能源轉型中我國電力能源的結構、問題與趨勢

　　電力系統轉型，關鍵在電網轉型。一方面需要通過技術變革和投資方向的調整實現轉型，另一方面則要億靠電力體制改革。

　　把握我國能源轉型的大背景要看電力能源結構，主要從能源轉型低碳化和數字化趨勢這兩個方面來思考當前電力能源結構的特點與問題，在此基礎上分析中國電力結構的未來。

　　我國電力能源結構的主要特點

　　我國電力能源結構的特點可以主要從幾個方面來闡述：一是電力在一個國家能源服務中的地位，二是發電結構的低碳化，三是電網結構，四是用戶側電力結構。

　　電力在能源服務中的地位。

　　電力是一種優質能源，借助不斷延伸的電網給大量工商企業和居民提供服務。然而，從終端能源消費看，電力始終只是提供能源服務的一種能量來源。如表1，2018年電力在終端能源消費中的占比，世界平均水平達到19.2%，排第二位。占比排名最高的是石油(41%)，第三位是熱力(14.3%)，最后是煤炭(10.4%)。北美、歐盟等發達國家電力占比基本上達到21%左右，亞洲國家電能占比普遍較高，日本、韓國和中國分別為28.9%，25.1%和23.9%。根據國網能源院最樂觀估計，到2050年，中國電能占終端部門能源消費比重將達到50%，但仍有一半是非電能源。

表1 2018年世界及主要國家終端能源消費結構(按品種)

　　我國發電結構顯現低碳化趨勢。

　　目前，我國發電結構中火電仍占絕對主導地位。發電裝機和發電量開始從高速增長進入低速增長階段，從兩位數增長轉為個位數增長。無論是發電裝機容量還是發電量，都呈現出可再生能源占比擴大的趨勢。2019年，發電裝機容量59.2%，非化石能源裝機(含核電、水電、風電、光伏發電①)占40.8%。圖1顯示了我國1990年以來發電裝機總量和結構變化趨勢。

　　圖2顯示了我國1990年以來發電量結構的份額變化。可以看出，火電在發電量中的份額從2011年開始出現下降趨勢，而核電、水電、風電光伏發電等發電量占比穩步上升。2019年，我國發電量中，火電占68.9%，非化石能源發電量占31.1%。

圖1 我國發電裝機結構變化
圖2 我國發電量結構變化

　　我國電力投資以電網投資為主，電源投資以非化石能源裝機為主。

　　2013年開始，我國電力投資中，電源投資為主的勢頭被扭轉，電網投資持續超過電源投資(如圖3)。2019年，全國電力投資7995億元，同比減少2%。其中電網投資4856億元，同比減少9.6%，占電力總投資的61%，電源投資3139億元，同比增長12.6%，其中火電投資僅占20%，其余均為風電、水電、核電和太陽能發電等非化石能源電源投資。非化石能源電源投資已全面超過火電投資(如圖4)。

圖3 2010-2018年中國電力建設項目的全部投資
圖4 2019年我國電力投資構成情況

　　火電發電裝機規模趨向大型化，光伏發電趨向分布式。

　　第一，從火電裝機看，其裝機規模日趨擴大。出于減少污染物排放和降低單位發電煤耗的目的，2004年國家發改委出臺了新建燃煤電站的技術標準，要求新建火電單機容量原則上應為60萬千瓦及以上，發電煤耗要控制在286克標準煤/千瓦時以下。2019年，在役火電機組容量的44.7%為60萬千瓦及以上。二是在可再生能源中，早期建設的光伏發電絕大部分是規模化集中式電站，主要建在西北太陽能資源豐富的地區。2016年，集中式光伏電站份額依然占據光伏發電站的86.7%。到2019年前9月，這一份額已經下降為69.1%，而屋頂分布式光伏電站份額上升到30.9%。新增光伏電站也逐漸從西向東發展。2019年前三季度，華北、華中地區新增光伏電站占當年的52.6%，西北新增裝機僅占26.9%。

　　從可再生能源發電占比看，我國還處于能源轉型的初級階段。

　　有專家提到，我國可再生能源發展規模已經超過美國成為世界第一，已經是世界能源轉型的引領者。以2017年數據為例，中國可再生能源總裝機約6.5億千瓦，占全球可再生能源裝機總量的29.8%;其中水電裝機(含抽水蓄能)3.41億千瓦，占全球水電裝機的29.6%;非水可再生能源電力裝機3.34億千瓦，相當于歐盟28國裝機總和(3.2億千瓦)，是美國非水可再生能源電力裝機(1.61億千瓦)的2倍。2017年，我國可再生能源發電量完成1.63萬億千瓦時，占當年全球可再生能源發電量的26.2%。我國可再生能源發電量是美國的2.3倍、德國的7.5倍、日本的9.2倍、英國的16.4倍。可再生能源發展的確為氣候變化作出了貢獻，2017年，因可再生能源發展而減少的二氧化碳排放量為1494百萬噸，占當年總排放量的16.4%。

