广东省降低能源强度的科技路径

于文益，张佳銮，张 磊

(1.广东省技术经济研究发展中心，广东广州 510070；2.广东省能源研究会，广东广州 510070；3.广东省节能中心，广东广州 510030）

《国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》）提出“十三五”期间全国万元国内生产总值能耗下降15%［1］，其中广东省单位生产总值（GDP）能耗下降指标为17%［2］。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》将“单位GDP 能源消耗降低13.5%”作为“十四五”时期我国经济社会发展主要约束性指标之一。随着广东能源强度不断降低，在节能技术没有重大突破的情况下，企业继续大幅度降低能源强度的难度加大［3］；与此同时，国家布局在广东省的重大高耗能项目陆续投产，其能源强度明显高于全省工业平均水平，给广东省能源强度下降带来了更大的压力［4］，且电力行业节能潜力不断收缩［5］；加之居民用能等刚性增长所带来的能源消费增长需求并不产生GDP［6］。这些客观因素将给广东省能源强度下降带来巨大挑战和前所未有的压力。能源强度对于碳排放强度具有重要影响，提高能源效率是国家实现“碳达峰、碳中和”目标行动的关键路径之一。因此，开展广东省能源强度下降潜力分析研究，找准控制能源消费总量的重要抓手，对制定实现能源强度下降的科技路径，助力碳达峰尽早实现，进而减轻广东省资源环境瓶颈约束，提高经济发展质量意义重大。

1 广东省能源利用及碳排放情况

广东能源消费总量稳步增长，增速呈放缓趋势，“十三五”期间年均增速维持在2.8%左右，低于“十二五”“十一五”年均增速1）；非化石能源消费约为全国（未含港澳台地区，下同）平均水平的1.9倍，能源结构优于东部其他省份，向更加清洁、高效方向发展［7］；能源利用效率逐步提高，能源强度逐年下降，碳排放强度显著降低，两项指标在国内处于领先水平，但与发达国家相比仍有差距［8］。

1.1 能源消费总量

能源消费总量指一定地域内国民经济各行业和居民家庭在一定时期消费的各种能源的总和。2005年以来，广东能源消费总量稳步增长，由2005 年的1.78 亿tce 增加到2020 年的3.45 亿tce，增速呈放缓趋势，年均增速由“十一五”时期的8.7%降至“十二五”时期的3.1%，并进一步降至“十三五”时期的2.8%［9］。2011—2020 年广东省能源消费总量与增速变化情况如图1 所示，广东省以年均2.8%的能耗增速支撑了年均6.0%的GDP 增速，2020 年以占全国6.9%的能源消费支撑了占全国10.9%的经济总量。从分产业来看能源消费，广东省第一产业用能占全社会用能的比重较小，规模基本在2%～4%；第二产业比重总体呈现下降的趋势，由2000 年的68.0%逐步下降至2019 年的58.8%；第三产业用能比重略有增加，由2000 年的18.0%上升至2019 年的23.4%；居民用能占比略有上升，目前维持在16.0%左右的水平。

图1 广东省能源消费情况

1.2 能源消费结构

“十三五”以来，广东省陆续发布了《广东省“十三五”能源结构调整实施方案》《广东省打赢蓝天保卫战2018 年工作方案》《珠三角地区煤炭消费减量替代管理工作方案》等推动能源结构调整的相关文件，通过严格控制煤炭消费、大力推动天然气利用、积极发展非化石能源等措施，着力推进能源结构优化。从广东省的能源消费构成来看，煤炭消费所占比例最大，其次为石油和一次电力及其他能源［10］。广东省煤炭消费占比总体趋势下降，消费占比由2000 年的52.2%下降至2020 年的33.4%；石油消费占比有所下降，消费占比由2000 年的35.0%下降至2020 年的26.2%；天然气和一次电力及其他能源消费占比提升较大，天然气消费占比由2000 年的0.2%上升至2020 年的9.8%，一次电力及其他能源消费占比由2000 年的12.6%上升至2020年的30.6%。

