電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，關(guān)鍵在電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。一方面需要通過技術(shù)變革和投資方向的調(diào)整實現(xiàn)轉(zhuǎn)型，另一方面則要億靠電力體制改革。
把握我國能源轉(zhuǎn)型的大背景要看電力能源結(jié)構(gòu)，主要從能源轉(zhuǎn)型低碳化和數(shù)字化趨勢這兩個方面來思考當(dāng)前電力能源結(jié)構(gòu)的特點與問題，在此基礎(chǔ)上分析中國電力結(jié)構(gòu)的未來。
我國電力能源結(jié)構(gòu)的主要特點
我國電力能源結(jié)構(gòu)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(wù)中的地位，二是發(fā)電結(jié)構(gòu)的低碳化，三是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，四是用戶側(cè)電力結(jié)構(gòu)。
電力在能源服務(wù)中的地位。
電力是一種優(yōu)質(zhì)能源，借助不斷延伸的電網(wǎng)給大量工商企業(yè)和居民提供服務(wù)。然而，從終端能源消費看，電力始終只是提供能源服務(wù)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(fā)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(jù)國網(wǎng)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(jié)構(gòu)(按品種)
我國發(fā)電結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)低碳化趨勢。
目前，我國發(fā)電結(jié)構(gòu)中火電仍占絕對主導(dǎo)地位。發(fā)電裝機和發(fā)電量開始從高速增長進入低速增長階段，從兩位數(shù)增長轉(zhuǎn)為個位數(shù)增長。無論是發(fā)電裝機容量還是發(fā)電量，都呈現(xiàn)出可再生能源占比擴大的趨勢。2019年，發(fā)電裝機容量59.2%，非化石能源裝機(含核電、水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電①)占40.8%。圖1顯示了我國1990年以來發(fā)電裝機總量和結(jié)構(gòu)變化趨勢。
圖2顯示了我國1990年以來發(fā)電量結(jié)構(gòu)的份額變化。可以看出，火電在發(fā)電量中的份額從2011年開始出現(xiàn)下降趨勢，而核電、水電、風(fēng)電光伏發(fā)電等發(fā)電量占比穩(wěn)步上升。2019年，我國發(fā)電量中，火電占68.9%，非化石能源發(fā)電量占31.1%。
圖1 我國發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)變化
圖2 我國發(fā)電量結(jié)構(gòu)變化
我國電力投資以電網(wǎng)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(zhuǎn)，電網(wǎng)投資持續(xù)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(wǎng)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(fēng)電、水電、核電和太陽能發(fā)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(shè)項目的全部投資
圖4 2019年我國電力投資構(gòu)成情況
火電發(fā)電裝機規(guī)模趨向大型化，光伏發(fā)電趨向分布式。
第一，從火電裝機看，其裝機規(guī)模日趨擴大。出于減少污染物排放和降低單位發(fā)電煤耗的目的，2004年國家發(fā)改委出臺了新建燃煤電站的技術(shù)標準，要求新建火電單機容量原則上應(yīng)為60萬千瓦及以上，發(fā)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(shè)的光伏發(fā)電絕大部分是規(guī)模化集中式電站，主要建在西北太陽能資源豐富的地區(qū)。2016年，集中式光伏電站份額依然占據(jù)光伏發(fā)電站的86.7%。到2019年前9月，這一份額已經(jīng)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(fā)展。2019年前三季度，華北、華中地區(qū)新增光伏電站占當(dāng)年的52.6%，西北新增裝機僅占26.9%。
從可再生能源發(fā)電占比看，我國還處于能源轉(zhuǎn)型的初級階段。
有專家提到，我國可再生能源發(fā)展規(guī)模已經(jīng)超過美國成為世界第一，已經(jīng)是世界能源轉(zhuǎn)型的引領(lǐng)者。以2017年數(shù)據(jù)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(dāng)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(fā)電量完成1.63萬億千瓦時，占當(dāng)年全球可再生能源發(fā)電量的26.2%。我國可再生能源發(fā)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(fā)展的確為氣候變化作出了貢獻，2017年，因可再生能源發(fā)展而減少的二氧化碳排放量為1494百萬噸，占當(dāng)年總排放量的16.4%。
圖5 全球十大可再生能源發(fā)展國可再生能源占發(fā)電量的比重