圖5 全球十大可再生能源發展國可再生能源占發電量的比重

　　然而，即便可再生能源發展規模的領先地位決定了我國在應對氣候變化方面的全球先行者角色，但這并不意味著我國在能源轉型方面也處于同樣的位置。能源轉型，本質上是一個國家內部的能源替代問題。因此，可再生能源的相對量，即在能源系統中的比重，更能反映能源轉型的階段。隨著可再生能源在能源系統中份額提升到不同水平，其發展特征和所面臨的問題是不同的。

　　國際上通行用非水可再生能源(風力發電和光伏發電)占總發電量的比重來衡量能源轉型的進展，因為風力發電和光伏發電既是未來新增可再生能源發點電主力軍，同時也是對舊有電力系統沖擊最大的可再生能源。如圖5，中國、美國、印度、加拿大、日本等國，其總發電量中風光電份額還不到10%，都屬于能源轉型的初級階段。

　　從能源轉型趨勢看我國電力能源的結構問題

　　認識電源結構存在的問題，需要有一個潛在的評價標準。也就是說，用什么標準去評價某一個特點到底是優點還是問題。必須從能源轉型的趨勢和邏輯角度去思考電力能源結構，甚至當前電力系統的全部問題。

　　能源轉型對電力行業的影響

　　本次能源轉型是應對氣候變化所推動的，最終目的是大幅減少人類活動的二氧化碳排放，抑制全球變暖趨勢。能源轉型是影響包括電力行業在內的所有能源行業未來50年最基本和持久的因素，對電力行業發展方向、商業模式和電力體制都將產生深遠影響。

　　能源轉型的趨勢。通過逐漸降低能源生產和消費中所產生的碳排放，逐漸建立一個基于零碳能源的能源系統。轉型的核心任務就是推動目前以化石能源為主導的能源系統，轉向以可再生能源為主導的能源系統。

　　能源轉型的兩個支柱。從各國實踐看，低碳到零碳能源的實現，一是依靠大力提高能源效率，減少化石能源消費總量;二是大力發展可再生能源。而轉型的關鍵是能源系統的轉型，其中電力系統轉型是關鍵之關鍵。

　　對電力行業的影響。能源轉型的要求具體到電力行業，其影響主要表現為兩個方面：發電、電網和用電環節的低碳化;二是整個電力系統的數字化，用數字技術來適應能源轉型過程中的挑戰，更好地適應用戶的需求變化。

　　當前電力結構存在的問題

　　從低碳角度談電力結構的問題，自然會提到火電比重太高等問題。但筆者認為，這只是我國電力行業的階段性特征，因為火電比重近年來的確在持續下降，非化石能源裝機和發電量穩步上升。而以煤為主的能源結構，不可能快速跨越到以低碳電力為主。

　　首先，我國電力系統靈活性差是根本問題，遠不能滿足現階段能源轉型的要求。

　　隨著帶有波動性特點的風光電比重的上升，必然要求電力系統以更高的靈活性來應對這種波動性。根據歐洲的經驗，提升現有電力系統波動性的常見方法有如下五種：

　　一是提高除風電和光伏之外其他發電廠的靈活度。包括對燃煤發電機組進行靈活性改造，降低最小電廠功率，提高最大負荷梯度增加，縮短開機時間等;熱電聯產發電廠可以將熱能導入儲能系統或集中供熱網絡，可以擴大其出力的調節范圍。

　　二是加強區域電網的互聯互通，發揮相鄰電網的“間接儲能系統”作用，優化資源利用，減少系統總體成本。

　　三是提高電力需求側的靈活性，主要是綜合運用儲能、熱泵、電動汽車、智能電表等技術手段，提高負荷的可調節性。

　　四是發展可再生能源供熱、增加儲熱裝置，增加電廠靈活度。與儲電相比，儲熱在技術上更加易于實現，成本也相對要低廉得多。

　　五是在生產側、電網側和用戶側采用儲能技術，提高這些環節靈活性。

　　目前，除了煤電機組的靈活性改造，電化學儲能成本高之外，其余四種途徑在我國都因為存在各種障礙，要么沒動作，要么效果非常有限，導致目前電力系統的靈活性還是很差。當然，更重要的是多年來電源開發與電網規劃不匹配，因而才出現了處于能源轉型初級階段、風光電無法上網的比重高企的局面。

