廣東省降低能源強度的科技路徑

于文益，張佳鑾，張 磊

(1.廣東省技術經濟研究發展中心，廣東廣州 510070；2.廣東省能源研究會，廣東廣州 510070；3.廣東省節能中心，廣東廣州 510030）

《國務院關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知》）提出“十三五”期間全國萬元國內生產總值能耗下降15%［1］，其中廣東省單位生產總值（GDP）能耗下降指標為17%［2］。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》將“單位GDP 能源消耗降低13.5%”作為“十四五”時期我國經濟社會發展主要約束性指標之一。隨著廣東能源強度不斷降低，在節能技術沒有重大突破的情況下，企業繼續大幅度降低能源強度的難度加大［3］；與此同時，國家布局在廣東省的重大高耗能項目陸續投產，其能源強度明顯高于全省工業平均水平，給廣東省能源強度下降帶來了更大的壓力［4］，且電力行業節能潛力不斷收縮［5］；加之居民用能等剛性增長所帶來的能源消費增長需求并不產生GDP［6］。這些客觀因素將給廣東省能源強度下降帶來巨大挑戰和前所未有的壓力。能源強度對于碳排放強度具有重要影響，提高能源效率是國家實現“碳達峰、碳中和”目標行動的關鍵路徑之一。因此，開展廣東省能源強度下降潛力分析研究，找準控制能源消費總量的重要抓手，對制定實現能源強度下降的科技路徑，助力碳達峰盡早實現，進而減輕廣東省資源環境瓶頸約束，提高經濟發展質量意義重大。

1 廣東省能源利用及碳排放情況

廣東能源消費總量穩步增長，增速呈放緩趨勢，“十三五”期間年均增速維持在2.8%左右，低于“十二五”“十一五”年均增速1）；非化石能源消費約為全國（未含港澳臺地區，下同）平均水平的1.9倍，能源結構優于東部其他省份，向更加清潔、高效方向發展［7］；能源利用效率逐步提高，能源強度逐年下降，碳排放強度顯著降低，兩項指標在國內處于領先水平，但與發達國家相比仍有差距［8］。

1.1 能源消費總量

能源消費總量指一定地域內國民經濟各行業和居民家庭在一定時期消費的各種能源的總和。2005年以來，廣東能源消費總量穩步增長，由2005 年的1.78 億tce 增加到2020 年的3.45 億tce，增速呈放緩趨勢，年均增速由“十一五”時期的8.7%降至“十二五”時期的3.1%，并進一步降至“十三五”時期的2.8%［9］。2011—2020 年廣東省能源消費總量與增速變化情況如圖1 所示，廣東省以年均2.8%的能耗增速支撐了年均6.0%的GDP 增速，2020 年以占全國6.9%的能源消費支撐了占全國10.9%的經濟總量。從分產業來看能源消費，廣東省第一產業用能占全社會用能的比重較小，規模基本在2%～4%；第二產業比重總體呈現下降的趨勢，由2000 年的68.0%逐步下降至2019 年的58.8%；第三產業用能比重略有增加，由2000 年的18.0%上升至2019 年的23.4%；居民用能占比略有上升，目前維持在16.0%左右的水平。

圖1 廣東省能源消費情況

1.2 能源消費結構

“十三五”以來，廣東省陸續發布了《廣東省“十三五”能源結構調整實施方案》《廣東省打贏藍天保衛戰2018 年工作方案》《珠三角地區煤炭消費減量替代管理工作方案》等推動能源結構調整的相關文件，通過嚴格控制煤炭消費、大力推動天然氣利用、積極發展非化石能源等措施，著力推進能源結構優化。從廣東省的能源消費構成來看，煤炭消費所占比例最大，其次為石油和一次電力及其他能源［10］。廣東省煤炭消費占比總體趨勢下降，消費占比由2000 年的52.2%下降至2020 年的33.4%；石油消費占比有所下降，消費占比由2000 年的35.0%下降至2020 年的26.2%；天然氣和一次電力及其他能源消費占比提升較大，天然氣消費占比由2000 年的0.2%上升至2020 年的9.8%，一次電力及其他能源消費占比由2000 年的12.6%上升至2020年的30.6%。

