天津電能替代潛力研究

◎文/榮 斌 王 燕

電力是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，電力供應(yīng)和安全事關(guān)國家安全戰(zhàn)略。電能替代主要包括三種形式：一是消費端電能替代，包括在城市集中供暖、工商業(yè)等重點領(lǐng)域?qū)嵤┑囊噪姶汉驮诔鞘薪煌ā⑥r(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域的以電代油等。二是生產(chǎn)端電能替代，主要是以風電、光伏為代表的清潔電力替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電。三是運輸端電能替代，主要是把西部、北部的清潔電力遠距離、大規(guī)模輸送到東中部地區(qū)，以輸電替代輸煤。

一、電能替代契合經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展需要

加快清潔發(fā)展、應(yīng)對氣候變化、推動能源轉(zhuǎn)型是各國共識。扎實推進“兩個替代、一個提高、一個回歸”，即以太陽能、風能、水能等清潔能源替代化石能源，以電能替代煤、油、氣，大幅提高電氣化水平，讓化石能源回歸工業(yè)原料和材料的基本屬性，是解決可持續(xù)發(fā)展中能源和環(huán)境問題的現(xiàn)實需要。從世界范圍來看，電力能源發(fā)展呈現(xiàn)以下特點：

一是電力生產(chǎn)持續(xù)增長，中國電力發(fā)展尤為明顯。1991—2021年世界發(fā)電量以年均2.9%的速度增長，特別是2002—2011年保持年均3.5%的增速，但2012—2021年的年均增速回落至2.5%。2021年，世界各國累計發(fā)電量28466.29太瓦時，發(fā)電量排名前五的國家中，中國的發(fā)電量年均增速明顯高于世界平均水平（見表1）。

表1 1991—2021年全世界及主要發(fā)電國家電力生產(chǎn)情況

二是電源結(jié)構(gòu)仍以火電為主，新能源發(fā)電增長迅速。1991—2021年間，世界電力生產(chǎn)中火電占比保持在六成左右。其中，石油發(fā)電和核電占比明顯下滑，煤炭發(fā)電和水電占比穩(wěn)中有降，天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步提高，風電、光伏等新能源發(fā)電占比從1.6%提高到2021年的13.7%（見表2）。

表2 1991—2021年全世界電力生產(chǎn)源占比情況（%）

三是電能在終端領(lǐng)域持續(xù)滲透，中國與發(fā)達國家電氣化差距逐漸縮小。電能占終端能源消費比重是衡量電氣化程度（即經(jīng)濟社會對電能的依賴程度）的重要指標之一，根據(jù)國際能源署發(fā)布的《世界能源展望2022》，世界終端能源消費中電力比重從2010年的16.7%提高到2020年的19.7%，并預(yù)計在2030年和2050年分別達到22.1%和27.8%。中電聯(lián)發(fā)布的《中國電氣化年度發(fā)展報告2021》表明，日本、美國和法國穩(wěn)居電氣化中期高級階段，德國、英國已進入電氣化中期高級階段，中國電氣化發(fā)展總體處于中期中級階段，并預(yù)計在2030年穩(wěn)居中期高級階段，支撐實現(xiàn)碳達峰。

中國雖然已經(jīng)成為電力生產(chǎn)與消費第一大國、風電和光伏發(fā)電裝機第一大國，但人均水平皆明顯低于發(fā)達國家。由此，我國《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》制定“實施電能替代，優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)”重點任務(wù)；2016年國家發(fā)展改革委等部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進電能替代的指導(dǎo)意見》，2022年印發(fā)《關(guān)于進一步推進電能替代的指導(dǎo)意見》，明確提出“到2025年電能占終端能源消費比重達到30%左右”的目標，全面推進終端用能綠色低碳轉(zhuǎn)型。

二、天津電能替代推進電氣化發(fā)展進程

與傳統(tǒng)能源相比，電能替代能夠充分利用電能的清潔、安全、高效、便捷優(yōu)勢，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)，進而提升能源利用效率和區(qū)域間的資源優(yōu)化配置。“十三五”以來，面對大氣污染防治要求持續(xù)加碼、生態(tài)與環(huán)保剛性約束不斷趨緊的現(xiàn)實，天津加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代電力工業(yè)體系，有效支撐了全市經(jīng)濟社會發(fā)展需要。

（一）電力供應(yīng)能力不斷提升，結(jié)構(gòu)更加清潔化

2016—2021年，全市電源、電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模持續(xù)擴大，發(fā)電設(shè)備裝機容量增至2058.03萬千瓦，年均增長6.4%；總發(fā)電量增至799.73億千瓦時，年均增長3.7%。同時，隨著風能、光伏、生物質(zhì)發(fā)電項目建設(shè)有序推進，全市可再生能源電力（包括風電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、水電）裝機占總裝機容量的比重達到17.2%，累計提高13.3個百分點。

