中国发电企业如何面对能源革命

发布时间: 2020-12-31 15:21:46   来源:财新网  作者:袁锐

  作者:袁锐 国家能源集团广西分公司副总经理

  新世纪以来,许多有识之士接连发出呼声:“我们正处在能源变革的前夜,21世纪将是可再生能源的世纪”。当本世纪已过五分之一,2021年将临,能源变革时代终见曙光。2020年9月22日,国家主席习近平在联合国大会上表示,中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取2060年前实现碳中和。这一承诺迅速登顶全球热搜事项。根据统计,中国碳排放已经达到约100亿吨/年,位居世界第一。虽然中国人均排放量还远低于西方国家,但总量确实惊人。碳中和意味着碳排放和碳汇(指植物吸收CO2和人工CO2捕捉)相等,按照预测中国碳汇远期大约能达到15亿吨左右,那么未来碳排放量需要比目前减少90%才能实现碳中和,这将是未来中国在国际社会责任领域最大的挑战之一,将给中国能源工业带来深远的影响。

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  数据来源:国家能源集团、美国能源上市公司NEE

  能源变革已安度前夜。地球上的生命全部来自碳基,而有机体光合作用产生的化学能主要以碳为基础的化学形式存在。石化能源是最主要的不可再生能源,本质是远古的太阳能通过有机物的光合作用和各种自然过程,被以煤和石油、天然气等碳氢化合物的形式保存下来。石化能源具有相对高能量密度和易获得性,仍然是现今电力、交通、化工等人类活动所需能源的主要来源。

  传统上,无论是氢能还是电能都是二次能源,只能从化石能源转换而来。无论是不是能源产业史的必然,人类对能源的利用一直都存在着明晰的主辅两条轨迹。

  主线是以能量密度作为逻辑,人类历史上利用的主体能源基本上从低能量密度向高能量密度逐一进化。从远古时代的植物、柴火、动物脂肪、木炭等到煤炭、石油、天然气等化石能源再到人人憧憬的核聚变反应,意味着人类能源需求的机动性、高效性、时间空间的平衡性得以满足。

  然而自第一份具有法律约束力的气候协议《京都议定书》签署以来,另一条路径,即高碳化的能源向低碳和无碳转型(理论上包括可再生能源、氢能、核能),渐成20年来能源行业发展和变革的主旋律。例如:最新一代的锂电池车,其能量密度极值只有汽油的1/40,但包括东京在内的许多城市已准备在2030年前禁售汽油车。这是人类意识到温室气体存在和危害而被迫接受的准则,同时能源的道德溢价越来越高,排放和处置带来的外部性越来越成为制约主体能源地位的因素。

  能源变革的中国贡献是决定性的,挥别2020,当各国纷纷以政策宣誓和法律的形式将二氧化碳净零排放作为能源发展可预见的目标,当习近平总书记在金砖国家领导人峰会上强调,碳减排目标将说到做到,我们坚信,能源变革已安度前夜,能源变革已见曙光。

  图表:能源利用效率示意

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  数据来源:《光的历史》威廉•诺德豪斯1997,芝加哥,芝加哥大学出版社

  图表:美国能源上市公司NEE发电技术成本趋势预测

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  数据来源:Wind、Bloomberg、综合

  依据目前市场的共识,化石能源终端需求将逐步萎缩,电力公司将成长为舞台正中的主流能源公司。

  第一,再电气化趋势明显,电力在终端能源消费中比重不断扩大。

  电力终端需求持续增长,保守估计到2050年,终端能源消费中,电力消费将从现在不足25%上升到50%以上。

  图表:电力和氢终端需求的变化趋势

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  数据来源:BP世界能源展望2020

  人均用电将继续增加,这部分增长主要是电力可达性和公平性带来的,2018年人均用电量不足1500度/年的人口占总人口48%,即全世界有一半人口无法保证全天持续获得电力,2050年这一比例将减少到23%。能源强度持续下降,将减缓一次能源增长速度。电力供应将持续增长,装机保持年增长2%的速度,显著快于全球经济增长和能源总需求的增长。

  图表:电力需求增长大幅领先一次能源需求的增长

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  分行业看,到2050年,电力、氢、生物质为燃料交通工具将达到50%,交通行业内燃油交通工具将下降至40%。同时,交通上的清洁化趋势与机器人自动驾驶互相促进,联系紧密。以发电为核心的综合能源建筑利用将使得建筑取暖近似实现碳中和;化石能源将继续存在于某些工业生产流程中,比如水泥、冶炼、化工等行业,但是氢燃料可以部分满足需要高温作业流程的产业,无论蓝氢还是绿氢的制备过程需大量耗电,氢燃料将作为可再生能源发电通向未来的中继者,将在本世纪上半叶后期逐渐占有一席之地。

