能源转型中我国电力能源的结构、问题与趋势

    把握我国能源转型的大背景要看电力能源结构，主要从能源转型低碳化和数字化趋势这两个方面来思考当前电力能源结构的特点与问题，在此基础上分析中国电力结构的未来。
    我国电力能源结构的主要特点
    我国电力能源结构的特点可以主要从几个方面来阐述：一是电力在一个国家能源服务中的地位，二是发电结构的低碳化，三是电网结构，四是用户侧电力结构。
    电力在能源服务中的地位
    电力是一种优质能源，借助不断延伸的电网给大量工商企业和居民提供服务。然而，从终端能源消费看，电力始终只是提供能源服务的一种能量来源。如表1，2018年电力在终端能源消费中的占比，世界平均水平达到19.2%，排第二位。占比排名最高的是石油（41%），第三位是热力（14.3%），最后是煤炭（10.4%）。北美、欧盟等发达国家电力占比基本上达到21%左右，亚洲国家电能占比普遍较高，日本、韩国和中国分别为28.9%，25.1%和23.9%。根据国网能源院最乐观估计，到2050年，中国电能占终端部门能源消费比重将达到50%，但仍有一半是非电能源。
    表1 2018年世界及主要国家终端能源消费结构（按品种）
    
    我国发电结构显现低碳化趋势
    我国发电结构目前火电仍占绝对主导地位。发电装机和发电量开始从高速增长进入低速增长阶段，从两位数增长转为个位数增长。无论是发电装机容量还是发电量，都呈现出可再生能源占比扩大的趋势。2019年，发电装机容量59.2%，非化石能源装机（含核电、水电、风电、光伏发电^①）占40.8%。图1显示了我国1990年以来发电装机总量和结构变化趋势。
    ①生物质发电占比太小，忽略不计。
    图2显示了我国1990年以来发电量结构的份额变化。可以看出，火电在发电量中的份额从2011年开始出现下降趋势，而核电、水电、风电光伏发电等发电量占比稳步上升。2019年，我国发电量中，火电占68.9%，非化石能源发电量占31.1%。
    
    图1 我国发电装机结构变化
    
    图2 我国发电量结构变化
    我国电力投资的主要结构
    我国电力投资以电网投资为主，电源投资以非化石能源装机为主。
    2013年开始，我国电力投资中，电源投资为主的势头被扭转，电网投资持续超过电源投资（如图3）。2019年，全国电力投资7995亿元，同比减少2%。其中电网投资4856亿元，同比减少9.6%，占电力总投资的61%，电源投资3139亿元，同比增长12.6%，其中火电投资仅占20%，其余均为风电、水电、核电和太阳能发电等非化石能源电源投资。非化石能源电源投资已全面超过火电投资（如图4）。
    
    图3 2010-2018年中国电力建设项目的全部投资
    
    图4 2019年我国电力投资构成情况
    火电发电装机规模趋向大型化，光伏发电趋向分布式
    第一，从火电装机看，其装机规模日趋扩大。出于减少污染物排放和降低单位发电煤耗的目的，2004年国家发改委出台了新建燃煤电站的技术标准，要求新建火电单机容量原则上应为60万千瓦及以上，发电煤耗要控制在286克标准煤/千瓦时以下。2019年，在役火电机组容量的44.7%为60万千瓦及以上。
    二是在可再生能源中，早期建设的光伏发电绝大部分是规模化集中式电站，主要建在西北太阳能资源丰富的地区。2016年，集中式光伏电站份额依然占据光伏发电站的86.7%。到2019年前9月，这一份额已经下降为69.1%，而屋顶分布式光伏电站份额上升到30.9%。新增光伏电站也逐渐从西向东发展。2019年前三季度，华北、华中地区新增光伏电站占当年的52.6%，西北新增装机仅占26.9%。
    我国处于能源转型的初级阶段
    从可再生能源发电占比看，我国还处于能源转型的初级阶段。
    有专家提到，我国可再生能源发展规模已经超过美国成为世界第一，已经是世界能源转型的引领者。以2017年数据为例，中国可再生能源总装机约6.5亿千瓦，占全球可再生能源装机总量的29.8%；其中水电装机(含抽水蓄能)3.41亿千瓦，占全球水电装机的29.6%；非水可再生能源电力装机3.34亿千瓦，相当于欧盟28国装机总和（3.2亿千瓦），是美国非水可再生能源电力装机（1.61亿千瓦）的2倍。^①2017年，我国可再生能源发电量完成1.63万亿千瓦时，占当年全球可再生能源发电量的26.2%。我国可再生能源发电量是美国的2.3倍、德国的7.5倍、日本的9.2倍、英国的16.4倍。^②可再生能源发展的确为气候变化作出了贡献，2017年，因可再生能源发展而减少的二氧化碳排放量为1494百万吨，占当年总排放量的16.4%。^③
    ①REN21的数据。
    ②根据BP世界能源统计2018数据计算。
    ③数据来自IRENA的计算，数据是2016年的数据。
    