（二）終端用能電氣化態(tài)勢逐漸顯現(xiàn)

天津因地制宜，在居民采暖、生產(chǎn)制造、交通運輸?shù)榷鄠€重點領(lǐng)域推廣用電項目。2021年，全市終端用電量為987.76億千瓦時，自“十三五”以來年均增長3.5%，用電增速快于能源消費增速3.7個百分點；產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)更趨均衡，第三產(chǎn)業(yè)和城鄉(xiāng)居民用電占全社會用電比重分別達到21.5%和13.6%，累計提高了3.9個和2.7個百分點。

（三）運輸側(cè)智能電網(wǎng)建設(shè)取得積極進展

“電從遠方來，來是清潔電”，基于能源稟賦需求與供給逆向分布特點，跨區(qū)域輸配電合作能夠促進清潔能源的統(tǒng)籌規(guī)劃和消納。天津電網(wǎng)“十三五”期間累計完成投資456.97億元，地區(qū)最大用電負荷增至2022年的1771萬千瓦，年均增長4.2%。天津建成錫盟—天津南—山東、蒙西—天津南兩條特高壓交流受電通道及海河特高壓站，并與新疆、山西、甘肅、寧夏、青海等省市加強能源合作，2021年凈流入電量為205.86億千瓦時，比2015年增長30.6%，占全市總用電量的比重為20.1%，累計提高1.5個百分點。

（四）電能替代與節(jié)能減排同步推進

電能替代在提高能源利用效率、控制煤炭消費、防范化解煤電產(chǎn)能過剩風險、減少大氣污染等方面發(fā)揮著重要作用。 “十三五”期間，電力行業(yè)加大機組節(jié)能改造力度，不達標的30萬千瓦及以下煤電機組已全部淘汰，全部煤電機組（含自備）實現(xiàn)了超低排放，煤電機組平均供電煤耗由313.2克標準煤/千瓦時下降到295.4克標準煤/千瓦時。2021年，全市煤炭消費量降至3723.27萬噸，六年間累計減煤815.56萬噸，大氣中二氧化硫、可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）年均濃度分別下降72.4%、40.5%和44.3%，單位GDP電耗累計下降5.7%。

三、電能替代的地區(qū)比較

電能替代主要受經(jīng)濟發(fā)展階段、地區(qū)人口變化、能源利用技術(shù)、能源稟賦等諸多因素影響。具體來說，經(jīng)濟越發(fā)達，電能替代其他能源的形式越多樣，電能替代技術(shù)的應(yīng)用范圍越廣泛，電能替代成效越明顯，地區(qū)電氣化水平越高。同時，能源政策也在一定程度上決定了終端能源消費結(jié)構(gòu)。

（一）電力供應(yīng)能力持續(xù)增強，但生產(chǎn)端電能清潔替代瓶頸明顯

“十三五”期間，東部10個省市（包括北京、天津、河北、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東、海南）發(fā)電裝機容量年均增速在2.6%～11.7%之間，電力供應(yīng)能力逐年提高。其中，天津發(fā)電裝機容量年均增長7.7%，增速高于全國平均水平0.1個百分點，在10個地區(qū)中排名第6。同時，各地區(qū)電力企業(yè)深挖機組運行潛力，6000千瓦及以上電廠發(fā)電煤耗減少幅度在0.6克/千瓦時～26.6克/千瓦時之間，電力生產(chǎn)更加高效。其中，2020年天津發(fā)電煤耗降至260.9克/千瓦時，比全國平均水平低26.3克/千瓦時，減少幅度在10個地區(qū)中排名第2。

從電源結(jié)構(gòu)看：2020年，全國火電裝機占全部裝機的比重為56.6%，五年累計下降9.3個百分點，10個省市中僅海南、福建和河北的火電裝機占比低于全國平均水平。其中，天津的火電占比為87.0%，僅好于上海 （91.8%）， 次 于 北 京（86.3%）。同時，受全社會用電增速放緩、發(fā)電裝機增速高于用電增速等因素影響，2020年全國6000千瓦及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時為3756小時，“十三五”期間減少232小時。東部10個省市中，包括天津在內(nèi)的5個地區(qū)發(fā)電設(shè)備平均利用小時數(shù)低于全國平均水平，包括天津在內(nèi)的7個地區(qū)發(fā)電設(shè)備平均利用小時數(shù)降幅高于全國平均水平，傳統(tǒng)能源產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩問題明顯。