1.3 能源与碳排放强度

能源强度（即单位GDP 能耗）是衡量一个地区能源利用效率的重要指标，指产出单位经济量所消耗的能源量，强度越低，能源利用效率越高，反映经济对能源的依赖程度。能源强度是用于对比不同国家、经济体和区域能源综合利用效率的指标之一，以能源消费总量除以国内生产总值形式表达，单位为“tce/万元”。广东省持续加大节能降耗工作力度，加快新旧动能转换［11］，促进能源资源要素向优势地区、优势行业和优势项目集中［12］。历年来广东省能源利用效率在全国处于领先水平，2020 年广东省的能源强度约为0.344 3 tce/万元（2015年可比价），为全国平均水平的2/3。2020 年广东省能源强度与部分发达国家的对比，如表1 所示。

表1 2020 年广东省与部分发达国家能源强度横向对比

在能源强度逐年下降背景下，广东省碳强度显著下降，2019 年单位GDP 碳强度为0.563 t CO2/万元（2015 年价），是全国平均水平的52.8%，处全国第2 低位（仅次于北京）。2010—2019 年，广东省单位GDP 碳排放强度累计下降43.7%，相当于减少碳排放4.28 亿t，其中“十二五”期间下降29.0%，“十三五”期间下降20.6%，经济社会的低碳化发展良好（见图2）。

图2 广东省碳排放强度及下降率

2 广东省能源和碳强度下降潜力分析

能源强度下降潜力是指在不降低经济发展预期目标的基础上，通过能源结构优化等相关措施可以实现的能源强度下降空间。能源强度下降是降低碳强度的有效路径。降低广东省能源强度的措施包括：能源结构优化、三次产业结构调整、三次产业能源利用效率提高和节能技术进步［13］。其中，节能技术进步更多体现在单位产品能耗方面，其对全省单位GDP 能耗的贡献难以有效量化。同时，在广东省大规模发展新能源的背景下，强化新兴能源产业技术创新，对于广东省提高能源利用效率、按计划实现碳达峰有重要推进作用［14］。因此，本研究主要从广东省能源结构优化、三次产业结构调整及各产业能源利用效率、第二产业内部优化3 方面分析广东省能源强度下降潜力。

2.1 能源结构优化贡献度

广东省能源结构近年来优化明显，尤其是煤炭占一次能源比重显著下降，天然气占一次能源比重明显上升（见表2）。从能源结构调整对节能的贡献来看，主要贡献来自于“煤改气”，主要包括一是推动燃煤电厂退出后由燃气电厂替代，二是工业用煤实施“煤改气”。从燃煤和燃气使用效率的比较来看，无论电力行业还是工业锅炉，燃气的总体使用效率比燃煤高10%～15%，因此，能源结构优化对能源利用效率的提升不是特别明显，但能源结构优化对碳排放强度下降的影响是起到决定性作用的，如煤炭或天然气产生的电力被光伏、风电、水电等替代后，碳排放下降的程度相当大［15］。

表2 广东省近年能源消费结构变化情况

2.2 三次产业结构调整及各产业能源利用效率贡献

所有节能降耗措施都是直接或间接影响产业结构或各产业的能耗水平，进而影响总能耗水平的变动，因此，借鉴李中杰等［16］的研究，着眼于对产业结构调整以及各产业能源利用效率变化对总能耗水平影响的分析，采用结构分解法（SDA）分析产业结构以及各产业能源利用效率变化对总能耗水的平影响。可以根据三次产业结构对能耗分解，分解方法如下：

式（1）中：e为总能耗水平；Ei为第i次产业能源消费增加量；Gi为第i次产业增加值；ei为第i次产业的单位增加值能耗；为第i次产业增加值占GDP 的比例。即总能耗水平可以视为以各产业在生产总值中所占比例为权重的各产业单位产值能耗之和。

假设以0 为基期，t为报告期，则总能耗水平的变化可以进一步分解为结构份额R和效率份额E。分解方法如下：

按照先数量再质量的分解步骤，首先固定各产业能耗水平不变，总能耗变动的结构份额R为：

若报告期为1 年，则结构份额可写为：

然后在产业结构已经变化的基础上，求得总能耗的效率份额E为：

若报告期为1 年，则效率份额可写为：

结构份额与效率份额分别表示了从基期以来产业结构变化和各产业能源利用效率提高对总能耗变化的影响。结构份额代表产业结构变化引起的能耗变化量，结构份额大于零说明产业结构的变动拉高了地区能耗水平，结构份额小于零说明产业结构变动使地区能耗强度有所下降；效率份额代表各产业能源利用效率变化引起的能耗变化量，其影响与结构份额同理。

