能源结构转型背景下的电能替代发展路径探索

屈博，刘畅，卜凡鹏，李德智

（中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

自工业革命以来，全球温度持续上升，近年来温升记录不断被刷新，引发了一系列极端气候事件，气候变化的影响日渐深重。在此背景下，我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求，在第七十五届联合国大会上宣布，中国将采取更加有力的政策和措施，力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。随着可再生能源不纳入能源总量、碳双控要求以及市场化电价等多种政策出台，能源消费的绿色低碳转型迫在眉睫，需要加大终端能源脱碳，实施清洁替代和电能替代，契合国家能源考核转型方向。我国2020年能源活动碳排放占总排放的88%，是碳排放的主要来源。在双碳目标下，能源活动碳减排主要通过源侧清洁替代（清洁能源发电替代传统火力发电）、终端用能领域电能替代来完成，即能源清洁化、用能电气化。因此，电能替代是实现能源转型和双碳目标的必由之路。

本文首先梳理了在双碳目标引领下我国能源结构转型特征，其次通过深入分析推进电能替代所面临的问题，提出了电能替代的整体发展路径，总结并提炼了电能替代中的关键技术，最后对电能替代未来发展路径提出了具体的建议与展望。

1 能源结构转型特征

在双碳目标下，电能将成为最主要的终端能源消费品种，电能占终端能源消费的比重将从当前的27%提高到2060年的70%左右。中国能源统计年鉴、国际能源署在《中国能源体系碳中和路线图》《中国能源电力发展展望》中发布的数据显示，预计2060年，我国用电量将从7.5万亿kWh提升到约16万亿kWh［1］。其中，电能的增长主要来自于电能替代，深度脱碳空间等量的电能替代空间为11.3万亿kWh，未来各领域内电能替代任务艰巨、需求巨大。如图1所示，未来电能消费的拓展空间主要集中在工业、生活消费、交通运输、仓储和邮政业。

随着碳达峰、碳中和进程加快，能源的生产、消费和利用形成新的变革，表现出能源生产加速清洁化、能源消费高度电气化和能源利用日益高效化的显著特征，这是电能替代发展路径的基本遵循。能源生产加速清洁化是指实现双碳目标最重要的路径是使用可再生能源，减少碳排放，到2060年非化石能源消费占比要达到80%以上［2］，也即改变我国现有的能源结构，如图2所示；能源消费高度电气化是指能源深度脱碳带来社会生产生活用能方式转变，终端用能方式向电气化、高效化、互动化发展，电能成为能源主体平台，责任加重；能源利用日益高效化是指网络资源及模式匹配的改变，以电为枢纽的能源资源配置方式的改变带来能源能效的提升。

图2 我国能源结构Fig.2 China’s energy structure

我国下发了多个相关政策推动电能替代的有序、清洁、高质量转型发展：①中央经济工作会议提出了新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，并明确了能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的新双控目标。碳排放“双控”更具鲜明的降碳导向，且不会约束经济增长对用能的需求，有利于扩大可再生能源利用规模。电能是可再生能源的最优表现形式，因此新双控导向将助推用能侧的再电气化和电能替代进程。②国家发展和改革委员会《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》要求对月、周中长期成交价格上下浮动范围由10%调整为20%，放开一般工商业用户目录电价，调动发电积极性，推动电力资源优化配置。③国家发展和改革委员会、国家能源局批复《绿色电力交易试点工作方案》，试点开展绿电交易，推动能源清洁低碳转型和产业升级，并为促进电-碳市场协调发展发挥重要作用，助力实现双碳目标［1］。

随着我国能源形态革命不断深入推进，电能替代作为其中的重要组成部分，其发展路径也亟待研究。

2 电能替代发展路径

2.1 推进电能替代的必要性及所面临的问题

2.1.1 电能供应及清洁化需求

电能替代将带动用电需求不断增加，需要从根本上解决“电从哪里来”的问题。碳排放约束下，清洁化是电能替代的根本目标，电能增量应以清洁可再生能源为主，电能替代与清洁能源必须协同发展，两者是相辅相成、相互促进的关系。未来电能替代须统筹协调、有序推进，优先发展降碳效果显著的技术，如电动汽车、热泵等［3］，才能保障替代过程的减碳成效。同时，在保障电力系统安全运行、能源电力可靠供应的前提下，坚定不移地大力发展清洁能源发电。