    图5 全球十大可再生能源发展国可再生能源占发电量的比重
    数据来源：BP世界能源统计2018。
    然而，即便可再生能源发展规模的领先地位决定了我国在应对气候变化方面的全球先行者角色，但这并不意味着我国在能源转型方面也处于同样的位置。能源转型，本质上是一个国家内部的能源替代问题。因此，可再生能源的相对量，即在能源系统中的比重，更能反映能源转型的阶段。随着可再生能源在能源系统中份额提升到不同水平，其发展特征和所面临的问题是不同的。
    国际上通行用非水可再生能源（风力发电和光伏发电）占总发电量的比重来衡量能源转型的进展，因为风力发电和光伏发电既是未来新增可再生能源发点电主力军，同时也是对旧有电力系统冲击最大的可再生能源。如图5，中国、美国、印度、加拿大、日本等国，其总发电量中风光电份额还不到10%，都属于能源转型的初级阶段。
    从能源转型趋势看我国电力能源的结构问题
    认识电源结构存在的问题，需要有一个潜在的评价标准。也就是说，用什么标准去评价某一个特点到底是优点还是问题。必须从能源转型的趋势和逻辑角度去思考电力能源结构，甚至当前电力系统的全部问题。
    能源转型对电力行业的影响
    本次能源转型是应对气候变化所推动的，最终目的是大幅减少人类活动的二氧化碳排放，抑制全球变暖趋势。能源转型是影响包括电力行业在内的所有能源行业未来50年最基本和持久的因素，对电力行业发展方向、商业模式和电力体制都将产生深远影响。
    能源转型的趋势。通过逐渐降低能源生产和消费中所产生的碳排放，逐渐建立一个基于零碳能源的能源系统。转型的核心任务就是推动目前以化石能源为主导的能源系统，转向以可再生能源为主导的能源系统。
    能源转型的两个支柱。从各国实践看，低碳到零碳能源的实现，一是依靠大力提高能源效率，减少化石能源消费总量；二是大力发展可再生能源。而转型的关键是能源系统的转型，其中电力系统转型是关键之关键。
    对电力行业的影响。能源转型的要求具体到电力行业，其影响主要表现为两个方面：发电、电网和用电环节的低碳化；二是整个电力系统的数字化，用数字技术来适应能源转型过程中的挑战，更好地适应用户的需求变化。
    当前电力结构存在的问题
    从低碳角度谈电力结构的问题，自然会提到火电比重太高等问题。但笔者认为，这只是我国电力行业的阶段性特征，因为火电比重近年来的确在持续下降，非化石能源装机和发电量稳步上升。而以煤为主的能源结构，不可能快速跨越到以低碳电力为主。
    首先，我国电力系统灵活性差是根本问题，远不能满足现阶段能源转型的要求。
    随着带有波动性特点的风光电比重的上升，必然要求电力系统以更高的灵活性来应对这种波动性。根据欧洲的经验，提升现有电力系统波动性的常见方法有如下五种：
    一是提高除风电和光伏之外其他发电厂的灵活度。包括对燃煤发电机组进行灵活性改造，降低最小电厂功率，提高最大负荷梯度增加，缩短开机时间等；热电联产发电厂可以将热能导入储能系统或集中供热网络，可以扩大其出力的调节范围。
    二是加强区域电网的互联互通，发挥相邻电网的“间接储能系统”作用，优化资源利用，减少系统总体成本。
    三是提高电力需求侧的灵活性，主要是综合运用储能、热泵、电动汽车、智能电表等技术手段，提高负荷的可调节性。
    四是发展可再生能源供热、增加储热装置，增加电厂灵活度。与储电相比，储热在技术上更加易于实现，成本也相对要低廉得多。
    五是在生产侧、电网侧和用户侧采用储能技术，提高这些环节灵活性。
    目前，除了煤电机组的灵活性改造，电化学储能成本高之外，其余四种途径在我国都因为存在各种障碍，要么没动作，要么效果非常有限，导致目前电力系统的灵活性还是很差。当然，更重要的是多年来电源开发与电网规划不匹配，因而才出现了处于能源转型初级阶段、风光电无法上网的比重高企的局面。
    其次，火电机组的大型化与电力系统灵活性的内在矛盾。
    目前，很多电力政策思路基本上不考虑能源转型的影响。最典型的就是电力行业节能减排和淘汰落后产能的政策中一直推崇、并被推广到其他行业的“上大压小”政策。此后，关停小火电机组的标准不断提高。目前，已经要求20万及其以下千瓦火电机组必须关闭，并鼓励上大机组。据统计，60万千瓦及其以上火电机组占全部机组的比重已经占到44%以上。
    然而，不断提高火电机组规模，本质上不利于提高电力系统灵活性。因为随着可再生能源发电机组比例的进一步提高，火电机组未来将从基荷电源转变为备用电源。也就是说，在风光电发电高峰，大量的火电机组就要停下来或者低负荷运转让风光电机组优先发电；当风光电出力掉下来时，火电机组要马上顶上去。这就要求火电机组有足够的灵活性。显然，机组规模越大，灵活性越差。而且，60万千瓦的超临界机组如果低负荷运行，煤耗和排放都要大幅度增加，节能减排的目的也无法完全实现。
    第三，输网强、配网弱的电网结构无法适应用户侧变革的需要。
    能源转型对电力系统来说，至少会产生两个重大的方向性变化：一是随着大量分布式光伏、小型生物质电站、多能互补的微电网等在用户侧出现，电力系统电能将从生产端向消费端的单向流动，转变为双向流动（用户端也生产电能——即产消者，prosumer）；二是电网从纵向一体化的集中式电网向分布式扁平电网转变。
    这两个转变，都需要一个数字化、智能化水平高和本地平衡能力强的本地配电网。无论是出于大量小型的分布式电站“集成”的需要，还是大量储能设备、电动企业等分布式接入对配电网优化运行和控制的需要，加快实现配电网转型都迫在眉睫。
    我国的输电网的技术水平被业内认为是世界领先的，但长期以来，我国投资都是“重输轻配”，导致电网结构薄弱，自动化水平低；基础数据分割严重无法共享，信息化水平低，远不能应对电力系统转型的过程所带来的挑战，也不能适应未来智慧城市和低碳发展的要求。
    电力结构未来的趋势
    电力结构未来发展趋势从两个角度阐述，一个是按照能源转型的要求，对未来电力结构的一个“情景分析”，二是能源转型从结构方面导致电力系统的变化，即电力系统转型。
    未来电力结构
    未来电力结构（供给或消费结构）低碳达到何种程度，各家机构有自己不同的看法。总体上看，可再生能源研究机构基本上是倾向乐观预测，而化石能源集团发布的各种报告基本上是保守估计。无论乐观还是保守，其实它们仅仅是反映了既定条件下的“情景分析”而已。重要的是如何能达到实现这个情景的条件。
    这里引用中国电力规划院对我国2035年电力结构的一个情景分析。分析分为基准情景（NPS）和可持续发展情景（SDS）。
    从图6可以看到，与基准情景相比，可持续发展情景的装机结构中，光伏发电比重增加8%，风电增加4%，核电增加1%，而燃气发电和燃煤发电分别减少1%和12%。发电结构方面，可持续发展情景中，光伏发电量增加了8%，风电增加了6%，水电增加了4%，核电增加了4%，燃气发电不变，而燃煤发电则大幅减少24%。
    