然而，即便可再生能源發(fā)展規(guī)模的領(lǐng)先地位決定了我國在應(yīng)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(zhuǎn)型方面也處于同樣的位置。能源轉(zhuǎn)型，本質(zhì)上是一個國家內(nèi)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(tǒng)中的比重，更能反映能源轉(zhuǎn)型的階段。隨著可再生能源在能源系統(tǒng)中份額提升到不同水平，其發(fā)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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電)占總發(fā)電量的比重來衡量能源轉(zhuǎn)型的進展，因為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電既是未來新增可再生能源發(fā)點電主力軍，同時也是對舊有電力系統(tǒng)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(fā)電量中風(fēng)光電份額還不到10%，都屬于能源轉(zhuǎn)型的初級階段。
從能源轉(zhuǎn)型趨勢看我國電力能源的結(jié)構(gòu)問題
認識電源結(jié)構(gòu)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(yōu)點還是問題。必須從能源轉(zhuǎn)型的趨勢和邏輯角度去思考電力能源結(jié)構(gòu)，甚至當(dāng)前電力系統(tǒng)的全部問題。
能源轉(zhuǎn)型對電力行業(yè)的影響
本次能源轉(zhuǎn)型是應(yīng)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(zhuǎn)型是影響包括電力行業(yè)在內(nèi)的所有能源行業(yè)未來50年最基本和持久的因素，對電力行業(yè)發(fā)展方向、商業(yè)模式和電力體制都將產(chǎn)生深遠影響。
能源轉(zhuǎn)型的趨勢。通過逐漸降低能源生產(chǎn)和消費中所產(chǎn)生的碳排放，逐漸建立一個基于零碳能源的能源系統(tǒng)。轉(zhuǎn)型的核心任務(wù)就是推動目前以化石能源為主導(dǎo)的能源系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向以可再生能源為主導(dǎo)的能源系統(tǒng)。
能源轉(zhuǎn)型的兩個支柱。從各國實踐看，低碳到零碳能源的實現(xiàn)，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(fā)展可再生能源。而轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵是能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，其中電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵之關(guān)鍵。
對電力行業(yè)的影響。能源轉(zhuǎn)型的要求具體到電力行業(yè)，其影響主要表現(xiàn)為兩個方面：發(fā)電、電網(wǎng)和用電環(huán)節(jié)的低碳化;二是整個電力系統(tǒng)的數(shù)字化，用數(shù)字技術(shù)來適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型過程中的挑戰(zhàn)，更好地適應(yīng)用戶的需求變化。
當(dāng)前電力結(jié)構(gòu)存在的問題
從低碳角度談電力結(jié)構(gòu)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(yè)的階段性特征，因為火電比重近年來的確在持續(xù)下降，非化石能源裝機和發(fā)電量穩(wěn)步上升。而以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，不可能快速跨越到以低碳電力為主。
首先，我國電力系統(tǒng)靈活性差是根本問題，遠不能滿足現(xiàn)階段能源轉(zhuǎn)型的要求。
隨著帶有波動性特點的風(fēng)光電比重的上升，必然要求電力系統(tǒng)以更高的靈活性來應(yīng)對這種波動性。根據(jù)歐洲的經(jīng)驗，提升現(xiàn)有電力系統(tǒng)波動性的常見方法有如下五種：
一是提高除風(fēng)電和光伏之外其他發(fā)電廠的靈活度。包括對燃煤發(fā)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(lián)產(chǎn)發(fā)電廠可以將熱能導(dǎo)入儲能系統(tǒng)或集中供熱網(wǎng)絡(luò)，可以擴大其出力的調(diào)節(jié)范圍。
二是加強區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)互通，發(fā)揮相鄰電網(wǎng)的“間接儲能系統(tǒng)”作用，優(yōu)化資源利用，減少系統(tǒng)總體成本。
三是提高電力需求側(cè)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(shù)手段，提高負荷的可調(diào)節(jié)性。
四是發(fā)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(shù)上更加易于實現(xiàn)，成本也相對要低廉得多。
五是在生產(chǎn)側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)采用儲能技術(shù)，提高這些環(huán)節(jié)靈活性。
目前，除了煤電機組的靈活性改造，電化學(xué)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(dǎo)致目前電力系統(tǒng)的靈活性還是很差。當(dāng)然，更重要的是多年來電源開發(fā)與電網(wǎng)規(guī)劃不匹配，因而才出現(xiàn)了處于能源轉(zhuǎn)型初級階段、風(fēng)光電無法上網(wǎng)的比重高企的局面。
其次，火電機組的大型化與電力系統(tǒng)靈活性的內(nèi)在矛盾。
目前，很多電力政策思路基本上不考慮能源轉(zhuǎn)型的影響。最典型的就是電力行業(yè)節(jié)能減排和淘汰落后產(chǎn)能的政策中一直推崇、并被推廣到其他行業(yè)的“上大壓小”政策。此后，關(guān)停小火電機組的標準不斷提高。目前，已經(jīng)要求20萬及其以下千瓦火電機組必須關(guān)閉，并鼓勵上大機組。據(jù)統(tǒng)計，60萬千瓦及其以上火電機組占全部機組的比重已經(jīng)占到44%以上。
