國家電網(wǎng)能源專家：為實現(xiàn)“雙碳”目標，我國能源系統(tǒng)的發(fā)展方向

2023年9月27日，在“2023北京微電子國際研討會暨IC WORLD大會”期間，舉辦了一場關于雙碳、可持續(xù)發(fā)展的研討會——“集成電路下的綠水青山”。國家電網(wǎng)能源研究院原副院長、首席能源專家胡兆光教授分享了我國能源行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來方向。

1 世界能源和制造業(yè)的走勢

世界的能源結(jié)構是從高碳向低碳方向發(fā)展，從最初的薪柴到化石能源，然后是用于發(fā)電的一次能源，到了清潔能源（如圖1）。

圖1 能源規(guī)律：世界能源結(jié)構從高碳向低碳發(fā)展

制造業(yè)的規(guī)律是從手工到半自動化、機器，之后是全自動化，現(xiàn)在是智能化。

我國之所以提出“雙碳”目標，與我國的資源稟賦、能源安全、氣候變化等一系列國內(nèi)外環(huán)境相關。這個戰(zhàn)略選擇決定了我們要做到如下幾點。

①提高電氣化水平，無論是交通、工業(yè)、居民生活還是農(nóng)業(yè)等，都需要提高電氣化水平，盡量用電，減少對油和氣的需求。

②以電力為中心的新型電力系統(tǒng)是今后中國能源發(fā)展的方向。

③以煤炭為保供的壓艙石。2020 年我國提出了雙碳目標，但是雙碳了以后還需要有一個過渡階段，不能因此而放棄了其他能源。

④以新技術為支撐，尤其是人工智能（AI），今后具有很大的發(fā)展空間，例如用于控制系統(tǒng)。

一些經(jīng)濟學家認為：我國的能源轉(zhuǎn)型可能會成為下一個新的經(jīng)濟增長點。因為這里面的產(chǎn)業(yè)鏈很長，發(fā)展空間巨大。

2 國內(nèi)外電力情況

據(jù)bp（英國石油公司）2021年數(shù)據(jù)，全球的電力發(fā)電量2021年是28.46萬億kWh，中國是8.53萬億，占30%；美國4.41萬億，占15.48%；歐洲4 萬億，占14.16%（歐盟2.89 萬億，10.1%）；印度1.7 萬億；日本1.01萬億。

表1 2021年全球主要電力大國和地區(qū)的發(fā)電量與占比

EEPW記者又查到了2022 年全球發(fā)電量（數(shù)據(jù)來源：bp《2023 版世界能源統(tǒng)計年鑒》，2023 年6 月），如表2。

表2 2022年全球前十大國家的發(fā)電量

關于能源結(jié)構，胡兆光教授分析了2021年全球前幾大電力大國和地區(qū)( 如表3)。從發(fā)電/ 電源結(jié)構上來看，有天然氣、煤、核電、水電、可再生能源發(fā)電。這個發(fā)電比重里把天然氣列出來，說明氣電是非常靈活，可以和可再生能源有很好的協(xié)調(diào)，如果氣電的比重高，可以讓可再生能源的上網(wǎng)比例更高，棄風棄光的可能性更小，所以這是很重要的一塊。從表3 可見，美國的氣電占了38%，中國只有3%，歐盟是18.9%，全球平均是22%。

由于我國缺乏氣電，我們靠什么來與可再生能源協(xié)調(diào)呢？只能靠煤電深度調(diào)峰。由于煤電的深度調(diào)峰，使我們的可再生能源發(fā)電的比例達到了13.5%，歐盟是25.2%，美國是14.2%。所以根據(jù)我們的自然的條件——天然氣的水平低，缺少天然氣的發(fā)電，靠煤電的深度調(diào)控，現(xiàn)在短時間可以，但是不可持續(xù)。

從可再生能源發(fā)電量來看（表3），2021 年我國發(fā)電11.5 萬億kWh，美國是6000 多，歐洲9400，歐盟是7300，印度1719，日本是1303。