从以上分析可知，一个地区的总能耗水平受产业结构和各产业能源利用效率的影响，由产业结构比重和各产业的能源利用效率这两个指标决定。具体到某一产业，其能耗只取决于该产业能源利用技术的高低及该产业产品能耗，但各个产业的能耗差异较大，若能耗低于平均水平的产业比重提高，或能耗高于平均水平的产业比重降低，则可以带动总能耗水平和碳排放水平的双双下降，对地区的能源强度和碳排放强度影响很大。

2.3 第二产业内部优化贡献

广东省第二产业增加值能耗从2010 年的0.706 2 tce/万元（2010 年可比价，下同）下降到2018 年的0.551 5 tce/万元，传统六大高耗能行业、造纸和纸制品业、纺织业等8 个耗能较高的行业（以下简称“八大行业”）的增加值能耗由2010 年的1.966 0 tce/万元变为2018 的1.907 6 tce/万元，近9 年中虽然有升有降，但是总体仍回到2010 年水平；2010 年到2019 年，八大行业增加值占广东省工业增加值的比重也从2010 年的25.6%下降到2019 年的18%。但在能耗量方面，八大行业占广东省工业能耗的比重自2010 年以来一直保持65%以上，占比基本没有变化，其单位增加值能耗在近5 年对广东省第二产业增加值能耗的下降有负面影响（见图3）。

图3 广东省八大行业单位增加值能耗变化情况

2010—2018 年，广东省食品制造业、医药行业、通用设备制造业、专用设备制造业、电气机械和器材制造业、计算机通信制造业等较低能耗行业（以下简称“六大行业”）的增加值占全省第二产业增加值的比重总体不断上升，但单位增加值能耗持续下降，因此，广东省第二产业增加值能耗下降主要是由非高耗能行业拉动，且其拉动效果明显大于高耗能行业的负面影响，主要原因是广东省新兴产业和先进制造业快速发展，其附加值较高，能源强度较低。可见，第二产业偏重，则地区能源消费强度和碳排放强度都较大；第二产业偏轻且高科技产业占比较大，则地区的能源消费强度和碳排放强度都明显降低。

图4 广东省六大行业单位增加值能耗及增加值占第二产业比重

2.4 新兴能源产业发展贡献

截止到2019 年年底，广东省可再生能源发电装机达到29 720 MW，约占省内电力装机（1.29 亿kW）总量的23.0%，其中水电（含抽水蓄能）装机1 654 万kW、风电装机449 万kW、光伏发电装机610 万kW、生物质发电装机236 万kW。在核电领域，广东省拥有在运核电机组14 台，装机容量为1 614 万kW，约占全省统调装机的12.3%；全省水电发电量为312.63 亿kW·h，风电发电量为70.98亿kW·h，光伏发电量为54.96 亿kW·h，生物质能电力为120.00 亿kW·h，可再生能源电力消纳量为2 518.81 亿kW·h，占全社会用电量的比重为37.62%。广东省碳排放强度处在全国第二低位（仅高于北京市），重要的原因之一就是新兴能源发展迅速且规模较大。因此，无碳排放的新兴能源产业发展和技术进步是推动广东省碳排放强度不断下降的重要抓手。

3 “十四五”时期广东省能源强度降低的科技路径

3.1 工业行业内部科技路径

2019 年，广东省炼油、化工、钢铁、造纸、建材、有色、纺织等7 个重点行业的能源消费量为1.03亿tce，根据这几个行业在“十三五”期末的产能产量、装备技术及能耗指标水平，借鉴原毅军等［17］的方法，通过对标行业先进水平，分析节能技术措施，估算各行业“十四五”时期节能量。具体分析如下：

（1）炼油和化工行业。通过运用余热余压深度回收利用技术，推进低品质热源的回收利用，推广优化换热流程等节能改造，预测现有存量产能原油加工单耗可下降5%，乙烯单耗可下降8%，其他产品单耗下降3%～8%，存量企业的产品单耗下降可实现节能量150 万tce。

（2）钢铁行业。淘汰低于50 万t 产能的小型钢铁企业约12 家，产能合计500 万t，可节能约52万tce；通过实施采用高炉煤气余压透平发电装置（TRT）、煤气回收、低温烟气利用等措施，其他存量产能可节能128 万tce，合计节能量为180 万tce。