  图表:交通行业内最终能源消费的份额

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  图表:电动出租车占乘用车完全行驶里程的份额

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  第二,一次能源结构将日趋清洁低碳,直到实现碳中和甚至负排放。

  为达到政府间气候变化专门委员会(IPCC)AR6所要求的2℃目标以内,全世界迅速行动起来,逐步转变自身化石能源占主导的能源结构,保证2050年前全球可再生能源((指非水可再生能源(Non-Hydro Renewable)))供应总量达到一次能源供应量的一半,化石能源占一次能源比例下降到40%,这是一个艰巨的任务。

  图表:可再生能源占一次能源的份额

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  图表:碳氢化合物使用水平趋势

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  各国的能源系统结构都将带来革命性的改观,尤其是对以煤炭为主导的中国能源产业布局重塑将是史诗级的。

  图表:低碳转型导致各国燃料结构逐步趋同

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  为达成以上目标意味着:

  1、到2050年发电消纳的一次能源比例将从现在的46%上升近60%。

  2、通过十年的努力使2030年世界发电量中风光发电的比例超过25%(预计2020年这一比例不超过8%,中国高于全世界平均),到2050年要达到55%甚至更高水平;由于水电的大规模开发基本结束,可再生能源的开发主要集中于风光,预计到2035年前,风光发电的新增装机规模将保持常态化的高位,平均每年新增3.5亿千瓦/年的装机规模将是本世纪前20年平均水平的6倍,由于技术进步带来间歇性能源消纳问题的逐步改善,风光装机增长量会逐年增加,可能出现最高6亿千瓦/年的新增装机峰值。

  图表:风能和太阳能发电装机的年平均增长

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  风能、光伏的投资预计达到5000亿美元/年,由于风光能技术和工程学上的成本也在迅速下降,部分抵消了投资的增长,年投资强度只相当于近年来的2到3倍。

  图表:风能和太阳能年平均投资水平

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  3、在储能技术成熟之前,化石能源将逐渐成为调峰电源。现有机组将进行大面积的灵活性改造,以适应电网新的安全需求,剩余火电装机将逐步到龄退出。对火电机组的投资和改造将不只集中于调峰的深度和灵活性上,也同时要求提升调峰的效率。由于中国的火电机组普遍年轻,部分机组可能被迫面临提前退役,化石能源如果能提高效率同样可以达到减排的效果,中短期会延缓化石能源被可再生能源取代的时间。随着CCUS(碳捕捉利用和封存技术)逐步成熟,到本世纪中叶,火电机组的CCUS投资可达年均1000亿美元。配备CCUS的火电企业如果掺烧生物质能源,发电碳排放为负,获得的碳汇有一定的市场价值,碳税价格的逐步提高,将使得CCUS发电变得有利可图。

  图表:平均年投资水平和预测

  

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  中国发电企业如何面对即将到来的能源革命?

  在传统电力企业转型过程中,同样存在胜者为王,赢者通吃的新经济规律,从今天起可再生能源装机的规模是压倒一切的。

  中国几大发电企业对新能源的发展一直保持较浓厚的兴趣,对能源变革也有敏锐的嗅觉。比如:国家能源集团所属龙源电力公司,2007年成为全世界第一家风电装机突破百万千瓦的的电力企业,国家电投通过近年的超常规发展,成为世界上最大的光伏发电站运营商,并宣布将于2023年实现国内“碳排放达峰”。不过由于新能源补贴政策不连续,对低碳能源发展方向和成本的趋势没有形成共识,各个发电集团的新能源装机增长显示出了比较强的阶段性。大型发电集团的火电装机存量过大,即使每年新增一个美国存量的清洁能源装机,依然不能从根本上扭转现有化石能源发电装机占主导的局面。

  图表:2020年五大发电集团装机容量对比图

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  数据来源:各电力公司社会责任报告

  中国在光伏、风电以及核电等新能源领域已经达到世界领先水平,光伏、核电的全产业链基本实现了自主和可控。太阳能光伏发电成本按照行业协会发布的《中国光伏行业发展路线图(2019版)》中测算,在1-2年内地面电站和分布式电站基本就可以实现平准发电成本(LCOE)与煤电基准价平价,风电最迟在2025年前也能实现与煤电平价。

  尽管还有非常大的火电消费量需要新能源来替换,但实际并不存在不确定性的技术问题,我们已经可以清晰地看到大多数火电被新能源替代的终点。按照2030年碳排放达峰,2060年达到碳中和,2035年前光华东地区每年就需要新增5000千瓦-6000千瓦的可再生能源装机。

