏产业的竞争力和崛起至关重要[14]。这些因素中的每一项都日益受到美国和其他国家政府的关切[15]。如果实行严格的国产化政策（包括最终或中间太阳能产品的贸易壁垒，对跨国研发的限制，以及跨国投资的障碍），随后的成本和性能改进只能主要来自国内的研发、知识和资本，可能会减缓太阳能光伏组件的价格下降速度，从而减缓太阳能光伏的安装速度。

国际气候政策和可再生能源推广政策现在到了一个十字路口：继续依赖全球供应链，还是转向技术开发和生产的国产化。本研究试图从推广太阳能光伏以实现碳中和目标的成本方面来量化这两条道路的差异。我们收集了美国、德国和中国的太阳能光伏安装的历史容量、组件和材料的成本数据，并开发了一个双因素学习模型，以估计与历史（全球化）太阳能光伏供应链相关的学习曲线。学习曲线模型是描述单位成本和累计生产量之间关系的经验模型。我们使用这些学习曲线模型来比较"全球"与"国家"市场条件下太阳能光伏组件的反事实历史价格和未来潜在价格。全球市场情景反映了历史条件下的学习曲线，而国家市场情景则反映了每个国家在10年内逐步过渡到完全由国内供应的市场条件。在全球市场情景中，各国可以从全球累计生产量当中学习，而国内市场情景各国过渡到主要从国内累计生产量当中学习，全球累计生产量远远大于各国国内累计生产量，因此，依靠全球市场，大大加速了各国的学习曲线。

我们将研究范围聚焦在光伏组件上主要是两个方面的原因。首先，组件是全球交易的光伏部件，占大多数光伏安装系统成本的20%至40%[16]；加上逆变器，组件在2010年至2020年期间占全球加权平均总安装价格下降的61%[5]（预计未来占比会降低）。第二，其他"软成本"（如许可、安装和营销）因国家而异，并且在地理上的学习和溢出效应有限[17]；因此，无论组件在哪里生产，我们预计这些成本构成将保持相对稳定。我们的分析仅限于安装价格，而不是反映在太阳能售电价格中的LCOE，后者也因国家和项目而异，取决于资本成本和其他因素。

研究结论

利用特定国家的历史组件价格数据和全球光伏累计安装和硅料的价格数据，我们采用双因素学习曲线模型估计了2006年至2020年期间三个最大的太阳能安装国（中国、德国和美国）的太阳能光伏组件学习速率。这三个国家合计占同一时期全球全部光伏装机容量的54%[18]。在此期间，德国的学习速率为20%（意为累计安装容量每翻一番，单位组件的成本下降20%），美国为26%，中国为33%。然后我们计算反事实的"国家市场"情景，假设从2006年开始，各国开始实施民族主义政策，在十年内逐渐将生产限制在本国境内（中国由于数据限制，起始年为2007年）。在反事实的"国家市场"情况下，假定年装机容量不变，以提供与政策最相关的结果。图2显示了每个国家在"全球市场"和"国家市场"情景下的价格曲线，以及黑点所代表的真实的历史价格。

图2 - 中国（2007-2020年）及德国及美国（2006-2020年）在“全球市场”和“国家市场”两种情景下太阳能光伏组件模拟价格对比图。黑点是历史组件价格，两条实线反映了在全球（蓝色）和国家（橙色）市场情况下的模拟价格。在模型情景中，各国的学习曲线速率保持不变，硅料价格遵循历史价格。全球市场情景使用的是全球容量，国家市场情景使用的是国家和全球容量的加权总和，反映了10年内逐渐过渡到完全由国内供应的市场情景。全球市场情景模拟的曲线与历史市场价格非常吻合。不确定性代表95%置信区间。

比较这两种情景，如果每个国家在十年内逐步过渡到全部国内生产，同时与历史数据相同的安装容量，我们的结果表明，2020年的太阳能光伏组件价格将大大高于其实际历史价格。中国会高出54%（每千瓦387美元对250美元），德国会高出83%（每千瓦652美元对357美元），而美国会高出107%（每千瓦877美元对424美元）。从2008到2020年，这三个国家从全球市场相对国家市场中节省的成本累计总额估计为670亿美元（2020年美元价格），95%的置信区间为500-840亿美元（见图3）。

图3 - 估计中国、德国和美国安装与历史数据同样多的太阳能光伏组件在全球市场相对国家市场情景每年的成本节约大小（2008-2020）。成本节约的计算方法是将每年各国的历史新增装机容量与国家市场和全球市场情景的模拟价格之差相乘。误差条代表95%置信区间。