2.1.2 经济性提升需求

电能替代初投资建设经济性较低，项目的经济性普遍较差，用户接受意愿低，因此现有电能替代政策以初投资阶段补贴为主。与此同时，项目运营成本也相对偏高，热泵、电动汽车、冷链物流等电能替代项目运营经济性良好，电采暖等其他项目运营成本偏高，导致用户改而未用、基本不用问题突出。此外，推行电能替代会导致配套电网投资增加，电能替代项目配套电网投资和运维成本难以通过增售电量回收，电网投资代价大。因此，我国亟需加快建设电-碳协同市场，将碳排放纳入企业经营成本。随着“能源双控”向“碳双控”政策过渡，电能替代将在减排和降低成本方面发挥综合优势，促进电能替代全面实施。

2.1.3 电力系统平衡挑战

电能替代下负荷创新高将成常态。双碳目标推动清洁能源成为主力电源，水、火等常规能源发挥系统调节作用，但是由于新能源出力的随机波动性，以及水资源的季节性，将导致电力系统平衡失调，电能替代负荷增高将进一步加剧供需平衡难度。因此，需要大力提升系统调节能力，增强电能替代资源/设备的灵活性，提高源-网-荷-储协同互动水平，加快构建新型电力系统。

2.1.4 社会用能效率偏低

2020年，我国单位GDP能耗是全球平均水平的1.7倍，是经济合作与发展组织（organization for economic cooperation and development，OECD）国家平均水平的2.9倍，主要是由高耗能行业能源消费占比高、用能方式粗放、节能意识薄弱造成的。“十四五”期间，单位GDP能耗降幅每扩大1个百分点，每年可减少能源消耗0.5亿tce以上，相应减少CO2碳排放1亿t以上。在推进双碳目标的大趋势下，需要进一步强化节能，把节约用能、提高能效贯穿到经济社会发展的全过程。

2.2 电能替代整体发展路径

电能替代发展须破解技术、经济、机制和理念等方面的制约，以技术进步推动变革，科学实现经济最优，改革优化政策机制，塑造全民节能意识，实现终端用能清洁化、低碳化，持续推进电能高质量替代［4］。电能替代整体发展路径如图3所示。

图3 电能替代整体发展路径Fig.3 Overall development path of electricenergy substitution

在电能替代发展路径中，需重点考虑工业、建筑、交通、农业和居民5个主要领域。

工业是碳排放的重要领域，约占能源活动碳排放的70%。在世界范围内，工业热能占工业能源需求的2/3和总能源消耗的近1/5。工业领域电气化改造以制热技术为主，鼓励以高温蒸汽热泵、电弧炉、氢冶金等低碳能源技术替代工艺流程各环节用能；在能源替代方面用电能替代柴油、煤炭、天然气等，来提供动力来源、热力来源；在工艺改造方面，如生产过程中用氢（电制氢）替代焦炭充当还原剂等。

在建筑领域，当前电气化率为48%，但人均用电量距发达国家有明显差距，随着生活水平提高，生活热水、供暖以及炊事系统的电能替代技术不断渗透，电气化水平将逐步提高。在建筑“施工阶段”，引入电气化建筑设施，在建筑工地推广电动鼓风机、电动空压机、电动挖掘机、电液锤、电动破碎机、电叉车等，推进电动设施在建筑工地的普及应用。在建筑“运营阶段”，重点开展电制冷/热、电气化炊事等方面工作，一方面引入电制冷/热技术，加快优化建筑用能结构，推广光伏发电与建筑一体化应用，推进热电联产集中供暖，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑；另一方面，引入电气化炊事，推动全电气化厨房建设，加快微波炉、高压锅、电磁炉、电饭煲等现代电气化炊具的普及利用。

交通运输行业是全球第三大温室气体排放源，运输电动化是实现各国气候目标和确保地球世代宜居的关键途径，交通部门是电气化增长速度最快的部门。在道路交通方面，大力推广新能源汽车，逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比，同时，加快氢燃料电池的推广应用；在轨道交通方面，持续推进铁路电气化，推广厂区内轨道电动机车实现“油改电”；在水路交通方面，加快老旧船舶更新改造，发展电动、液化天然气动力船舶，深入推进船舶靠港使用岸电，加快燃料电池在船舶推进系统中的应用；在航空方面，发展新能源航空器，包括电动航空器、燃料电池航空器等。在此基础上，也应有序推进电气化交通基础配套设施建设，例如：充电桩、配套电网、加气站、加氢站等设施建设。