1.3 能源與碳排放強度

能源強度（即單位GDP 能耗）是衡量一個地區能源利用效率的重要指標，指產出單位經濟量所消耗的能源量，強度越低，能源利用效率越高，反映經濟對能源的依賴程度。能源強度是用于對比不同國家、經濟體和區域能源綜合利用效率的指標之一，以能源消費總量除以國內生產總值形式表達，單位為“tce/萬元”。廣東省持續加大節能降耗工作力度，加快新舊動能轉換［11］，促進能源資源要素向優勢地區、優勢行業和優勢項目集中［12］。歷年來廣東省能源利用效率在全國處于領先水平，2020 年廣東省的能源強度約為0.344 3 tce/萬元（2015年可比價），為全國平均水平的2/3。2020 年廣東省能源強度與部分發達國家的對比，如表1 所示。

表1 2020 年廣東省與部分發達國家能源強度橫向對比

在能源強度逐年下降背景下，廣東省碳強度顯著下降，2019 年單位GDP 碳強度為0.563 t CO2/萬元（2015 年價），是全國平均水平的52.8%，處全國第2 低位（僅次于北京）。2010—2019 年，廣東省單位GDP 碳排放強度累計下降43.7%，相當于減少碳排放4.28 億t，其中“十二五”期間下降29.0%，“十三五”期間下降20.6%，經濟社會的低碳化發展良好（見圖2）。

圖2 廣東省碳排放強度及下降率

2 廣東省能源和碳強度下降潛力分析

能源強度下降潛力是指在不降低經濟發展預期目標的基礎上，通過能源結構優化等相關措施可以實現的能源強度下降空間。能源強度下降是降低碳強度的有效路徑。降低廣東省能源強度的措施包括：能源結構優化、三次產業結構調整、三次產業能源利用效率提高和節能技術進步［13］。其中，節能技術進步更多體現在單位產品能耗方面，其對全省單位GDP 能耗的貢獻難以有效量化。同時，在廣東省大規模發展新能源的背景下，強化新興能源產業技術創新，對于廣東省提高能源利用效率、按計劃實現碳達峰有重要推進作用［14］。因此，本研究主要從廣東省能源結構優化、三次產業結構調整及各產業能源利用效率、第二產業內部優化3 方面分析廣東省能源強度下降潛力。

2.1 能源結構優化貢獻度

廣東省能源結構近年來優化明顯，尤其是煤炭占一次能源比重顯著下降，天然氣占一次能源比重明顯上升（見表2）。從能源結構調整對節能的貢獻來看，主要貢獻來自于“煤改氣”，主要包括一是推動燃煤電廠退出后由燃氣電廠替代，二是工業用煤實施“煤改氣”。從燃煤和燃氣使用效率的比較來看，無論電力行業還是工業鍋爐，燃氣的總體使用效率比燃煤高10%～15%，因此，能源結構優化對能源利用效率的提升不是特別明顯，但能源結構優化對碳排放強度下降的影響是起到決定性作用的，如煤炭或天然氣產生的電力被光伏、風電、水電等替代后，碳排放下降的程度相當大［15］。

表2 廣東省近年能源消費結構變化情況

2.2 三次產業結構調整及各產業能源利用效率貢獻

所有節能降耗措施都是直接或間接影響產業結構或各產業的能耗水平，進而影響總能耗水平的變動，因此，借鑒李中杰等［16］的研究，著眼于對產業結構調整以及各產業能源利用效率變化對總能耗水平影響的分析，采用結構分解法（SDA）分析產業結構以及各產業能源利用效率變化對總能耗水的平影響。可以根據三次產業結構對能耗分解，分解方法如下：

式（1）中：e為總能耗水平；Ei為第i次產業能源消費增加量；Gi為第i次產業增加值；ei為第i次產業的單位增加值能耗；為第i次產業增加值占GDP 的比例。即總能耗水平可以視為以各產業在生產總值中所占比例為權重的各產業單位產值能耗之和。

假設以0 為基期，t為報告期，則總能耗水平的變化可以進一步分解為結構份額R和效率份額E。分解方法如下：

按照先數量再質量的分解步驟，首先固定各產業能耗水平不變，總能耗變動的結構份額R為：

若報告期為1 年，則結構份額可寫為：

然后在產業結構已經變化的基礎上，求得總能耗的效率份額E為：

若報告期為1 年，則效率份額可寫為：

結構份額與效率份額分別表示了從基期以來產業結構變化和各產業能源利用效率提高對總能耗變化的影響。結構份額代表產業結構變化引起的能耗變化量，結構份額大于零說明產業結構的變動拉高了地區能耗水平，結構份額小于零說明產業結構變動使地區能耗強度有所下降；效率份額代表各產業能源利用效率變化引起的能耗變化量，其影響與結構份額同理。