随着越来越多的国家推出旨在保护本地生产的政策，如对进口光伏组件征收关税等，基于全球学习的组件价格持续下降的趋势可能被推迟。为了评估这种影响，我们以2020年的历史光伏价格为基准，预测太阳能光伏组件价格到2030年的差异。这些预测假设安装速度以恒定的年增长率（CAGR）增长，从2020年的历史装机容量增长到2030年每个国家的目标水平。我们考虑两种不同的未来情景：国家趋势（NT）和可持续发展（SD），前者为继续历史安装速度趋势，后者反映了满足基于国际能源署《世界能源展望2020》报告中可持续发展情景的气候目标所需的安装速度。表1总结了每个国家在两种情景下2030年的具体安装目标，图4显示了这些预测的结果。

表1 国家趋势及可持续发展情景下各国2030年的光伏安装目标

图4 – 中国、德国和美国在全球市场和国家市场情景下太阳能光伏组件价格预测比较（2020-2030）。每条曲线从2020年的历史组件价格开始，并遵循特定国家的学习曲线速率。在全球市场情景下，全球预测装机容量被用于预测价格，而在国家市场情况下，使用国家和全球容量的加权总和，反映了从2020年开始10年内逐渐过渡到完全由国内供应的市场情景。不确定性区间代表来自估计学习曲线模型的95%置信区间。

我们的预测表明，如果各国从2020年到2030年逐步实施严格的民族主义政策，2030年的光伏组件价格将更高。在国家趋势情景下，2030年各国光伏组件价格将高出约20%：中国每千瓦162美元对135美元，德国每千瓦298美元对251美元，美国每千瓦320美元对262美元。作为比较，美国国家可再生能源实验室（NREL）2021年度技术基准报告预测，在先进、适度和保守的改进情景中，太阳能光伏组件到2030年将分别达到每千瓦170美元、190美元和320美元[19]。因此，仅靠国产化无法实现NREL预测当中的先进和适度情景中的成本目标。根据预测的装机容量，估计从2020年到2030年，三个国家从全球市场相对于国家市场的累计成本节约，在国家趋势情景下为150亿美元（2020年美元价格），95%的置信区间为国家趋势情景下的130-160亿美元，在可持续发展情景下为360（330-390）亿美元。

图5 - 预测中国、德国和美国太阳能光伏组件在国家趋势和可持续发展目标下，全球市场相对国家市场情景每年的成本节约大小（2020-2030）。成本节约的计算方法是将每年的各国的历史新增装机容量与国家市场和全球市场情景的模拟价格之差相乘。误差条代表95%置信区间。

讨论与局限

太阳能光伏组件的制造，一种对解决气候变化问题至关重要的全球贸易商品，正日益受到各国政府的争夺，试图将该行业当前和未来的规模收益本地化。然而，要实现应对气候变化所需的太阳能光伏发电的快速推广，必然要求价格以与过去十年相似或更高的速度持续下降。全球人才、资本和创新的自由流动有助于降低成本。我们通过收集主要安装国的太阳能光伏组件价格、安装容量和硅料价格数据，估计了各国的学习速率，并量化了各国如果转为国内生产对太阳能光伏安装的历史和未来价格和成本节约的潜在影响，从而评估了民族主义的政策可能的影响。这些结果可以应用到其他低碳技术领域，如风力发电和电动汽车，但需要注意的是结果与供应链整合和技术成分的复杂性有关。例如，风力发电系统有一个非常全球化和专业化的中间部件贸易；因此，实现整个风力发电供应链的"国家市场"可能导致更大的成本。

我们考虑政策制定者在维护既定的全球化供应链方面面临的三个困境：贸易争端和国内就业，"排挤"替代技术，以及国内生产的其他益处。政策制定者需要通过补充政策来解决这些问题，从而减轻对全球学习速率的影响，而不是采取民族主义的措施。

贸易争端和国内就业。进口国潜在的制造业工作岗位的流失，加上贸易争端，是这些国家采取民族主义政策的原因。但根据NREL的估计，与供应链中的制造业工作相比，系统安装的工作每年要多出10倍（尽管在制造业中，单位太阳能组件生产是就业较高的）[21]。因此，如果采取民族主义政策推高价格导致安装减缓，总体就业反而可能下降。当然，有工作机会的再分配问题和政治现实影响着对某些类型工作的偏好[22]。

我们的“国家市场”反事实情景是一个完全脱钩的例子。这些国家可能选择转移到一部分国家生产，或者只在国内生产供应链的特定部件。即使是我们所研究的三个国家也不可能不计成本地将整个供应链转移到国内，因此我们的估计结果只提供了一个范围参考。贸易政策的互惠性是限制各国实现国内生产政策目标的另一个障碍：例如，美国的多晶硅行业曾经是太阳能光伏制造企业的全球主要供应商，但当中国对美国针对从中国进口的组件征收关税进行报复时，美国多晶硅行业成为中美太阳能贸易战的第一个牺牲品。