（二）電力消費呈現(xiàn)南北分化，消費端電能替代進程趨緩

電能替代成效可通過“電能占終端能源消費比重”指標來反映，但由于數(shù)據(jù)的可獲得性，用“用電增速-能耗增速”指標來反映電能是否在消費環(huán)節(jié)替代其他能源。如果“用電增速-能耗增速”大于0，意味著用電增速超過其他主要能源品種（如煤品燃料、油品燃料、天然氣等）消費增速，電能占終端能源消費比重必然提高。如圖1所示：“十三五”期間，東部10省市的用電增速（累計）在6.1%～35.9%之間，且呈現(xiàn)南高北低態(tài)勢，其中，僅浙江的用電增速高于全國平均水平（33.8%），天津僅高于上海和北京；10省市的“用電增速-能耗增速”（累計）在4.5%～18.3%之間，表明電能不同程度地替代了其他能源品種，但均低于全國平均水平（19.0%）。

圖1 10省市電力消費與全社會能耗累計增速情況（%）

地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達程度與本地電氣化相關(guān)性較強。如圖2所示：作為經(jīng)濟較發(fā)達區(qū)域，東部10省市中有7個地區(qū)人均用電量高于全國平均水平；“十三五”期間，10省市人均用電量不同程度提高，累計增速在5.1%～25.7%之間，但都低于全國平均增速（30.8%）；人均用電量增速與城鎮(zhèn)化提高率的相關(guān)性較強（相關(guān)系數(shù)為0.72），即人均用電量增長較快的地區(qū)，城鎮(zhèn)化率提高得也較多。例如，河北、江蘇、浙江、福建和海南的人均用電量累計增速均在20%以上，城鎮(zhèn)化率均提高了5個百分點以上。與之相反，北京、天津、上海的城鎮(zhèn)化率均在80%以上，明顯高于全國平均水平，“十三五”期間僅提高了0.8個、1.8個和0.8個百分點，人均用電量累計分別增長11.2%、18.2%和5.1%，明顯低于全國平均增速，電能替代潛力相對較小。

圖2 10省市人均用電量和城鎮(zhèn)化率變動情況（%）

（三）減煤替代政策持續(xù)發(fā)力，運輸端的跨區(qū)域電力輸入有較大發(fā)展空間

表3 2020年東部10個省市用電情況

東部地區(qū)特別是京津冀、山東、江蘇、浙江、廣東等省市是煤炭減量替代工作的重點區(qū)域。同時，我國水電資源主要集中在西南地區(qū)，風能資源主要集中在東北和西北地區(qū)，太陽能資源主要集中在西北、西南等高原、少雨干燥地區(qū)，東部大部分省市發(fā)展可再生電力不具備明顯優(yōu)勢。以天津為例，2020年陸地70米高度層年平均風功率密度（風功率密度是指與風向垂直的單位面積中風所具有的功率，等級越高反映風能資源越豐富）偏小面積占比為82.5%，附近渤海海峽70米高度層年平均風功率密度偏小面積占比為96.8%，全年日照時數(shù)為中等類型地區(qū)，在來水、來風和光照條件并不優(yōu)越的情況下，運輸端的跨區(qū)域電力輸入尤為重要。

2020年，東部10省市的電力產(chǎn)出占全國總產(chǎn)出的36.4%，電力消費占全國總消費量的46.0%，尚有超過7400億千瓦時電力消耗由其他地區(qū)供應(yīng)。如表2所示：只有福建為電力凈流入，其他9個地區(qū)均不同程度地需要外省市輸入電力滿足本地需要。其中，北京的外省市凈調(diào)入電量占本地區(qū)總用電量的60.0%，電力的對外依存度最高；天津的電力凈流入量為199.07億千瓦時，占全市用電量的20.5%，低于北京、上海、浙江和廣東。

四、天津電能替代前景預(yù)測

電能占終端能源消費比重是衡量一個國家或地區(qū)終端能源消費結(jié)構(gòu)和電氣化程度的重要指標。比重提高，說明電能在終端能源消費環(huán)節(jié)替代了其他能源品種；比重保持不變或者下降，即使電力消費總量增長，也不能說明電能替代了其他能源品種。本文以2014—2021年天津電能占終端能源消費比重數(shù) 據(jù) 為 時 間 序 列x（0）={x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）}，構(gòu)建GM（1，1）灰色預(yù)測模型進行預(yù)測。相應(yīng)的微分方程和預(yù)測模型公式為：

對預(yù)測模型公式x（1））（t）進行累減，生成電能占終端能源消費比重x（0）的預(yù)測值，如圖3所示。經(jīng)檢驗，預(yù)測模型的相對殘差均值為0.01，關(guān)聯(lián)度為0.71，方差比C為0.32，小誤差概率P為1，模型擬合等級為好。

圖3 天津全社會電能占終端能源消費比重預(yù)測（%）

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，天津電能占終端能源消費比重預(yù)計穩(wěn)步提高，并于2025年達到39.7%。以當前電氣化發(fā)展進度，有望順利實現(xiàn)全市能源發(fā)展規(guī)劃中“到2025年電能占終端能源消費比重達到38%”的目標。