表3 2021年各國的發(fā)電比重

數(shù)據(jù)來源：bp統(tǒng)計，2022年6月

從2022年我國的發(fā)電量和裝機量，可以看到煤電、氣電、水電等的比重（表4）。

表4 2022年我國發(fā)電和裝機量

來源：國家能源局、發(fā)改委等網(wǎng)站 2023年2月

根據(jù)我國的經(jīng)濟發(fā)展，現(xiàn)在有很多專家在進行研究，預計2030年我國碳達峰，2060 年碳中和。

根據(jù)我們現(xiàn)在的發(fā)電量，2022 年煤電發(fā)電量有5.1萬億kWh，占比很高，最近像歐盟進口關稅、綠電等政策，對我國的制造業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)。

預計2030年煤電的占比會減半。2022年煤電裝機容量11.2億kW，到2030 年約為11.4億kW，今后更多的是風電和太陽能，而后兩者的發(fā)展空間相當大。

如果假定2030 年我國的電力需求為10.5萬億kWh，需要發(fā)電裝機37.34 億kW，其中非化石能源占59.2%，新能源占44.5%。可見煤電占比已很小。

預計到2060 年，如果電力需求為15 萬億kWh，需要發(fā)電裝機68.3 億kW，其中非化石能源占94.4%，新能源占82.7%。

關于煤電的發(fā)展前景，從現(xiàn)在來看，更重要的取決于煤電CCS（碳捕獲與埋存）、BECCS（負碳排放技術）技術。如果CCS技術可以很成熟，成本降得很低，煤電可以多一些。

3 我國電網(wǎng)的情況

我國電網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)，有17+21條（6 萬公里）特高壓線路，跨區(qū)輸送能力強大，為1.58億kW，輸送電量5638 億kWh?？缡^(qū)輸電能力達到2.3億千瓦，輸送綠電的比例較高，達到43%。在應用案例方面，國家電網(wǎng)在青海成功實現(xiàn)“綠電五周”，連續(xù)第6年刷新全清潔能源供電世界紀錄。

當然國家電網(wǎng)也存在一些問題，例如配電網(wǎng)相對較弱，配電網(wǎng)的停電時間在4.8~14個小時/ 年（注：根據(jù)城市的密度不同）；發(fā)達國家大致是21分鐘~1小時/年。但是差距就是機遇、動力，國家電網(wǎng)正在努力找出差距所在，然后迎頭趕上。

●   硬實力

國家電網(wǎng)的硬實力很強。硬實力涵蓋電力技術、工程建設、裝備制造、全國聯(lián)網(wǎng)、太陽能、風電、運行維護、調(diào)度、電網(wǎng)安全等方面。我國棄風是3%，棄光是2%，走在世界前列。

我國的制造業(yè)——風電、太陽能很強。在工程建設方面，在火電機組、水電、核電等大機組、高壓電網(wǎng)方面實力強大。

在電網(wǎng)安全方面，我國大停電很少，幾乎沒有。相比之下，國外經(jīng)常聽到會出現(xiàn)這樣的問題。當然，如前所述，我國棄風棄光是靠煤電來調(diào)整，這是有問題的——是不可持續(xù)的。

所以在硬實力方面，我國很強，如果打分，我們是90分，國際最好的是70分。

● 軟實力

軟實力我們還是有問題的，包括配電網(wǎng)停電、微網(wǎng)、EMS（能源管理系統(tǒng)）、凈零碳（Net-zero Carbon）小區(qū)等，還有電源結(jié)構（我國煤電比例較高），以及我國的電力市場計劃還在不斷地往前推進。我們與國際先進水平相比還是有些差距，如果國際是80分，我們只能打60分。

● 巧實力（Wiseware）

主要是看我們的數(shù)據(jù)- 知識- 智能體系、數(shù)據(jù)流量增值帶來的創(chuàng)新，核心的算法、關鍵軟件、AI工具等，包括電力大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的流通，這一點我們還是有較大差距的。如果國際是80分，我們只能打10分。這些差距也是我們的機遇、我們的動力，我們要往前追趕。

4 可再生能源的開發(fā)

從可再生能源的開發(fā)布局來看，西北基本上是風、光大基地的開發(fā)，通過高壓送到指揮中心，西南主要是水、風、光、抽蓄流域的開發(fā)，東部中部是風光分布式的開發(fā)，城市房屋小區(qū)，農(nóng)村縣域光伏推進，以及凈零碳小區(qū)。另外還有海上的風電。