技术"排挤"。一些人认为，单晶硅（c-Si）光伏电池价格的快速下降，部分是由中国的产业政策推动的，可能已经"排挤"了其他新兴的太阳能技术，如美国占相当大全球市场份额的"薄膜"太阳能电池。如果没有来自单晶硅的激烈竞争，这些技术可以更大规模应用从而实现更低的价格[23-24]。这种说法并非没有先例。例如，Fuchs和Kirchain（2010年）发现，光电子行业的生产转移到发展中的东亚，导致已有技术的价格大幅下降，新兴的和潜在的突破性技术变得无法竞争，基本上被废弃了[25]。

虽然这些担忧并非没有道理，但它们不是全球光伏产业竞争中唯一起作用的因素。事实上，光伏电池和组件的制造遵循了许多行业共同的发展道路，即在最初的试验之后，出现了"主导设计"[26]，生产活动从产品创新转向生产改进，以扩大规模和降低成本[27-30]。这种生产重心的转移往往会催生两个相关的现象：1）某些企业成功地实现生产过程创新，单位成本急剧下降；2）许多竞争企业失败，因为生产往往集中在少数能够以低成本竞争的企业。在一些行业中，这刚好和为寻求低成本生产而进行的产业转移进程同时发生[3]。因此，目前还不清楚中国光伏电池和组件生产的集中是否纯粹是政府干预的结果，或者是各种因素的结合，就像是一个成熟行业的自然转移[31]。中国政府的产业政策可能加速了单晶硅电池和组件的成本下降，但是否仅仅是这些政策导致了对其他潜在技术的排挤，仍然值得商榷。

额外国内收益和供应链多元化。除了直接就业之外，太阳能光伏的国内制造还可能提供其他好处，这一点值得进一步的研究。我们的模型没有考虑对相关产业的溢出效应，如半导体和电子产业。例如，硅料生产是先进芯片和太阳能供应链的一部分，尽管太阳能用硅的纯度要比芯片用硅低几个数量级[32]。在投入研发的公共部门和私营部门之间建立更强有力的联系，被认为是实现气候技术创新目标的重要途径，既可以减少规模扩大的风险，又可以提供市场准入[33]。外国制造商可能是不受欢迎或不可行的公共资金的合作伙伴。另一方面，私营部门主导的合作可能很高效。中国的太阳能公司在很大程度上通过改进制造工艺和建立国际战略伙伴关系进行创新，包括与无法在国内扩大规模的美国初创公司合作[34]。

在关键的供应链上依赖单一或少数国家，即使能降低成本和加强学习，也可能产生因为自然灾害或地缘政治冲突而中断的风险。但是，有管理的多元化，而不是完全国产化，可以提供一个减轻供应链风险的成本影响。

虽然我们考虑了不同学习机制，比方说“做中学”和“研中学”，但我们并没有分解不同机制对学习速率的贡献，也没有考虑到各国给厂商的补贴或进口商面临的关税变化。学习曲线是一个综合指标，它反映了各种影响因素对一项技术的成本演变的累积效应。政府补贴、产业政策、关税和公司转移的历史变化和数据限制，使我们无法一一分解这些因素对价格的精确影响，这也超出了本研究的范围。我们也没有考虑安装的价格弹性，而是用历史安装容量和目标容量来计算，以使得我们的结果更加具有政策含义。如果考虑价格弹性，价格升高后安装减少，成本节省数额也会减少。

本文首次定量估计了全球化太阳能光伏供应链给各国光伏安装的历史和未来成本节约。研究结果表明了全球学习过程在实现较低价格以加速低碳技术推广方面的好处。这一过程有可能被新出现的民族主义政策所延迟。当谈判者讨论加速实现《巴黎协定》目标的行动时，当政策制定者规划实现本世纪中叶碳中和的路径时，他们应该认识到，如果没有全球化的低碳供应链，这些愿望和目标可能很难或不可能实现。补充政策是必要的，以解决有关制造业本地化的困境和争论，并确保低碳技术价格持续下降。

原文信息

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05316-6

作者信息：John Helveston, Gang He*, Michael Davidson

引用本文：John Helveston, Gang He, and Michael Davidson. 2022. “Quantifying the Cost Savings of Global Solar Photovoltaic Supply Chains.” Nature, October. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05316-6.

代码数据：https://doi.org/10.5281/zenodo.6989075

应用程序：https://jhelvy.shinyapps.io/solar-learning-2021/

更多信息：https://drganghe.github.io/posts/2022-10-nature-cost-savings-of-global-solar-pv-value-chains/

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