我国再电气化面临的主要挑战有哪些?
发布者:lzx | 来源:中国电力企业管理 | 0评论 | 700查看 | 2020-07-07 10:46:54    

当前,全球新一轮能源革命正加速演进,世界能源体系深度重塑。风能、太阳能等新能源大规模开发利用,电能持续在工业、交通、建筑等终端能源消费领域渗透,再电气化已成为不可逆转的全球化趋势。


再电气化的内涵、特征及意义


再电气化是指在传统电气化的基础上,充分利用现代能源、材料和信息技术,进一步拓展电能的利用范围和规模,深度替代煤炭、石油等终端化石能源消费,推动全社会电气化水平再度跃升,并促进清洁能源大规模开发利用,最终实现以清洁能源为主导、以电为中心的高度电气化社会的过程。


这一轮再电气化根植于全球能源加速清洁低碳转型、积极应对气候变化的进程之中,与以往传统工业化时期的电气化进程有本质区别。


清洁低碳电气化。从能源生产环节来看,传统电气化主要依靠煤炭、天然气等化石能源发电来保障电力供应,而再电气化则伴随着风能、太阳能等新能源的大规模开发和利用,体现为清洁能源对化石能源的替代和发电能源占一次能源消费比重的提升。2018年全球发电能源占一次能源消费比重为34.2%,比2000年提高了2.0个百分点;全球清洁能源发电量占比和新能源发电量占比分别达到58.5%和9.3%,分别比2000年提高了5.6和7.9个百分点。未来随着光伏电池转换效率不断提高、风机大型化发展以及智慧运维技术的应用,新能源发电的度电成本还将持续下降。


预计再过5~8年,新建陆上风电和大型光伏电站的成本将低于在运营的煤电成本,新能源将进入大规模存量替代的高速发展阶段。


深度广泛电气化。从终端能源消费环节来看,传统的用电领域和用电方式主要包括照明、加工、制造、运输、制冷、通信等方面。再电气过程中,电能的利用规模和范围将前所未有的拓展和深化,对其他终端能源消费品种呈现出深度广泛替代的趋势。2018年全球电能占终端能源消费比重为19.2%,比2000年提高了3.7个百分点。未来随着电能替代技术经济性不断提高和政策标准逐步完善,工业电锅炉、电窑炉、电动汽车、电采暖等电供能设备将不断推广普及,工业、交通、建筑等终端部门电气化水平将持续提升。另外,随着5G时代的到来,数字经济产业迎来加速发展,数据中心、通信基站等领域的电力需求将保持强劲增长,进一步促进全社会电气化水平提升。


智能互动电气化。从整个能源系统来看,新能源的大规模接入和用能需求多样化,对提高电力系统运行的稳定性、灵活性和抗扰动能力提出了更高要求。大数据、云计算、物联网、人工智能、5G、区块链等信息技术的发展,以及与能源电力行业的深度融合,为建设更智能、更安全的电力系统提供了支撑。未来电力系统发输配用等各环节的智能化水平将不断提升,源网荷之间友好互动能力将显著增强。在电源侧,通过先进传感测量、可视化、智能控制、大容量储能等技术,实现大规模新能源智能发电与友好并网。


在传输侧,利用智能电网、特高压输电、柔性输电等技术,实现新能源大规模远距离配置和消纳。在负荷侧,应用物联网、智能电表、智慧用电系统等技术,实现用户与电网智能互动及主动负荷需求响应。未来随着再电气化进程的加快推进,电力技术与信息技术的深度融合,电力系统全环节将具备智能感知能力、实时监测能力、智能决策水平,源网荷之间实现高度智能化的协同互动。