（3）建材行业。水泥和玻璃行业单耗通过技术改造分别达到目前行业先进值，预计目前存量产能节能空间为74 万tce；陶瓷行业“煤改气”关停120 条生产线，加上其他存量产能通过技术改造，预计可实现节能126 万tce。建材行业合计节能量200 万tce。

（4）纺织行业。通过推广低浴比染色、针织物连续生产、涂料染色等节能技术，预测存量企业可实现节能量为10 万tce。

（5）有色行业。广东省有色行业主要集中铝加工业、铜加工业和铅锌业等，其中铝加工业和铜加工业的节能潜力约为3%，铅锌行业节能潜力约为10%，预计全省有色行业存量企业的节能量为4.5 万tce。

（6）造纸行业。预计通过关停淘汰造纸产能约159 万t，腾出能耗空间约83 万tce，其他存量企业通过节能技改预计可实现节能量为16 万tce，合计节能量99 万tce。

广东省上述行业“十四五”期间淘汰落后产能和存量技改的节能空间为600 万tce，加上其他制造业节能技改的节能量，预计工业重点行业总节能量为900 万tce。

3.2 新兴能源科技创新路径

新兴能源产业的科技进步可以提高科学用能水平、降低用能成本，进而降低单位GDP 能耗［18］。为提高新能源大规模利用背景下的能源利用效率，广东省目前应重点强化创新的能源产业技术包括：

（1）绿色能源关键技术路径。1）海上风电方面，一是重点发展低风速、大容量、抗台风、防盐雾风电机组技术攻关，加强风机主轴承国产化研究，提升风机叶型工艺设计、碳纤维材料制造能力，推进风电机组一体化集成设计、深远海远距离输电技术、漂浮式等新型风机基础等领域研发和示范；二是强化海上风场智慧化控制与运维软硬件技术、海上风电机组健康度评估与寿命预测技术的国产化研发。2）太阳能方面，一是开展高效率晶体硅电池原材料、装备和工艺研发，提升HJT 和TopCon 电池的转换效率，降低生产成本；二是突破高效率、大面积碲化镉光伏电池关键设备和工艺技术，实现大面积沉积设备的国产化，超过2m2的光伏组件效率超过18.5%［19］；三是突破大面积高效率柔性钙钛矿光伏组件的关键产业化技术，为实现柔性钙钛矿太阳电池的产业化解决其关键产业化技术问题；四是加强晶硅/钙钛矿叠层电池制备技术研发，在新型晶体硅电池领域全球范围内占据技术高点。3）先进核能方面，充分发挥核能利用与核电规模化发展优势，重点在基础性材料和事故容错燃料(ATF)技术研究、先进反应堆设计和关键设备研发、能量转换技术研发、智能化技术研发、多用途及定制化反应堆技术研发和废物最小化技术研究等实现技术突破。4）氢能方面，一是开展低温和高温燃料电池电堆、关键材料、零部件和系统集成攻关，加快新一代碳板、金属板氢燃料电池电堆、膜电极、催化剂和碳纸、高压储罐等技术研发［20］；二是突破PEM 电解水制氢和太阳能光解水制氢低成本、高效催化剂设计与合成技术，进一步提高储氢罐的储氢压力、储氢质量密度，改进储罐材质，向氢默化、低成本、质量稳定的方向发展。5）地热能方面，重点要加强中高温地热资源（水热、干热）勘查技术及梯级综合利用技术的攻关，支持地球物理探查技术、地热钻探技术、地热发电、地热制冷、供暖等装备研发，重点攻关中低温地热热伏发电颠覆技术、磁悬浮发电变个性技术和深部地热原位发电探索性技术。6）海洋能方面，一是开展百千瓦级无人值守型波浪能液压转换及其控制系统关键技术研究；二是研究大功率波浪能量转换系统及电力系统设计方法；三是研究波浪能最大波能跟踪控制技术、负载匹配技术，研究液压发电系统特性及其自治控制技术；四是研制应用在海洋环境下的能量转换系统关键设备，特别是工作在浪溅区的高频运动液压缸；五是建成百千瓦级波浪能液压转换及其控制系统并开展试验研究。