然而，不斷提高火電機組規(guī)模，本質(zhì)上不利于提高電力系統(tǒng)靈活性。因為隨著可再生能源發(fā)電機組比例的進一步提高，火電機組未來將從基荷電源轉(zhuǎn)變?yōu)閭溆秒娫?。也就是說，在風(fēng)光電發(fā)電高峰，大量的火電機組就要停下來或者低負荷運轉(zhuǎn)讓風(fēng)光電機組優(yōu)先發(fā)電;當(dāng)風(fēng)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(guī)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(jié)能減排的目的也無法完全實現(xiàn)。
第三，輸網(wǎng)強、配網(wǎng)弱的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)用戶側(cè)變革的需要。
能源轉(zhuǎn)型對電力系統(tǒng)來說，至少會產(chǎn)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(zhì)電站、多能互補的微電網(wǎng)等在用戶側(cè)出現(xiàn)，電力系統(tǒng)電能將從生產(chǎn)端向消費端的單向流動，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向流動(用戶端也生產(chǎn)電能——即產(chǎn)消者，prosumer);二是電網(wǎng)從縱向一體化的集中式電網(wǎng)向分布式扁平電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。
這兩個轉(zhuǎn)變，都需要一個數(shù)字化、智能化水平高和本地平衡能力強的本地配電網(wǎng)。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(shè)備、電動企業(yè)等分布式接入對配電網(wǎng)優(yōu)化運行和控制的需要，加快實現(xiàn)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)型都迫在眉睫。
我國的輸電網(wǎng)的技術(shù)水平被業(yè)內(nèi)認為是世界領(lǐng)先的，但長期以來，我國投資都是“重輸輕配”，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，自動化水平低;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分割嚴重?zé)o法共享，信息化水平低，遠不能應(yīng)對電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的過程所帶來的挑戰(zhàn)，也不能適應(yīng)未來智慧城市和低碳發(fā)展的要求。
電力結(jié)構(gòu)未來的趨勢
電力結(jié)構(gòu)未來發(fā)展趨勢從兩個角度闡述，一個是按照能源轉(zhuǎn)型的要求，對未來電力結(jié)構(gòu)的一個“情景分析”，二是能源轉(zhuǎn)型從結(jié)構(gòu)方面導(dǎo)致電力系統(tǒng)的變化，即電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
未來電力結(jié)構(gòu)(供給或消費結(jié)構(gòu))低碳達到何種程度，各家機構(gòu)有自己不同的看法?？傮w上看，可再生能源研究機構(gòu)基本上是傾向樂觀預(yù)測，而化石能源集團發(fā)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(xiàn)這個情景的條件。
這里引用中國電力規(guī)劃院對我國2035年電力結(jié)構(gòu)的一個情景分析。分析分為基準情景(NPS)和可持續(xù)發(fā)展情景(SDS)。
圖6 中國2035年發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)，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(xù)發(fā)展情景的裝機結(jié)構(gòu)中，光伏發(fā)電比重增加8%，風(fēng)電增加4%，核電增加1%，而燃氣發(fā)電和燃煤發(fā)電分別減少1%和12%。發(fā)電結(jié)構(gòu)方面，可持續(xù)發(fā)展情景中，光伏發(fā)電量增加了8%，風(fēng)電增加了6%，水電增加了4%，核電增加了4%，燃氣發(fā)電不變，而燃煤發(fā)電則大幅減少24%。
對情景分析的過度關(guān)注，容易導(dǎo)致一種傾向：把電力轉(zhuǎn)型簡單理解為不斷增加發(fā)電結(jié)構(gòu)中可再生能源的比重，從而會傾向于采取傳統(tǒng)的“大干快上”(比如我國建風(fēng)電三峽)的方式，短期內(nèi)大幅提高可再生能源比重?？稍偕茉幢戎乇容^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(dǎo)致可再生能源發(fā)展面臨種種障礙。正如目前我們所面臨的問題一樣：電網(wǎng)先假定自己不需要做大的變革，并把出現(xiàn)沖突的原因歸于可再生能源發(fā)電方。
電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的方向。
電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，關(guān)鍵在電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。無論是上游的可再生能源發(fā)電，還是下游因可再生分布式能源和微電網(wǎng)等電力系統(tǒng)新生力量的進入，以及能源轉(zhuǎn)型所推動的電力行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)模式創(chuàng)新，都主要發(fā)生在用戶側(cè)。因此，一個與未來分布式扁平化發(fā)展趨勢方向完全不同的傳統(tǒng)電網(wǎng)，必須要盡快轉(zhuǎn)型來實現(xiàn)這一變革趨勢。一方面要通過技術(shù)變革和投資方向的調(diào)整來實現(xiàn)轉(zhuǎn)型，另一方面需要通過電力體制改革，真正實現(xiàn)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(guān)鍵”。否則，“中間”管不住的結(jié)果，就是“兩邊”被“中間”管住了。
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