雙碳目標下，煤電如何從主力電源向支撐性和調節性電源轉變？
作者：admin 時間：2023-05-09 11:09:37 瀏覽：419
2020年提出的“碳達峰、碳中和”目標已成為中國經濟社會高質量發展的主基調和新引擎。2022年，世界共同經歷了深刻而復雜的變化，中國能源供應也艱難應對由地緣政治動蕩、能源價格上漲、極端氣候變化等外部原因帶來的挑戰，煤炭供銷均創歷史新高，煤電項目的審批和建設也迎來新一輪熱潮，為實現雙碳目標帶來不確定性。本文試圖對出現這一現象的背景和原因進行剖析，并聚焦煤電，就雙碳目標下煤電從主力電源向支撐性和調節性電源轉變提出相應建議。
2022年，國際地緣政治沖突激烈，氣候異?，F象加劇，疊加中澳經貿關系引致的澳煤出口限制等因素，中國全年煤炭（煤及褐煤）進口量降至2.9億噸，同比減少9.2%[1]，是近七年首次負增長。國內市場方面，在貫穿全年的煤炭保供增供政策刺激下，中國原煤產量創歷史新高達到45.6億噸，同比增長10.5%[1]。從消費側來看，2022年中國煤炭實物消費量為44.2億噸，同比增長4.3%。折算成標準量的煤炭消費量為30.4億噸標煤，同比增長3.6%[1]。煤炭消費量約四分之三用于煤電、鋼鐵、水泥行業，而這三個行業去年增勢疲軟，很難支撐總用煤量4.3%的增幅。相關統計數據顯示，2022年燃煤發電量同比僅增長0.7%[2]，且每千瓦時發電標準煤耗下降0.2%，而粗鋼和水泥產量則分別下降1.7%和10.5%[1]。有專家認為，去年中國煤炭消費的增長主要因煤質下降引起[3]。2022年，煤炭保供增供壓力較大，煤礦企業在增產擴產過程中可能伴隨出現了煤炭品質下降問題[4]，而官方統計數據未能及時完全反映這一變化，導致換算成標準煤為單位的煤炭消費數虛高。我們認為，除了煤質問題，煤炭消費增長還是天然氣消費疲軟、供暖需求上升、散煤統計完善和煤炭庫存增加等多方面因素共同作用的結果。首先，天然氣價格高位運行，引發了“天然氣向煤炭”消費轉移。自2005年以來，天然氣占一次能源消費的比重穩步提升，平均每年增加0.4個百分點。照此趨勢，天然氣占比應由2021年的8.9%升至2022年的9.3%。然而，由于價格高企，2022年中國天然氣消費量同比減少1.2%，占比也由8.9%降至8.5%，是過去十幾年首次下降。這一正一負間，造成約4300萬噸標煤的缺口，而這個缺口絕大部分由煤炭填補。其次，嚴寒天氣進一步加劇了燃煤供暖需求。2022年12月，中國大范圍受4次冷空氣過程影響，當月平均氣溫為近十年同期最低，供暖需求大幅攀升。據我們估算，用于建筑供暖的煤炭消費量去年同比增加約10%。第三，中國有1.5億～1.7億噸散煤用于農村供暖，這些散煤用量長期以來未被納入統計口徑。隨著煤礦生產安全整頓和對中小型煤礦的兼并重組，部分散煤消費開始被納入統計體系。第四，煤炭庫存量恢復，部分被記入消費量。2021年，全國煤炭供應極度短缺，庫存告急，部分電廠最緊缺時期庫存甚至不足一日[5]。進入2022年后，這一現象逐漸緩解，1月中旬全國統調電廠電煤庫存恢復至1.2億噸，而12月期間則保持在1.6億噸以上，可用20天以上[6]。同期，中央和省級政府建立的煤炭應急儲備庫也得以恢復。在數據統計過程中，可能有相當數量的庫存量被記入消費量。從分部門的煤炭消費看，雖然去年電力生產用煤整體增長緩慢，增速僅0.5%左右，但其消費量占煤炭消費總量的比重仍達55%以上，是名副其實的用煤大戶。隨著房地產開發投資大幅下滑，鋼鐵和建材兩大行業的煤炭需求持續走弱，且北方地區冬季清潔供暖工程逐步推進，煤炭消費將進一步向電力行業聚集，發電行業仍成為煤炭需求的主要支撐。