從以上分析可知，一個地區的總能耗水平受產業結構和各產業能源利用效率的影響，由產業結構比重和各產業的能源利用效率這兩個指標決定。具體到某一產業，其能耗只取決于該產業能源利用技術的高低及該產業產品能耗，但各個產業的能耗差異較大，若能耗低于平均水平的產業比重提高，或能耗高于平均水平的產業比重降低，則可以帶動總能耗水平和碳排放水平的雙雙下降，對地區的能源強度和碳排放強度影響很大。

2.3 第二產業內部優化貢獻

廣東省第二產業增加值能耗從2010 年的0.706 2 tce/萬元（2010 年可比價，下同）下降到2018 年的0.551 5 tce/萬元，傳統六大高耗能行業、造紙和紙制品業、紡織業等8 個耗能較高的行業（以下簡稱“八大行業”）的增加值能耗由2010 年的1.966 0 tce/萬元變為2018 的1.907 6 tce/萬元，近9 年中雖然有升有降，但是總體仍回到2010 年水平；2010 年到2019 年，八大行業增加值占廣東省工業增加值的比重也從2010 年的25.6%下降到2019 年的18%。但在能耗量方面，八大行業占廣東省工業能耗的比重自2010 年以來一直保持65%以上，占比基本沒有變化，其單位增加值能耗在近5 年對廣東省第二產業增加值能耗的下降有負面影響（見圖3）。

圖3 廣東省八大行業單位增加值能耗變化情況

2010—2018 年，廣東省食品制造業、醫藥行業、通用設備制造業、專用設備制造業、電氣機械和器材制造業、計算機通信制造業等較低能耗行業（以下簡稱“六大行業”）的增加值占全省第二產業增加值的比重總體不斷上升，但單位增加值能耗持續下降，因此，廣東省第二產業增加值能耗下降主要是由非高耗能行業拉動，且其拉動效果明顯大于高耗能行業的負面影響，主要原因是廣東省新興產業和先進制造業快速發展，其附加值較高，能源強度較低。可見，第二產業偏重，則地區能源消費強度和碳排放強度都較大；第二產業偏輕且高科技產業占比較大，則地區的能源消費強度和碳排放強度都明顯降低。

圖4 廣東省六大行業單位增加值能耗及增加值占第二產業比重

2.4 新興能源產業發展貢獻

截止到2019 年年底，廣東省可再生能源發電裝機達到29 720 MW，約占省內電力裝機（1.29 億kW）總量的23.0%，其中水電（含抽水蓄能）裝機1 654 萬kW、風電裝機449 萬kW、光伏發電裝機610 萬kW、生物質發電裝機236 萬kW。在核電領域，廣東省擁有在運核電機組14 臺，裝機容量為1 614 萬kW，約占全省統調裝機的12.3%；全省水電發電量為312.63 億kW·h，風電發電量為70.98億kW·h，光伏發電量為54.96 億kW·h，生物質能電力為120.00 億kW·h，可再生能源電力消納量為2 518.81 億kW·h，占全社會用電量的比重為37.62%。廣東省碳排放強度處在全國第二低位（僅高于北京市），重要的原因之一就是新興能源發展迅速且規模較大。因此，無碳排放的新興能源產業發展和技術進步是推動廣東省碳排放強度不斷下降的重要抓手。

3 “十四五”時期廣東省能源強度降低的科技路徑

3.1 工業行業內部科技路徑

2019 年，廣東省煉油、化工、鋼鐵、造紙、建材、有色、紡織等7 個重點行業的能源消費量為1.03億tce，根據這幾個行業在“十三五”期末的產能產量、裝備技術及能耗指標水平，借鑒原毅軍等［17］的方法，通過對標行業先進水平，分析節能技術措施，估算各行業“十四五”時期節能量。具體分析如下：

（1）煉油和化工行業。通過運用余熱余壓深度回收利用技術，推進低品質熱源的回收利用，推廣優化換熱流程等節能改造，預測現有存量產能原油加工單耗可下降5%，乙烯單耗可下降8%，其他產品單耗下降3%～8%，存量企業的產品單耗下降可實現節能量150 萬tce。

（2）鋼鐵行業。淘汰低于50 萬t 產能的小型鋼鐵企業約12 家，產能合計500 萬t，可節能約52萬tce；通過實施采用高爐煤氣余壓透平發電裝置（TRT）、煤氣回收、低溫煙氣利用等措施，其他存量產能可節能128 萬tce，合計節能量為180 萬tce。

（3）建材行業。水泥和玻璃行業單耗通過技術改造分別達到目前行業先進值，預計目前存量產能節能空間為74 萬tce；陶瓷行業“煤改氣”關停120 條生產線，加上其他存量產能通過技術改造，預計可實現節能126 萬tce。建材行業合計節能量200 萬tce。