再电气化是顺应世界能源变革潮流、积极应对气候变化和促进人类文明进步的重要战略选择。对于世界而言,再电气化将重构世界能源体系,使世界能源发展摆脱资源、时空和环境约束,实现大规模清洁能源高效开发和利用,推动清洁能源成为主导能源,让人人享有更充足的能源供应、更宜居的生活环境,进而为构建人类命运共同体提供坚强的动力保障。对于我国而言,再电气化与新发展理念高度契合,是深入贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略的重要体现。加快推进再电气化对推动能源生产和消费革命、提升经济发展质量效益、促进生态环境改善、兑现减排承诺和降低油气对外依存度等具有重要意义。


我国再电气化的发展现状及国际比较


通常衡量一个国家或地区的电气化水平的指标主要有两个:一是发电能源占一次能源消费比重,反映电力在整个能源供应体系中的地位;二是电能占终端能源消费比重,反映经济社会发展对电力的依赖程度。这一轮再电气化以清洁低碳为基本特征,因此增加清洁能源发电量占比和新能源发电量占比,反映再电气化进程的清洁低碳化程度。


新中国成立以来,我国的电气化进程实现了跨越式发展,能源生产侧和消费侧电气化水平、以及电力供应清洁低碳化水平均实现显著提升。2018年我国发电能源占一次能源消费比重达到45.4%,电能占终端能源消费比重达到25.5%,清洁能源发电量占比和新能源发电量占比分别达到36.3%和7.8%。煤电在我国电气化进程中发挥了基础支撑作用,清洁能源发电有效地改善了我国电力供应结构。在终端部门中,工业部门电气化步伐平稳,建筑部门电气化水平最高,交通部门电气化发展速度最快。


全球电气化水平经过前期快速提升,近期进入平稳发展阶段,发达国家普遍高于发展中国家。近年来,发达国家受经济增长放缓、替代能源竞争力增强、弃核政策等因素影响,电气化进程明显放缓,而我国电气化进程保持较快发展。目前我国能源生产侧电气化程度已达到发达国家平均水平,消费侧电气化程度已超过发达国家平均水平。但是在电力供应结构方面,发达国家电力供应清洁低碳化程度已达到较高水平,我国电力供应清洁低碳化程度仍远落后于发达国家平均水平。


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我国再电气化的影响因素和潜力


影响再电气化发展的主要因素有:一是资源禀赋条件。各国都会基于自身资源禀赋特点进行能源有效开发和利用。二是经济发展水平。各国电能占终端能源消费比重与人均GDP呈显著的正相关关系。三是技术进步和经济性。技术进步是推动再电气化发展的根本力量,新能源和电能替代技术进步将推动全社会电气化水平持续提升。四是宏观政策取向。我国积极主动应对气候变化,持续推进生态文明建设,将有力推动再电气化进程。


我国电能替代潜力巨大,理论可替代潜力达4.6万亿千瓦时,技术可替代潜力达2.4万亿千瓦时。分部门来看,工业部门随着电能替代技术设备经济性提升和高质量工艺产品需求增加,电气化水平将不断提升。交通部门重点在铁路和公路客运领域快速提升电气化率,航空、航运、公路货运受能量密度限制,电能替代难度较大。建筑部门随着电制冷、电采暖、电热水器、电炊具的不断推广,电气化水平将持续提升。


我国再电气化面临的主要挑战


清洁能源发展尚无法完全满足新增电力需求。我国总体还处于工业化后期、城镇化快速推进期,未来电力需求仍有较大的增长空间,特别是随着再电气化进程的推进,全社会用电范围不断拓展,电力需求将保持刚性增长,增速逐步放缓,但增量规模依然可观。清洁能源虽然发展迅速,但还不足以满足快速增长的电力需求增量。如果再电气化推进速度过快,就需要新建大量煤电来填补缺口,这在一定程度上违背了清洁低碳这一推进再电气化的初衷。2016~2019年期间,我国电力消费年均增长3267亿千瓦时,而清洁能源发电量年均增长1714亿千瓦时,清洁能源仅能满足52.5%的新增电力需求。


