我國再電氣化面臨的主要挑戰有哪些?
發布者:lzx | 來源:中國電力企業管理 | 0評論 | 691查看 | 2020-07-07 10:46:54    

當前,全球新一輪能源革命正加速演進,世界能源體系深度重塑。風能、太陽能等新能源大規模開發利用,電能持續在工業、交通、建筑等終端能源消費領域滲透,再電氣化已成為不可逆轉的全球化趨勢。


再電氣化的內涵、特征及意義


再電氣化是指在傳統電氣化的基礎上,充分利用現代能源、材料和信息技術,進一步拓展電能的利用范圍和規模,深度替代煤炭、石油等終端化石能源消費,推動全社會電氣化水平再度躍升,并促進清潔能源大規模開發利用,最終實現以清潔能源為主導、以電為中心的高度電氣化社會的過程。


這一輪再電氣化根植于全球能源加速清潔低碳轉型、積極應對氣候變化的進程之中,與以往傳統工業化時期的電氣化進程有本質區別。


清潔低碳電氣化。從能源生產環節來看,傳統電氣化主要依靠煤炭、天然氣等化石能源發電來保障電力供應,而再電氣化則伴隨著風能、太陽能等新能源的大規模開發和利用,體現為清潔能源對化石能源的替代和發電能源占一次能源消費比重的提升。2018年全球發電能源占一次能源消費比重為34.2%,比2000年提高了2.0個百分點;全球清潔能源發電量占比和新能源發電量占比分別達到58.5%和9.3%,分別比2000年提高了5.6和7.9個百分點。未來隨著光伏電池轉換效率不斷提高、風機大型化發展以及智慧運維技術的應用,新能源發電的度電成本還將持續下降。


預計再過5~8年,新建陸上風電和大型光伏電站的成本將低于在運營的煤電成本,新能源將進入大規模存量替代的高速發展階段。


深度廣泛電氣化。從終端能源消費環節來看,傳統的用電領域和用電方式主要包括照明、加工、制造、運輸、制冷、通信等方面。再電氣過程中,電能的利用規模和范圍將前所未有的拓展和深化,對其他終端能源消費品種呈現出深度廣泛替代的趨勢。2018年全球電能占終端能源消費比重為19.2%,比2000年提高了3.7個百分點。未來隨著電能替代技術經濟性不斷提高和政策標準逐步完善,工業電鍋爐、電窯爐、電動汽車、電采暖等電供能設備將不斷推廣普及,工業、交通、建筑等終端部門電氣化水平將持續提升。另外,隨著5G時代的到來,數字經濟產業迎來加速發展,數據中心、通信基站等領域的電力需求將保持強勁增長,進一步促進全社會電氣化水平提升。


智能互動電氣化。從整個能源系統來看,新能源的大規模接入和用能需求多樣化,對提高電力系統運行的穩定性、靈活性和抗擾動能力提出了更高要求。大數據、云計算、物聯網、人工智能、5G、區塊鏈等信息技術的發展,以及與能源電力行業的深度融合,為建設更智能、更安全的電力系統提供了支撐。未來電力系統發輸配用等各環節的智能化水平將不斷提升,源網荷之間友好互動能力將顯著增強。在電源側,通過先進傳感測量、可視化、智能控制、大容量儲能等技術,實現大規模新能源智能發電與友好并網。


在傳輸側,利用智能電網、特高壓輸電、柔性輸電等技術,實現新能源大規模遠距離配置和消納。在負荷側,應用物聯網、智能電表、智慧用電系統等技術,實現用戶與電網智能互動及主動負荷需求響應。未來隨著再電氣化進程的加快推進,電力技術與信息技術的深度融合,電力系統全環節將具備智能感知能力、實時監測能力、智能決策水平,源網荷之間實現高度智能化的協同互動。