  这一过程显然会碰到各式各样的问题,有些是普遍的,比如达不到企业和股东设置的前期回报率要求,这与扩大规模抢占资源的战略意图常常背道而驰;有些则是中国特色的,在各地政治锦标赛模式下,新能源企业主体多如牛毛,比如广西一地核准风电的主体企业将近50家。显然,这样低的市场集中度,不用很久又会造成可再生能源发电行业的产能过剩。

  各类新能源、电网、储能路线具有很强的不确定性,转化为具有市场竞争力的产品也面临无法预料的障碍,一旦判断失误,前期的投入将成为无法收回的“沉没成本”,这既是挑战也是机遇。

  里夫金的《第三次工业革命》断定:“互联网技术和可再生能源的融合,是第三次工业革命坚实的基础”。当今世界正处于通信技术革命和第三次工业革命交织的历史进程中,大数据成为继实验科学、理论分析和计算机模拟之后新的科学范式,大数据平台成为重要生产工具,数据成为基本的生产资料。中国电力企业在坚持稳定新增清洁能源装机前提下,需要关注以下问题:

  第一,在负荷中心以外建设的无储能集中式光伏和风电,外送和消纳的问题应被特殊关注。风光发电依赖于自然界资源,负荷往往具有较大波动,需要大量的备用电源保证电网和用电主体的稳定输入,而特高压跨省跨区域输电线路的容量也有限,风光发电企业为了外输抢电量只能降价杀价,被投项目亏损严重,已有产能过剩端倪。现时在西部风光资源富裕的某些省份,已有个别集中式风电场弃风比率超出30%。今后一段时间,在西部一些省份,可再生能源领域将会现出越来越明显的产能过剩特征。“源网核储”本就是一个整体,若只为抢资源而匆忙上项目,没有经周密且富洞见的前期论证,将外送寄托于未来外部环境变化,将对电力企业的整体经营情况造成非常负面的影响。

  第二,能源革变革应被置于更大范围的第三次工业革命之中。能源技术在以绿色低碳为发展方向的同时,将出现创新型的能源系统。电力企业应重视从能源生产到电力消费全流程一体化的数据采集,廓清数据的权属,可再生能源的开发、建设、管理是系统工程,应利用好能源数据规模所带来的管理优势,构建自身的数据护城河。尤其要重视数据挖掘和新一代工业互联网技术在可再生能源领域的作用。平价的可再生能源项目往往徘徊在成本线上下,风光的间歇性也对运行成本产生了不利影响,通过数据挖掘和新一代工业互联技术,可以提供新的决策维度,解决行或不行、上或不上的问题。

  图表:世界处于信息通信技术革命与第三次工业革命周期内

  

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  第三,重视分布式能源的作用,把握单一能源服务向综合能源服务加快升级的发展方向。综合能源服务是支撑可再生能源开发利用方式从传统集中式过渡为集中式与分布式并重的能源供应结构优化,其特点就是:分布式电源为主,用户也可以参与能源生产。实现综合能源业务链价值最大化不是传统手段可做到的,需要制度、技术有较大革新。发电企业为了顺应这一趋势,需要加强终端客户的粘性,利用发售一体的售电公司,提高服务用电用能企业的能力;由于微网环境下客户会参与供需互动,甚至参与能源生产,能够尽早获得储备的用电企业有关数据,可以成为下一步综合能源供应的合作基础;将来电力企业可以在不依托主网的情况下形成微网循环,电力企业应积极投身增量配网业务,提前布局综合能源供应的区域电网系统。

  第四,对火电新建、改造、退役等的决策需要考虑已存在且将来必须要负担的外部成本。风电和光伏发电能否在能源结构改革中发挥重要作用,最终由它们的生产成本决定。目前,能源的成本价格还是扭曲状态,火电的成本很低,但如果考虑火电的污染税和碳价,它的成本将高于风电和光伏发电。因此,风电和光伏发电最终能在多大程度上替代火电,就需要对比二者完全真实的成本价格,包括污染税、碳价、储能和调峰等成本,各类能源项目包括可再生能源项目,必须置于外部成本内部化前提下开展可研。

  第五,加快可再生能源项目的国际化布局。把中国可再生能源的发展优势转化为国际间协作减排的话语优势,这是“四个革命,一个合作”的必然要求,也是匹配中国大国地位的减排使命与担当。利用国内国际两个市场、两种资源,既可以提高可再生能源产业、资本、制造全球配置的效率,也可以推广可再生能源的中国技术路线、制度路线。

      关键词: 发电
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