我們的軟實力還是與國際有所差距的，怎么追上去？一個范例是山東省，2023 年某段時間的電網(wǎng)負荷，正常的情況下，在高峰時段的電網(wǎng)負荷是上升的，但是出現(xiàn)了如圖2的情況。這是因為山東有許多小區(qū)裝了太陽能板，自發(fā)自用，不用電網(wǎng)的電了，所以高峰期反而下來了，尤其是太陽光最強烈的午間出現(xiàn)了低谷。未來隨著河北/ 華東地區(qū)更多太陽能板進小區(qū)，一定會有越來越多的這種情況出現(xiàn)，所以光伏具有很大的發(fā)展空間和潛力。

圖2

現(xiàn)在世界正從數(shù)字化進入到智能化時代。國家電網(wǎng)的電廠已經(jīng)在做數(shù)字化了，也稱為孿生電廠；電網(wǎng)也從實際的電網(wǎng)到了數(shù)字電網(wǎng)階段。有了數(shù)字化，可以在上面做很多實驗（如圖3）。

圖3

數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要智能制造，涉及眾多的電力系統(tǒng)的設備及部件，上下游產(chǎn)業(yè)鏈很長，也是制造業(yè)的機遇。在智能化時代，新型電力系統(tǒng)需要AI，此時數(shù)據(jù)就是資源，算法就是生產(chǎn)力。

關于智能化的發(fā)展，二代AlphaGo Zero于2017年在《Nature》發(fā)表，堪稱AI 劃時代的重大突破，因為它不需要人類棋手比賽數(shù)據(jù)作為訓練集，而是通過自對抗的方式自己訓練出最佳模型，這意味著在算法上具有了自學習的功能。如果應用在電力系統(tǒng)，可以在最關鍵的部分用AI來進行計算。

所以國家電網(wǎng)公司做了很多事，現(xiàn)在經(jīng)營了26個省、自治區(qū)、直轄市，供電范圍占國土面積的88%，供電人口超過11億（注：全國兩大電網(wǎng)——國網(wǎng)和南網(wǎng)），20多年來，國家電網(wǎng)持續(xù)保持全球特大型電網(wǎng)最長安全記錄，建成20多項特高壓輸電工程，成為世界上輸電能力最強、新能源并網(wǎng)規(guī)模最大的電網(wǎng)。

國家電網(wǎng)調(diào)度了1.1萬余臺火電機組，合計約10.6億千瓦；14.5萬余臺風機，光伏單元（逆變器）316.5萬余臺，合計約7.2億千瓦。國家電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是在如此龐大的電網(wǎng)規(guī)模下做到的。所以它的硬技術就像之前所述，是很強的。現(xiàn)在除了數(shù)字化以后，在考慮智能化。

5 新的機遇

●   綜合園區(qū)。我國的電網(wǎng)還差一點，綜合園區(qū)運行的能源管理系統(tǒng)（EMS）的前景非常廣闊。

●   用電設備的信息采集，能源管理系統(tǒng)（EMS）需要智能化。

●   儲能的管理。

●   光伏。現(xiàn)在德國的光伏逆變器從超市買回來后一插就用。我們將來能不能做到？

●   變壓器的檢測與診斷等，包括預測。我們現(xiàn)在認為下一步預測很難，如果能預測提前1 分鐘，就要靠AI的革命。如果AI調(diào)度能提前1分鐘，就可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

6 展望

新型電力系統(tǒng)是一個不斷擴大的巨型系統(tǒng)，還有很大的發(fā)展空間，也有很多問題有待解決，需要不斷突破和完善。

AI產(chǎn)品更具有競爭力，并且還需要開發(fā)一些特定的新產(chǎn)品。

所以我們要不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，才能站在市場競爭的制高點。

智能制造企業(yè)將在能源電力行業(yè)大有作為。

數(shù)據(jù)就是資源，只有流通才能產(chǎn)生價值。

我們需要政策機制的不斷完善，一些行業(yè)協(xié)會（例如中國電力發(fā)展促進會）是企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與政府之間的橋梁，為企業(yè)排憂解難，向政府建言獻策。

（本文來源于《EEPW》2024.3）