再電氣化是順應世界能源變革潮流、積極應對氣候變化和促進人類文明進步的重要戰略選擇。對于世界而言,再電氣化將重構世界能源體系,使世界能源發展擺脫資源、時空和環境約束,實現大規模清潔能源高效開發和利用,推動清潔能源成為主導能源,讓人人享有更充足的能源供應、更宜居的生活環境,進而為構建人類命運共同體提供堅強的動力保障。對于我國而言,再電氣化與新發展理念高度契合,是深入貫徹“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的重要體現。加快推進再電氣化對推動能源生產和消費革命、提升經濟發展質量效益、促進生態環境改善、兌現減排承諾和降低油氣對外依存度等具有重要意義。


我國再電氣化的發展現狀及國際比較


通常衡量一個國家或地區的電氣化水平的指標主要有兩個:一是發電能源占一次能源消費比重,反映電力在整個能源供應體系中的地位;二是電能占終端能源消費比重,反映經濟社會發展對電力的依賴程度。這一輪再電氣化以清潔低碳為基本特征,因此增加清潔能源發電量占比和新能源發電量占比,反映再電氣化進程的清潔低碳化程度。


新中國成立以來,我國的電氣化進程實現了跨越式發展,能源生產側和消費側電氣化水平、以及電力供應清潔低碳化水平均實現顯著提升。2018年我國發電能源占一次能源消費比重達到45.4%,電能占終端能源消費比重達到25.5%,清潔能源發電量占比和新能源發電量占比分別達到36.3%和7.8%。煤電在我國電氣化進程中發揮了基礎支撐作用,清潔能源發電有效地改善了我國電力供應結構。在終端部門中,工業部門電氣化步伐平穩,建筑部門電氣化水平最高,交通部門電氣化發展速度最快。


全球電氣化水平經過前期快速提升,近期進入平穩發展階段,發達國家普遍高于發展中國家。近年來,發達國家受經濟增長放緩、替代能源競爭力增強、棄核政策等因素影響,電氣化進程明顯放緩,而我國電氣化進程保持較快發展。目前我國能源生產側電氣化程度已達到發達國家平均水平,消費側電氣化程度已超過發達國家平均水平。但是在電力供應結構方面,發達國家電力供應清潔低碳化程度已達到較高水平,我國電力供應清潔低碳化程度仍遠落后于發達國家平均水平。


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我國再電氣化的影響因素和潛力


影響再電氣化發展的主要因素有:一是資源稟賦條件。各國都會基于自身資源稟賦特點進行能源有效開發和利用。二是經濟發展水平。各國電能占終端能源消費比重與人均GDP呈顯著的正相關關系。三是技術進步和經濟性。技術進步是推動再電氣化發展的根本力量,新能源和電能替代技術進步將推動全社會電氣化水平持續提升。四是宏觀政策取向。我國積極主動應對氣候變化,持續推進生態文明建設,將有力推動再電氣化進程。


我國電能替代潛力巨大,理論可替代潛力達4.6萬億千瓦時,技術可替代潛力達2.4萬億千瓦時。分部門來看,工業部門隨著電能替代技術設備經濟性提升和高質量工藝產品需求增加,電氣化水平將不斷提升。交通部門重點在鐵路和公路客運領域快速提升電氣化率,航空、航運、公路貨運受能量密度限制,電能替代難度較大。建筑部門隨著電制冷、電采暖、電熱水器、電炊具的不斷推廣,電氣化水平將持續提升。


我國再電氣化面臨的主要挑戰


清潔能源發展尚無法完全滿足新增電力需求。我國總體還處于工業化后期、城鎮化快速推進期,未來電力需求仍有較大的增長空間,特別是隨著再電氣化進程的推進,全社會用電范圍不斷拓展,電力需求將保持剛性增長,增速逐步放緩,但增量規模依然可觀。清潔能源雖然發展迅速,但還不足以滿足快速增長的電力需求增量。如果再電氣化推進速度過快,就需要新建大量煤電來填補缺口,這在一定程度上違背了清潔低碳這一推進再電氣化的初衷。2016~2019年期間,我國電力消費年均增長3267億千瓦時,而清潔能源發電量年均增長1714億千瓦時,清潔能源僅能滿足52.5%的新增電力需求。