（4）紡織行業。通過推廣低浴比染色、針織物連續生產、涂料染色等節能技術，預測存量企業可實現節能量為10 萬tce。

（5）有色行業。廣東省有色行業主要集中鋁加工業、銅加工業和鉛鋅業等，其中鋁加工業和銅加工業的節能潛力約為3%，鉛鋅行業節能潛力約為10%，預計全省有色行業存量企業的節能量為4.5 萬tce。

（6）造紙行業。預計通過關停淘汰造紙產能約159 萬t，騰出能耗空間約83 萬tce，其他存量企業通過節能技改預計可實現節能量為16 萬tce，合計節能量99 萬tce。

廣東省上述行業“十四五”期間淘汰落后產能和存量技改的節能空間為600 萬tce，加上其他制造業節能技改的節能量，預計工業重點行業總節能量為900 萬tce。

3.2 新興能源科技創新路徑

新興能源產業的科技進步可以提高科學用能水平、降低用能成本，進而降低單位GDP 能耗［18］。為提高新能源大規模利用背景下的能源利用效率，廣東省目前應重點強化創新的能源產業技術包括：

（1）綠色能源關鍵技術路徑。1）海上風電方面，一是重點發展低風速、大容量、抗臺風、防鹽霧風電機組技術攻關，加強風機主軸承國產化研究，提升風機葉型工藝設計、碳纖維材料制造能力，推進風電機組一體化集成設計、深遠海遠距離輸電技術、漂浮式等新型風機基礎等領域研發和示范；二是強化海上風場智慧化控制與運維軟硬件技術、海上風電機組健康度評估與壽命預測技術的國產化研發。2）太陽能方面，一是開展高效率晶體硅電池原材料、裝備和工藝研發，提升HJT 和TopCon 電池的轉換效率，降低生產成本；二是突破高效率、大面積碲化鎘光伏電池關鍵設備和工藝技術，實現大面積沉積設備的國產化，超過2m2的光伏組件效率超過18.5%［19］；三是突破大面積高效率柔性鈣鈦礦光伏組件的關鍵產業化技術，為實現柔性鈣鈦礦太陽電池的產業化解決其關鍵產業化技術問題；四是加強晶硅/鈣鈦礦疊層電池制備技術研發，在新型晶體硅電池領域全球范圍內占據技術高點。3）先進核能方面，充分發揮核能利用與核電規模化發展優勢，重點在基礎性材料和事故容錯燃料(ATF)技術研究、先進反應堆設計和關鍵設備研發、能量轉換技術研發、智能化技術研發、多用途及定制化反應堆技術研發和廢物最小化技術研究等實現技術突破。4）氫能方面，一是開展低溫和高溫燃料電池電堆、關鍵材料、零部件和系統集成攻關，加快新一代碳板、金屬板氫燃料電池電堆、膜電極、催化劑和碳紙、高壓儲罐等技術研發［20］；二是突破PEM 電解水制氫和太陽能光解水制氫低成本、高效催化劑設計與合成技術，進一步提高儲氫罐的儲氫壓力、儲氫質量密度，改進儲罐材質，向氫默化、低成本、質量穩定的方向發展。5）地熱能方面，重點要加強中高溫地熱資源（水熱、干熱）勘查技術及梯級綜合利用技術的攻關，支持地球物理探查技術、地熱鉆探技術、地熱發電、地熱制冷、供暖等裝備研發，重點攻關中低溫地熱熱伏發電顛覆技術、磁懸浮發電變個性技術和深部地熱原位發電探索性技術。6）海洋能方面，一是開展百千瓦級無人值守型波浪能液壓轉換及其控制系統關鍵技術研究；二是研究大功率波浪能量轉換系統及電力系統設計方法；三是研究波浪能最大波能跟蹤控制技術、負載匹配技術，研究液壓發電系統特性及其自治控制技術；四是研制應用在海洋環境下的能量轉換系統關鍵設備，特別是工作在浪濺區的高頻運動液壓缸；五是建成百千瓦級波浪能液壓轉換及其控制系統并開展試驗研究。