　　其次，火電機組的大型化與電力系統靈活性的內在矛盾。

　　目前，很多電力政策思路基本上不考慮能源轉型的影響。最典型的就是電力行業節能減排和淘汰落后產能的政策中一直推崇、并被推廣到其他行業的“上大壓小”政策。此后，關停小火電機組的標準不斷提高。目前，已經要求20萬及其以下千瓦火電機組必須關閉，并鼓勵上大機組。據統計，60萬千瓦及其以上火電機組占全部機組的比重已經占到44%以上。

　　然而，不斷提高火電機組規模，本質上不利于提高電力系統靈活性。因為隨著可再生能源發電機組比例的進一步提高，火電機組未來將從基荷電源轉變為備用電源。也就是說，在風光電發電高峰，大量的火電機組就要停下來或者低負荷運轉讓風光電機組優先發電;當風光電出力掉下來時，火電機組要馬上頂上去。這就要求火電機組有足夠的靈活性。顯然，機組規模越大，靈活性越差。而且，60萬千瓦的超臨界機組如果低負荷運行，煤耗和排放都要大幅度增加，節能減排的目的也無法完全實現。

　　第三，輸網強、配網弱的電網結構無法適應用戶側變革的需要。

　　能源轉型對電力系統來說，至少會產生兩個重大的方向性變化：一是隨著大量分布式光伏、小型生物質電站、多能互補的微電網等在用戶側出現，電力系統電能將從生產端向消費端的單向流動，轉變為雙向流動(用戶端也生產電能——即產消者，prosumer);二是電網從縱向一體化的集中式電網向分布式扁平電網轉變。

　　這兩個轉變，都需要一個數字化、智能化水平高和本地平衡能力強的本地配電網。無論是出于大量小型的分布式電站“集成”的需要，還是大量儲能設備、電動企業等分布式接入對配電網優化運行和控制的需要，加快實現配電網轉型都迫在眉睫。

　　我國的輸電網的技術水平被業內認為是世界領先的，但長期以來，我國投資都是“重輸輕配”，導致電網結構薄弱，自動化水平低;基礎數據分割嚴重無法共享，信息化水平低，遠不能應對電力系統轉型的過程所帶來的挑戰，也不能適應未來智慧城市和低碳發展的要求。

　　電力結構未來的趨勢

　　電力結構未來發展趨勢從兩個角度闡述，一個是按照能源轉型的要求，對未來電力結構的一個“情景分析”，二是能源轉型從結構方面導致電力系統的變化，即電力系統轉型。

　　未來電力結構(供給或消費結構)低碳達到何種程度，各家機構有自己不同的看法。總體上看，可再生能源研究機構基本上是傾向樂觀預測，而化石能源集團發布的各種報告基本上是保守估計。無論樂觀還是保守，其實它們僅僅是反映了既定條件下的“情景分析”而已。重要的是如何能達到實現這個情景的條件。

　　這里引用中國電力規劃院對我國2035年電力結構的一個情景分析。分析分為基準情景(NPS)和可持續發展情景(SDS)。

圖6 中國2035年發電裝機結構，NPS情景以及SDS情景

　　從圖6可以看到，與基準情景相比，可持續發展情景的裝機結構中，光伏發電比重增加8%，風電增加4%，核電增加1%，而燃氣發電和燃煤發電分別減少1%和12%。發電結構方面，可持續發展情景中，光伏發電量增加了8%，風電增加了6%，水電增加了4%，核電增加了4%，燃氣發電不變，而燃煤發電則大幅減少24%。

　　對情景分析的過度關注，容易導致一種傾向：把電力轉型簡單理解為不斷增加發電結構中可再生能源的比重，從而會傾向于采取傳統的“大干快上”(比如我國建風電三峽)的方式，短期內大幅提高可再生能源比重。可再生能源比重比較小的時候，化石能源與可再生能源之間的矛盾不大，但隨著可再生能源比重的進一步提高，兩者之間的利益矛盾必然導致可再生能源發展面臨種種障礙。正如目前我們所面臨的問題一樣：電網先假定自己不需要做大的變革，并把出現沖突的原因歸于可再生能源發電方。

　　電力系統轉型的方向。

　　電力系統轉型，關鍵在電網轉型。無論是上游的可再生能源發電，還是下游因可再生分布式能源和微電網等電力系統新生力量的進入，以及能源轉型所推動的電力行業的技術創新與商業模式創新，都主要發生在用戶側。因此，一個與未來分布式扁平化發展趨勢方向完全不同的傳統電網，必須要盡快轉型來實現這一變革趨勢。一方面要通過技術變革和投資方向的調整來實現轉型，另一方面需要通過電力體制改革，真正實現一個能夠“管住”的“中間”，使“中間”真正成為一個單純的輸送通道，而不是上下游的“關鍵”。否則，“中間”管不住的結果，就是“兩邊”被“中間”管住了。

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