再電氣化對電力系統靈活柔性、智能互動、安全可控提出更高要求。未來清潔能源不僅要滿足電力需求增量,還要滿足煤電退出的存量缺口。風電、太陽能發電等間歇性電源大規模、高比例并網,對電網安全運行、電量消納提出了挑戰。需要加強電網互聯、提高靈活調節能力,依托大電網和電力市場,大范圍內優化配置能源資源。另一方面,再電氣化促使電動汽車、虛擬電廠、分布式能源等交互式能源設施廣泛接入,以及綜合能源服務等新型需求大量涌現,使得電網負荷預測和潮流控制更為復雜,對電力系統智能互動水平也提出了更高要求。


電能替代的經濟性和可持續性有待提高。“十三五”時期,我國大力推進電能替代,在一系列優惠政策的推動下,預計能夠完成7000億~8000億千瓦時替代電量,但后續深入推進將面臨挑戰。在技術層面,電鍋爐、電動汽車、熱泵等技術正逐步成熟,電能在工業、交通、建筑等領域的可利用范圍不斷擴大,目前僅在航空、航運領域尚未形成較有前景的技術,因此從功能可實現的角度來講,電能替代加速潛力大。


但是,在經濟層面,綜合考慮全壽命周期內投資、運行、維護等成本,電能在居民采暖、工業高溫高壓熱蒸汽、中重型卡車長途運輸等場景的應用中,經濟性欠佳。從等效熱值成本來看,當前電能成本約為燃煤的2.4~4.8倍,極大限制電能替代推進速度,如果計入能源環境成本,電能替代的競爭力將有所提升。


我國再電氣化的發展趨勢及情景分析


展望未來,我國將在全面建成小康社會的基礎上,開啟全面建設社會主義現代化國家新征程。我國經濟將沿著高質量發展方向不斷前進,能源生產和消費革命加快向縱深推進,新能源技術和電能替代技術的經濟性和競爭力不斷提升,再電氣化將迎來重要發展機遇期。


電力消費持續增長和清潔能源發電規模快速擴張將推動能源生產側電氣化水平大幅提升。未來隨著我國經濟持續從高能源強度的制造業向低能源強度的服務業轉型,加之能效提升政策的實施,我國一次能源消費增速將大幅放緩。電能作為清潔高效的二次能源,是支撐未來信息社會和數字經濟的最重要的能源品種。


我國電力消費將保持較快增長,增速顯著快于一次能源消費,這將推動發電能源占一次能源消費比重新一輪快速提升。另一方面,在技術進步和國家政策的推動下,各類清潔能源特別是風能、太陽能等新能源通過轉化為電力的方式大規模開發利用,也將促進發電能源占一次能源消費比重進一步提升。預計2035年我國發電能源占一次能源消費比重將達到55%左右。


電能替代深入推進和新興電力消費快速增長將推動能源消費側電氣化水平大幅提高。未來隨著電能替代技術的競爭力日益增強,超大規模的用電潛力將不斷釋放,電能將是未來終端能源中增長最快的能源品種,電能占終端能源消費的比重將不斷提升,并逐步占據終端用能的核心地位。工業部門隨著自動化、智能化水平提升以及電供能設備技術經濟性提高,電氣化水平將穩步提升。


交通部門隨著電動汽車大規模普及以及電氣化軌道交通的持續發展,電氣化水平將大幅提升。建筑部門隨著電采暖、電制冷、電炊具、電熱水設備的不斷推廣應用,電氣化水平將持續提升。此外,數字經濟產業加速發展,可再生能源發電制氫等新產業不斷成熟壯大,將進一步促進全社會電氣化水平提升。預計2035年我國電能占終端能源消費的比重有望達到34%左右。


清潔能源由增量替代轉向存量替代將推動電力供應清潔低碳化水平大幅提升。未來隨著新能源技術的日益成熟、系統靈活性的不斷提升和制度體系逐步完善,風電和光伏發電的經濟性和競爭力將不斷提升。未來風電和光伏發電在全面實現平價上網的基礎上,將逐步發展成為比煤電還經濟的發電方式,進而推動清潔能源在2030年之前進入大規模存量替代的發展階段。