再电气化对电力系统灵活柔性、智能互动、安全可控提出更高要求。未来清洁能源不仅要满足电力需求增量,还要满足煤电退出的存量缺口。风电、太阳能发电等间歇性电源大规模、高比例并网,对电网安全运行、电量消纳提出了挑战。需要加强电网互联、提高灵活调节能力,依托大电网和电力市场,大范围内优化配置能源资源。另一方面,再电气化促使电动汽车、虚拟电厂、分布式能源等交互式能源设施广泛接入,以及综合能源服务等新型需求大量涌现,使得电网负荷预测和潮流控制更为复杂,对电力系统智能互动水平也提出了更高要求。


电能替代的经济性和可持续性有待提高。“十三五”时期,我国大力推进电能替代,在一系列优惠政策的推动下,预计能够完成7000亿~8000亿千瓦时替代电量,但后续深入推进将面临挑战。在技术层面,电锅炉、电动汽车、热泵等技术正逐步成熟,电能在工业、交通、建筑等领域的可利用范围不断扩大,目前仅在航空、航运领域尚未形成较有前景的技术,因此从功能可实现的角度来讲,电能替代加速潜力大。


但是,在经济层面,综合考虑全寿命周期内投资、运行、维护等成本,电能在居民采暖、工业高温高压热蒸汽、中重型卡车长途运输等场景的应用中,经济性欠佳。从等效热值成本来看,当前电能成本约为燃煤的2.4~4.8倍,极大限制电能替代推进速度,如果计入能源环境成本,电能替代的竞争力将有所提升。


我国再电气化的发展趋势及情景分析


展望未来,我国将在全面建成小康社会的基础上,开启全面建设社会主义现代化国家新征程。我国经济将沿着高质量发展方向不断前进,能源生产和消费革命加快向纵深推进,新能源技术和电能替代技术的经济性和竞争力不断提升,再电气化将迎来重要发展机遇期。


电力消费持续增长和清洁能源发电规模快速扩张将推动能源生产侧电气化水平大幅提升。未来随着我国经济持续从高能源强度的制造业向低能源强度的服务业转型,加之能效提升政策的实施,我国一次能源消费增速将大幅放缓。电能作为清洁高效的二次能源,是支撑未来信息社会和数字经济的最重要的能源品种。


我国电力消费将保持较快增长,增速显著快于一次能源消费,这将推动发电能源占一次能源消费比重新一轮快速提升。另一方面,在技术进步和国家政策的推动下,各类清洁能源特别是风能、太阳能等新能源通过转化为电力的方式大规模开发利用,也将促进发电能源占一次能源消费比重进一步提升。预计2035年我国发电能源占一次能源消费比重将达到55%左右。


电能替代深入推进和新兴电力消费快速增长将推动能源消费侧电气化水平大幅提高。未来随着电能替代技术的竞争力日益增强,超大规模的用电潜力将不断释放,电能将是未来终端能源中增长最快的能源品种,电能占终端能源消费的比重将不断提升,并逐步占据终端用能的核心地位。工业部门随着自动化、智能化水平提升以及电供能设备技术经济性提高,电气化水平将稳步提升。


交通部门随着电动汽车大规模普及以及电气化轨道交通的持续发展,电气化水平将大幅提升。建筑部门随着电采暖、电制冷、电炊具、电热水设备的不断推广应用,电气化水平将持续提升。此外,数字经济产业加速发展,可再生能源发电制氢等新产业不断成熟壮大,将进一步促进全社会电气化水平提升。预计2035年我国电能占终端能源消费的比重有望达到34%左右。


清洁能源由增量替代转向存量替代将推动电力供应清洁低碳化水平大幅提升。未来随着新能源技术的日益成熟、系统灵活性的不断提升和制度体系逐步完善,风电和光伏发电的经济性和竞争力将不断提升。未来风电和光伏发电在全面实现平价上网的基础上,将逐步发展成为比煤电还经济的发电方式,进而推动清洁能源在2030年之前进入大规模存量替代的发展阶段。