（2）新能源大规模并网支撑技术路径。1）新能源间歇性、波动性的固有缺陷易造成电网潮流波动、过载，电压、频率控制困难，输配电系统需要较高的备用容量等，致使输配电成本高居不下，因此建议加强抗扰性、抗波动电力电子变换装备和智慧电网调控技术的研发，突破技术瓶颈，减轻电网冲击，提高输配电效率，降低输配电成本［21］。2）优化粤港澳大湾区外环主干网架，“六分区”架构互联互备；完善智能电网基础设施网络，为城市级能源互联网提供支撑；源网荷侧部署新型储能，推动需求侧资源发挥重要作用；能源互联网向城市级发展，奠定大范围能源配置能力和条件。3）储能用于平衡发电侧和用电侧，是可再生能源大规模并网不可忽缺的协同设施，必需研发可靠性高、低成本的实用储能系统。目前在化学储能领域，大功率锂电池储能系统成本降低到了一个可能接受的区间，技术相对成熟；大容量全钒液流储能电池具备成本和使用寿命优势，储能效率为75%～85%；铁-铬液流电池使用寿命长、安全，成本接近抽水蓄能。在物理储能领域，重力储能系统输出功率最大可以达到20 MW，转化效率为80%～90%，且20 年不会降低存储容量和功率［22］。利用废弃矿洞储存压缩空气是压缩空气储能领域最新的发展趋势，储能效率有望突破70%～80%低效率区间［23］。利用熔融盐作为传热介质的热储能发电储能技术具备经济性，综合利用效率应不低于75%。大规模蓄冷、集中供冷以及相变储能也是适合当地经济的蓄能路径。建议加强储能工程技术研究，找出适合广东省经济高效的最佳储能路径。

（3）智慧能源技术支撑路径。当前粤港澳大湾区地市的能源强度数倍高出东京、旧金山和纽约大湾区，调整产业结构是长期努力方向，而能源消费侧用电效率优化可快速形成节能减排成效，对冲新能源使用的成本上升。主要路径包括：一是加强多能流智能传感、监测、智能终端管控设备、智能用电装备、用户侧能源优化、分布式能源智慧调度等技术研发；二是研发能源操作系统，打破国外技术垄断，实现能源大数据获取、能源终端智慧化控制，全方位提升综合能源利用效率、实现节能减排。

（4）强化CO2综合利用技术研发路径。目前捕集、利用与封存CO2技术是最主要、最直接的减排策略，但面临技术与成本问题，如目前应用最广的乙醇胺化学吸收捕集法，存在能耗、成本高的难题；将CO2大规模转化可用资源存在经济效益差的难题，如CO2制备甲醇、乙烯、聚碳酸酯等；以及CO2封存成本高、泄露风险大、封存地点选择难等问题。这些问题均需科技创新来克服，主要路径包括：一是加强低成本CO2高效捕集技术研究，如膜分离相关技术等；二是加强CO2各种资源化路径的研究，突破大规模CO2资源化的技术路经，如CO2和天然气在高效催化下制备氢气和CO；三是研发新型高催化率和低成本的合成尿素、聚碳酸酯、碳酸二甲酯、三嗪醇等大宗精细化学品，以及CO2矿化钾长石、CO2矿化磷石膏肥料等，实现有经济效益的CO2减排生产。

4 结论

“十三五”期间，广东省在节能减排方面取得较好的成绩，然而距离实现碳达峰、碳中和的目标还有很大差距。为“十四五”时期降低广东省能源强度提供可行路径，助推重点领域节能的技术创新发展，本研究在分析广东省能源利用情况的基础上，基于广东省能源强度下降潜力的分析，从工业行业内部节能技术以及新兴能源行业技术进步两个方面确定广东省实现能源强度降低的科技路径。其中：在工业行业内部的节能技术路径上，针对工业行业内部的高耗能行业，淘汰落后产能并推动装备技术的节能技术创新和存量技术改造，实现对工业行业结构的调整，提升总能源利用效率，创造大量节能量进而降低能源强度，实现减排与降碳的协同效应；在新兴能源行业的技术进步路径上，强化新能源发电和智慧用能领域的关键技术创新，进而降低建设成本和输配电成本，同时发展CO2综合利用技术，以有效降低能源强度和碳排放强度，提高对清洁能源的消纳水平，适应清洁能源发展壮大要求。

本研究通过相关理论和数据分析得到两种可行的能源强度降低科技路径，进一步的研究可针对区域节能对全省能耗强度下降的影响展开。

注释:

1）数据来源于2020 年广东省能源局委托研究课题“广东省‘十四五’节能潜力分析与实现路径”的研究。以下其他未加以特别说明来源的数据信息同。