    图6 中国2035年发电装机结构，NPS情景以及SDS情景
    注：SDS情景与NPS情景相比，引入了更多的可再生能源以及更少的化石能源发电技术。
    对情景分析的过度关注，容易导致一种倾向：把电力转型简单理解为不断增加发电结构中可再生能源的比重，从而会倾向于采取传统的“大干快上”（比如我国建风电三峡）的方式，短期内大幅提高可再生能源比重。可再生能源比重比较小的时候，化石能源与可再生能源之间的矛盾不大，但随着可再生能源比重的进一步提高，两者之间的利益矛盾必然导致可再生能源发展面临种种障碍。正如目前我们所面临的问题一样：电网先假定自己不需要做大的变革，并把出现冲突的原因归于可再生能源发电方。
    电力系统转型的方向
    电力系统转型，关键在电网转型。无论是上游的可再生能源发电，还是下游因可再生分布式能源和微电网等电力系统新生力量的进入，以及能源转型所推动的电力行业的技术创新与商业模式创新，都主要发生在用户侧。因此，一个与未来分布式扁平化发展趋势方向完全不同的传统电网，必须要尽快转型来实现这一变革趋势。一方面要通过技术变革和投资方向的调整来实现转型，另一方面需要通过电力体制改革，真正实现一个能够“管住”的“中间”，使“中间”真正成为一个单纯的输送通道，而不是上下游的“关键”。否则，“中间”管不住的结果，就是“两边”被“中间”管住了。
    朱彤.能源转型中我国电力能源的结构、问题与趋势[J].经济导刊,2020(06):48-53.