这将不仅大幅提升电力供应清洁低碳化水平,同时还有助于推动电力系统供应成本降低。此外,气电、核电和水电将继续保持稳步发展的趋势,也将推动电力供应清洁低碳化水平的提升。预计2035年我国清洁能源发电量占比达到55%左右,新能源发电量占比将达到25%左右。


我国再电气化的情景分析


按照我国到2035年基本实现社会主义现代化的目标、加快推进生态文明建设和《能源生产和消费革命战略(2016~2030)》的要求,结合新能源技术和电能替代技术发展趋势,对未来再电气化进程设定两种不同发展情景。


基准情景:该情景描绘了未来我国按照既定时间表和路线图,如期实现社会主义现代化目标。我国经济保持高质量发展,生态文明建设和能源生产和消费革命持续推进,新能源技术和电能替代技术的经济性和竞争力不断提升,再电气化进程沿着当前路径稳步推进,电力供应清洁化转型稳步推进。


加速再电气化情景:该情景描绘了我国在确保完成2035年基本实现社会主义现代化目标的前期下,更加强化生态文明建设,能源生产和消费革命加速推进,再电气化上升为国家战略大力推进,同时新能源技术和电能替代技术快速突破,再电气化进程加速推进,电力供应清洁化转型快速推进。


在基准情景下,2035年我国电力消费总量将增长到11.4万亿千瓦时左右,发电能源占一次能源消费比重将提升到55%左右,电能占终端能源消费比重将提升到34%左右,清洁能源和新能源发电量占比将分别提升到55%和25%左右。


在加速再电气化情景下,2035年我国电力消费总量将增长到12.2万亿千瓦时左右,发电能源占一次能源消费比重将提升到60%左右,电能占终端能源消费比重将提升到40%左右,清洁能源和新能源发电量占比将分别提升到62%和30%左右。


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我国再电气化的实施路径


能源生产侧坚持“以电为中心”,加速推进清洁能源电气化,逐步实现对化石能源的增量替代和存量替代。加快集中式规模化清洁能源基地的开发。水电加快建设金沙江下游、大渡河、雅砻江等水电基地。风电加快建设三北地区大型陆上风电基地以及东南沿海地区大型海上风电基地。太阳能发电加快建设新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古等大型太阳能发电基地。核电加快启动第三代核电项目,确保安全高效稳步发展。此外,加强输电通道建设,提高跨区输电能力。完善清洁能源发展相关政策体系,严格执行可再生能源电力消纳保障机制,建立健全可再生能源市场化交易机制等。


能源消费侧坚持“以电为优先”,广泛深入实施电能替代,努力实现能源消费高度电气化。技术进步是推动电能替代的根本力量。通过加大电能替代技术研发力度,促进电能替代技术快速迭代和成本降低。加大电能替代实施力度,按照差异化原则科学制定电能替代规划,优化电能替代时序,实施电能替代项目和配电网建设。


电能替代较有前景的技术领域有:工业电锅炉、电窑炉应用于工业产品加工工艺过程;电动汽车应用于公路客运和部分短途货运领域;电(蓄)热锅炉应用于建筑密集小区的集中供暖;热泵应用于大型公共建筑供热。此外,可再生能源电解水制氢替代化石能源重整制氢也具有发展潜力。


以数字化赋能电力系统,加快构建适应大规模高比例新能源并网和多样化交互式用电需求的新一代电力系统。推动互联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术与电力系统深度融合,增强源网荷之间的智能互动,实现更大规模的清洁能源消纳,同时满足更加多样化、交互式的用能需求。电源方面,加快推进智慧电厂建设,各类电源能够自动采集、智能分析与灵活控制,实现大规模新能源的智能发电与友好并网。


电网方面,突破高电压等级柔性输电、直流电网、大容量海底电缆、超导输电等先进输电和智能电网技术,大幅提升电网资源配置能力、灵活调节能力和安全稳定控制能力。负荷方面,大力推广智能电表、智慧用电系统、合同能源管理、需求侧响应等技术和模式,提高终端电能利用效率。

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