农业生产领域要发展电能替代，就需要寻求技术瓶颈的突破，加快生物质能、太阳能等可再生能源在农业生产和农村生活中的应用，大幅提升一次能源消费中电气化率。农业农村电气化水平的提升将加速农业生产力的释放，提升农业的数字化和智能化水平，对于促进共同富裕、破解不平衡不充分的发展矛盾具有显著的驱动作用。在农业种植方面，可以推广电动农用车辆等，引入电排灌、电保温、电动喷淋、电动种植施肥机械、电动收割机等技术；在农产品加工方面，可以推广节能环保的加工工具，突破电补光、冷链物流等；在牲畜饲养方面，可以突破电动喂食、电制氧、电孵化、电加热育苗等技术；在水产养殖方面，可以推广渔光互补、电动渔船等，提升养殖效率。

在居民用电领域，虽然居民用电占全社会总用电量的比例不到20%，但用电人数占比却超过80%，仅考虑衣食住及服务（不含交通），居民家庭年碳排放量约为18.1亿t。随着智能设备的发展，未来家庭的电气化水平将快速增长。通过居民用电量的小幅增长，驱动碳排放的大量降低，这对于促进高质量发展具有重要意义。

3 电能替代关键技术

目前，电能替代关键技术类型主要有3种：材料技术、能源转换技术、能源供给及存储技术，如表1所示。

表1 电能替代关键技术Table 1 Key technologies for electricity substitution

3.1 材料技术

随着科技进步，大量新型材料不断涌现，如纳米稀土电热材料、石墨烯蓄冷蓄热材料、熔融盐相变储热材料、钙钛矿电池材料等，这将进一步催生电能替代新产品、新设备的出现。

纳米稀土电热材料电热元件体积小、厚度薄，材料功率密度均匀，可将热量精准地布置于系统内；基底材质可选，便于适应不同应用场景，热质比极低；加热/变冷反应速度快，便于精准控温。核心加热部件电热转化率高达99.06%。

石墨烯蓄冷蓄热材料以聚合物高分子材料为基体，运用熔融插层技术，使石墨及石墨烯在聚合物中形成导热网络，具有传热性能更优、效率更高、可靠性更强等优势，可广泛应用于蓄冷蓄热设备研制等领域。

熔融盐相变储热材料具有潜热大、储热范围广（290—590℃）、储能密度高、过冷度小、热稳定性好、成本低等优点，可广泛应用于太阳能热利用的储热介质，在建筑供暖、谷电制热、风电消纳等方面都具有一定的应用前景。

钙钛矿型太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。不仅转换效率有明显优势，且制作工艺也相对简单。

3.2 能源转换技术

能源转换技术主要是指电能与冷、热间转换技术。

（1）高温蒸汽热泵技术。据统计，截止到2019年底，全国35蒸t及以下燃煤锅炉共有6 300台，总容量合计44 250蒸t，折合功率31 GW。目前常规热泵已在建筑供暖领域广泛应用，工业领域高温热源目前多由燃煤锅炉制取，亟需研发面向高温工质和高倍压蒸汽的热泵系统。

（2）电磁加热技术。电磁加热热转化率最高可达95%。目前电磁加热技术在民用领域应用成熟，在工业领域应用较少。工业电磁技术适用于塑机械加热、木材、建筑、食品、医疗、化工等，用于表面热处理及焊接等工艺。

（3）太阳能光伏/热（PV/T）技术。该技术是将光伏和光热结合在一起，可实现较高的太阳能利用率。现有PV/T集热器存在系统复杂、工质渗漏、维护难度大、初始投资大、回收期长等问题，需要优化结构，开发新型结构简单、维护方便、投资较小的PV/T集热器［5］。

（4）太阳能热泵技术。该技术是在晴朗天气时从太阳能和空气能中吸取热量，阴雨天气或夜晚利用空气能使热泵系统正常运行，将低品位热能高效地提升至高品位热能，提高太阳能对建筑供能的稳定性。太阳能热泵技术可应用于北方农村电采暖、南方电采暖等分散式供暖场景，提高清洁能源利用率。

（5）核能供暖技术。核电以及核能供热/供暖装置设计寿命长达60年，不仅可满足人们对于能源及供热的需求，而且还比其他能源减少了二氧化碳、氮氧化物、硫化物以及烟尘的排放，核设施运行期间将带来巨大的经济和社会效益。

（6）电补热技术。电补热技术是指开展“热-电”互动，利用冬季电负荷与热负荷的互补特性，释放电网存量资源供电能力，减少电能替代项目的配网投资。在连接市政一次管网和二次管网的换热站内增加电供暖设备，实现电网与热网的融合，同时减少供电企业供电备用容量占用。