這將不僅大幅提升電力供應清潔低碳化水平,同時還有助于推動電力系統供應成本降低。此外,氣電、核電和水電將繼續保持穩步發展的趨勢,也將推動電力供應清潔低碳化水平的提升。預計2035年我國清潔能源發電量占比達到55%左右,新能源發電量占比將達到25%左右。


我國再電氣化的情景分析


按照我國到2035年基本實現社會主義現代化的目標、加快推進生態文明建設和《能源生產和消費革命戰略(2016~2030)》的要求,結合新能源技術和電能替代技術發展趨勢,對未來再電氣化進程設定兩種不同發展情景。


基準情景:該情景描繪了未來我國按照既定時間表和路線圖,如期實現社會主義現代化目標。我國經濟保持高質量發展,生態文明建設和能源生產和消費革命持續推進,新能源技術和電能替代技術的經濟性和競爭力不斷提升,再電氣化進程沿著當前路徑穩步推進,電力供應清潔化轉型穩步推進。


加速再電氣化情景:該情景描繪了我國在確保完成2035年基本實現社會主義現代化目標的前期下,更加強化生態文明建設,能源生產和消費革命加速推進,再電氣化上升為國家戰略大力推進,同時新能源技術和電能替代技術快速突破,再電氣化進程加速推進,電力供應清潔化轉型快速推進。


在基準情景下,2035年我國電力消費總量將增長到11.4萬億千瓦時左右,發電能源占一次能源消費比重將提升到55%左右,電能占終端能源消費比重將提升到34%左右,清潔能源和新能源發電量占比將分別提升到55%和25%左右。


在加速再電氣化情景下,2035年我國電力消費總量將增長到12.2萬億千瓦時左右,發電能源占一次能源消費比重將提升到60%左右,電能占終端能源消費比重將提升到40%左右,清潔能源和新能源發電量占比將分別提升到62%和30%左右。


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我國再電氣化的實施路徑


能源生產側堅持“以電為中心”,加速推進清潔能源電氣化,逐步實現對化石能源的增量替代和存量替代。加快集中式規模化清潔能源基地的開發。水電加快建設金沙江下游、大渡河、雅礱江等水電基地。風電加快建設三北地區大型陸上風電基地以及東南沿海地區大型海上風電基地。太陽能發電加快建設新疆、西藏、青海、甘肅、內蒙古等大型太陽能發電基地。核電加快啟動第三代核電項目,確保安全高效穩步發展。此外,加強輸電通道建設,提高跨區輸電能力。完善清潔能源發展相關政策體系,嚴格執行可再生能源電力消納保障機制,建立健全可再生能源市場化交易機制等。


能源消費側堅持“以電為優先”,廣泛深入實施電能替代,努力實現能源消費高度電氣化。技術進步是推動電能替代的根本力量。通過加大電能替代技術研發力度,促進電能替代技術快速迭代和成本降低。加大電能替代實施力度,按照差異化原則科學制定電能替代規劃,優化電能替代時序,實施電能替代項目和配電網建設。


電能替代較有前景的技術領域有:工業電鍋爐、電窯爐應用于工業產品加工工藝過程;電動汽車應用于公路客運和部分短途貨運領域;電(蓄)熱鍋爐應用于建筑密集小區的集中供暖;熱泵應用于大型公共建筑供熱。此外,可再生能源電解水制氫替代化石能源重整制氫也具有發展潛力。


以數字化賦能電力系統,加快構建適應大規模高比例新能源并網和多樣化交互式用電需求的新一代電力系統。推動互聯網、大數據、云計算、人工智能等現代信息技術與電力系統深度融合,增強源網荷之間的智能互動,實現更大規模的清潔能源消納,同時滿足更加多樣化、交互式的用能需求。電源方面,加快推進智慧電廠建設,各類電源能夠自動采集、智能分析與靈活控制,實現大規模新能源的智能發電與友好并網。


電網方面,突破高電壓等級柔性輸電、直流電網、大容量海底電纜、超導輸電等先進輸電和智能電網技術,大幅提升電網資源配置能力、靈活調節能力和安全穩定控制能力。負荷方面,大力推廣智能電表、智慧用電系統、合同能源管理、需求側響應等技術和模式,提高終端電能利用效率。

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