2022年，中國全社會用電量同比增長3.6%（增量3244億千瓦時），其中約一半新增用電（1623億千瓦時）源自居民生活（圖1）。8月和12月的全國平均氣溫分別為近十年同期最高和最低。受制冷和供暖需求激增影響，兩月居民生活用電量分別同比增長33.5%和35%，最終全年居民生活用電量同比增長13.8%。盡管增長迅猛，但中國戶均生活用電水平和歐美國家相比仍有較大差距，根據IEA的統計，僅為同期歐洲發達國家的45%和北美國家的1/4。在生活水平持續提高、氣候變化刺激用能需求等多種因素影響下，中國居民生活用電量預計將繼續攀升。
除居民生活用電外，新興產業如數字經濟、電動車和充電樁近年來蓬勃發展，成為不可忽視的用電增長極（圖2）。能源基金會測算顯示，近六年全國數據中心機架規模年均復合增速約30%，2022年數據中心用電量占全社會用電量比重超過4%。另據中電聯數據，2022年新能源車整車制造用電量同比增長71.1%，電動汽車充換電服務業用電量同比增長38.1%。2022年，煤電發電量占全年總發電量的比重從過去幾年的60%以上降至58.4%，煤電裝機容量占比從2021年的46.7%降至43.9%。與此同時，新能源占比持續增長，推動發電結構持續優化。2022年非化石能源發電占比從2021年的34.9%增至36.2%，其中風光發電占比從2021年的11.7%增至13.7%。新增裝機方面，風電和太陽能裝機已連續三年保持1億千瓦以上的高速增長，2022年新增裝機1.25億千瓦（圖3）。盡管如此，非化石能源的新增發電仍只能滿足約3/4的新增電力需求，意味著余下的1/4需要常規能源補足（圖4）。圖 4 2021—2022年分能源品種的新增發電量季節性電力需求波動促使煤電發揮能源保供穩定器作用。2022年夏季的高溫干旱導致水力發電能力斷崖式下降，而電力需求尤其是居民用電量激增，為電力系統的發電能力和負荷能力帶來雙重挑戰。尤其是7月和8月，在充分調動非化石能源的情況下，用電缺口仍達到需求總量的73%和95%（圖5）。煤電因其更加靈活的出力能力和時間控制，在用電需求高峰期及時補足電力供應。圖 5 2021—2022年逐月新增發電量和新增用電需求對比非化石能源難以平抑用電峰值的電力負荷，需火電尤其是煤電緩解。2022年全國22個省級電網負荷創歷史新高，除東北外其余5個區域電網負荷均創新高[7]，仍需火電尤其是煤電滿足尖峰負荷需求。以廣東為例（圖6），2022年7月下旬，廣東電網負荷創年度新高，達1.42億千瓦；而水電、風電、太陽能發電、核電及其他可再生能源的裝機總和僅6900萬千瓦，且風光作為間歇性能源，有很大不確定性。而且屆時西部—廣東的外調電負荷同樣受天氣影響而大幅降低，導致峰值時期的額外負荷不得不由本地的化石能源，主要是煤電，來平抑。圖 6 2022年廣東各類電源月度發電（左）與電力負荷（右）2022年中國新建煤電項目增長較大。據能源基金會統計，全年投產運行（包括試運行）的燃煤發電裝機2735萬千瓦，主要分布在內蒙古、山西、安徽和江西等省。開工建設燃煤發電裝機9626萬千瓦，主要分布在內蒙古、廣東、江蘇和湖南。此外，新核準的燃煤發電裝機容量達到8655萬千瓦，是2021年的4.7倍[8]，其中廣東和安徽是新增核準容量最多的省份。還有5439萬千瓦的燃煤發電裝機處于規劃狀態，主要分布在湖北、陜西和江蘇。這些新推進的發電機組大多位于過去兩年出現電力短缺的省份和傳統的煤炭資源大?。▓D7）。來源：北極星電力網，全球能源監測（GEM），能源基金會整理分析煤電項目的建設動因在空間和時間上均有明顯差異。據能源基金會分析，新增煤電項目建設的主要動因可歸納為彌補當地電量缺口、保障當地電力平衡、熱電聯產、特高壓和外送配套、等/擴容量替代和自備電廠（見圖8）。