（2）新能源大規模并網支撐技術路徑。1）新能源間歇性、波動性的固有缺陷易造成電網潮流波動、過載，電壓、頻率控制困難，輸配電系統需要較高的備用容量等，致使輸配電成本高居不下，因此建議加強抗擾性、抗波動電力電子變換裝備和智慧電網調控技術的研發，突破技術瓶頸，減輕電網沖擊，提高輸配電效率，降低輸配電成本［21］。2）優化粵港澳大灣區外環主干網架，“六分區”架構互聯互備；完善智能電網基礎設施網絡，為城市級能源互聯網提供支撐；源網荷側部署新型儲能，推動需求側資源發揮重要作用；能源互聯網向城市級發展，奠定大范圍能源配置能力和條件。3）儲能用于平衡發電側和用電側，是可再生能源大規模并網不可忽缺的協同設施，必需研發可靠性高、低成本的實用儲能系統。目前在化學儲能領域，大功率鋰電池儲能系統成本降低到了一個可能接受的區間，技術相對成熟；大容量全釩液流儲能電池具備成本和使用壽命優勢，儲能效率為75%～85%；鐵-鉻液流電池使用壽命長、安全，成本接近抽水蓄能。在物理儲能領域，重力儲能系統輸出功率最大可以達到20 MW，轉化效率為80%～90%，且20 年不會降低存儲容量和功率［22］。利用廢棄礦洞儲存壓縮空氣是壓縮空氣儲能領域最新的發展趨勢，儲能效率有望突破70%～80%低效率區間［23］。利用熔融鹽作為傳熱介質的熱儲能發電儲能技術具備經濟性，綜合利用效率應不低于75%。大規模蓄冷、集中供冷以及相變儲能也是適合當地經濟的蓄能路徑。建議加強儲能工程技術研究，找出適合廣東省經濟高效的最佳儲能路徑。

（3）智慧能源技術支撐路徑。當前粵港澳大灣區地市的能源強度數倍高出東京、舊金山和紐約大灣區，調整產業結構是長期努力方向，而能源消費側用電效率優化可快速形成節能減排成效，對沖新能源使用的成本上升。主要路徑包括：一是加強多能流智能傳感、監測、智能終端管控設備、智能用電裝備、用戶側能源優化、分布式能源智慧調度等技術研發；二是研發能源操作系統，打破國外技術壟斷，實現能源大數據獲取、能源終端智慧化控制，全方位提升綜合能源利用效率、實現節能減排。

（4）強化CO2綜合利用技術研發路徑。目前捕集、利用與封存CO2技術是最主要、最直接的減排策略，但面臨技術與成本問題，如目前應用最廣的乙醇胺化學吸收捕集法，存在能耗、成本高的難題；將CO2大規模轉化可用資源存在經濟效益差的難題，如CO2制備甲醇、乙烯、聚碳酸酯等；以及CO2封存成本高、泄露風險大、封存地點選擇難等問題。這些問題均需科技創新來克服，主要路徑包括：一是加強低成本CO2高效捕集技術研究，如膜分離相關技術等；二是加強CO2各種資源化路徑的研究，突破大規模CO2資源化的技術路經，如CO2和天然氣在高效催化下制備氫氣和CO；三是研發新型高催化率和低成本的合成尿素、聚碳酸酯、碳酸二甲酯、三嗪醇等大宗精細化學品，以及CO2礦化鉀長石、CO2礦化磷石膏肥料等，實現有經濟效益的CO2減排生產。

4 結論

“十三五”期間，廣東省在節能減排方面取得較好的成績，然而距離實現碳達峰、碳中和的目標還有很大差距。為“十四五”時期降低廣東省能源強度提供可行路徑，助推重點領域節能的技術創新發展，本研究在分析廣東省能源利用情況的基礎上，基于廣東省能源強度下降潛力的分析，從工業行業內部節能技術以及新興能源行業技術進步兩個方面確定廣東省實現能源強度降低的科技路徑。其中：在工業行業內部的節能技術路徑上，針對工業行業內部的高耗能行業，淘汰落后產能并推動裝備技術的節能技術創新和存量技術改造，實現對工業行業結構的調整，提升總能源利用效率，創造大量節能量進而降低能源強度，實現減排與降碳的協同效應；在新興能源行業的技術進步路徑上，強化新能源發電和智慧用能領域的關鍵技術創新，進而降低建設成本和輸配電成本，同時發展CO2綜合利用技術，以有效降低能源強度和碳排放強度，提高對清潔能源的消納水平，適應清潔能源發展壯大要求。

本研究通過相關理論和數據分析得到兩種可行的能源強度降低科技路徑，進一步的研究可針對區域節能對全省能耗強度下降的影響展開。

注釋:

1）數據來源于2020 年廣東省能源局委托研究課題“廣東省‘十四五’節能潛力分析與實現路徑”的研究。以下其他未加以特別說明來源的數據信息同。