3.3 能源供给及存储技术

（1）新型清洁能源发电技术。主要包括氢能、海洋能、地热能、生物能等清洁能源发电技术［6］，以及光伏、风电、核电等发电效率提升、运营成本降低技术。其中，可控核聚变技术具有资源丰富、安全环保的特点，商业推广后，将成为未来清洁发电的重要开发技术之一。

（2）绿电制氢及电氢耦合技术。根据中国氢能联盟预计，到2025年，我国氢能产业产值将达到1万亿元；到2050年，氢气需求量将接近6 000万t。绿电制氢是直接电气化的补充，弥补能源转型深度脱碳的缺失环节。随着分布式电源逐渐增多以及氢能需求的增大，开展分布式绿电制氢及综合利用研究，推动电氢耦合，可实现需求侧电氢灵活转换，促进清洁能源消纳和电能间接利用［7］。

（3）高效储能技术。国家发展和改革委员会在《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中提到，截至2025年，新型储能装机规模将达到30 GW。储能实现能量获取和利用的动态时空转移，是能源转型的关键，包含储冷、储热、储电、储氢等多种形式。通过建立集中式与分布式储能并举，利用调频调峰与削峰填谷高渗透的储能系统，提高系统调节能力。在供需不平衡的情形下，通过储能削弱风光等清洁能源波动性的影响，提供电能时空转移手段，实现新能源消纳。

4 发展与展望

在需求侧能源结构变革的推动下，电能替代是实现双碳目标的核心路径之一。电能替代发展应遵循友好、科学、经济的原则，稳妥有序、循序渐进，实现电能高质量替代。

友好原则也即针对当前荷侧无序、高碳、高耗能的发展状态与双碳指标、双控指标之间的矛盾，需要通过建立区域级的整体管控解决，实现“顶层设计、集中控制、实时统计、及时预警、提前规划、系统优化”；科学原则也即随着更高比例的新能源访问电力系统，未来出现范围更大、程度更深的缺电现象或成为常态，一方面需要提高可再生能源的利用效率，另一方面需要构建多样性的能源供给；经济原则也即在疫情防控常态化的形势下，全球经济正迎来恢复性增长趋势，用电需求将大幅提升，需要加快转变电力结构以及电力发展方式，顺应经济发展的客观要求。

在此背景下大力推动电能替代利国利民、意义重大。建议加快建设新型电力系统，推动清洁电力资源大范围优化配置，稳妥有序实施电能替代，推动电能替代设备效率提升，推进减排效果以及关键技术创新研究，积极发挥行业协会作用，促进商业模式多样化发展，健全法律法规标准，完善相关政策机制，打造清洁低碳良好生态环境。

（1）加快建设新型电力系统。大力提升电力系统综合调节能力，加快灵活调节电源建设，引导自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络、虚拟电厂等参与系统调节，建设坚强智能电网，提升电网安全保障水平。

（2）稳妥有序实施电能替代。有序推进电能替代，聚焦工业、建筑、交通、农业、居民生活等重点领域，优先推广高效电能替代技术，加快电能替代设备效率提升及减排效果优化研究，寻求电气化发展最优路径。

（3）加强关键技术创新。开展复杂大电网安全稳定运行和控制、大容量风电、高效光伏、大容量储能、低成本可再生能源制氢、低成本碳捕获利用与封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）等技术创新，加强可控核聚变等前沿颠覆性技术研究。

（4）健全法律法规标准。构建有利于绿色低碳发展的法律体系，加快节能标准更新，提高节能降碳要求。健全电能替代标准体系，加快各领域电能替代标准制定修订。

（5）完善相关政策机制。完善投资政策，充分发挥政府投资引导作用，加大对节能环保、新能源、低碳交通运输装备等项目的支持力度；积极发展绿色金融，鼓励金融机构为电气化发展提供长期稳定融资支持；推进电力市场交易机制建设，发展市场化电能替代方式。

5 结束语

碳达峰、碳中和目标下，构建清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系势在必行，电能替代作为能源清洁化利用重要形式，是终端脱碳的路径和举措之一，成为了能源消费低碳化、高效化的重要抓手。未来还需要破解技术、经济、体制等方面的问题，稳妥有序推进电能替代高质量、高效率发展，实现终端用能清洁化、低碳化，促进清洁能源消纳，提高我国电气化水平。D