缺電省份和富煤省份的新建動因差異明顯。傳統缺電大省如廣東、江蘇、湖北、安徽和湖南新建煤電項目主要是為了彌補電量缺口，而富煤省份如內蒙古、陜西和新疆的煤電項目建設則主要是為了服務特高壓和外送配套。動因在不同建設階段也呈現明顯變化趨勢。運行中的機組建設動因以熱電聯產、特高壓和外送配套為主，而建設中的機組、核準和規劃機組主要為了彌補當地電量和電力缺口。表明在更早的規劃中，煤電機組在未來發揮的作用分布較為均衡；而2022年開工建設的機組、以及最新核準和規劃的機組將著重于解決電量和電力不足的問題，體現出近年電力短缺的影響。一半以上新建煤電機組尚未落地，仍存一定空間以扭轉激增趨勢。以機組開工建設為重要時間節點，如圖7所示，新增裝機處于開工前、后狀態的比例約為54%和46%，代表2022年全國一半多的新增裝機仍未落地。新增大于1000萬千瓦的9個省份，合計裝機占到新增總量的近70%，其中處于規劃和核準狀態的裝機占比達58.3%。如果能及時并充分發揮同期新增清潔能源和儲能的潛力，仍有可能為煤電裝機爭取更多的壓縮空間。新建煤電機組的特征與未來煤電定位不完全一致。國家能源局明確提出不再新建單純以發電為目的的煤電項目，并積極推動煤電機組的靈活性改造。但從2022年新建機組的建設狀態分布可以發現，越晚規劃的機組，其參數設計越背離煤電的未來定位（見圖9）?？傮w上新建煤電項目以60萬千瓦甚至100萬千瓦以上的大機組為主，且其在運行、建設、核準與規劃煤電項目中的占比越來越高，分別是78.5%、93.6%和96.3%。然而在技術層面，對30萬千瓦及以下、30萬～60萬千瓦級機組進行靈活性改造的技術成本更低、綜合效益更好[9]，機組的大型化趨勢不利于煤電發揮靈活性電源的角色定位。第二，在運行、建設、核準與規劃煤電項目中，熱電聯產機組的占比分別為40.7%、24.6%和15.3%，占比持續下降。由圖7可知，新建煤電項目大多位于不需要供暖的長江以南省份，這是熱電聯產機組占比下降的直接原因，但這一發展趨勢并不利于燃煤電廠提高能源利用效率。圖 9 2022年新建煤電項目機組的裝機容量和類型分布國家和省級層面的碳達峰目標設置是實現可再生能源快速發展的有力保障。據能源基金會分析，截止2023年4月，已公布的24份省級碳達峰方案中，2025年風能和太陽能發電裝機目標合計約12億～15億千瓦。多家研究機構預期中國風能和太陽能發電裝機在2030年可達到16億～20億千瓦[10][11]，遠超國家設置的12億千瓦目標。大規模且不斷增長的能源轉型投資也將有力推動煤電角色轉變。2022年中國的能源轉型投資在全球獨占鰲頭，總投資額是第二名美國的將近四倍[12]。2022年可再生能源投資增長率達21.5%，并且趨向多樣化。在未來以風能和太陽能等可再生能源為主的電力體系下，煤電將逐步退出主力發電能源的舞臺，轉而成為保障電力供應安全的支撐性電源和協助風光等可再生能源發電消納的重要調節性資源。根據中國電力企業聯合會發布的《2023年度全國電力供需形勢分析預測報告》[2]，預計2023年全社會用電量將達到9.15萬億千瓦時，較2022年增長約6%。新增發電裝機規模將達2.5億千瓦左右，其中約1.8億千瓦為非化石能源。而國家能源局的數據也顯示，2023年風電和太陽能新增裝機將超過1.6億千瓦[13]。假設除煤電和氣電外的其他電源發電小時數和2022年保持一致，僅從電量看，2023年新增電量需求有望全部由非化石能源滿足（圖10）。隨著新一批建設、核準和規劃中的新建煤電項目陸續投產，煤電發電小時數將持續下降，更多發揮季節性波動的支撐性保障和服務風電、太陽能發電消納的調節性作用。
