天津电能替代潜力研究

◎文/荣 斌 王 燕

电力是关系国计民生的基础产业，电力供应和安全事关国家安全战略。电能替代主要包括三种形式：一是消费端电能替代，包括在城市集中供暖、工商业等重点领域实施的以电代煤和在城市交通、农业灌溉等领域的以电代油等。二是生产端电能替代，主要是以风电、光伏为代表的清洁电力替代传统化石能源发电。三是运输端电能替代，主要是把西部、北部的清洁电力远距离、大规模输送到东中部地区，以输电替代输煤。

加快清洁发展、应对气候变化、推动能源转型是各国共识。扎实推进“两个替代、一个提高、一个回归”，即以太阳能、风能、水能等清洁能源替代化石能源，以电能替代煤、油、气，大幅提高电气化水平，让化石能源回归工业原料和材料的基本属性，是解决可持续发展中能源和环境问题的现实需要。从世界范围来看，电力能源发展呈现以下特点：

一是电力生产持续增长，中国电力发展尤为明显。1991—2021年世界发电量以年均2.9%的速度增长，特别是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，世界各国累计发电量28466.29太瓦时，发电量排名前五的国家中，中国的发电量年均增速明显高于世界平均水平（见表1）。

表1 1991—2021年全世界及主要发电国家电力生产情况

二是电源结构仍以火电为主，新能源发电增长迅速。1991—2021年间，世界电力生产中火电占比保持在六成左右。其中，石油发电和核电占比明显下滑，煤炭发电和水电占比稳中有降，天然气发电占比稳步提高，风电、光伏等新能源发电占比从1.6%提高到2021年的13.7%（见表2）。

表2 1991—2021年全世界电力生产源占比情况（%）

三是电能在终端领域持续渗透，中国与发达国家电气化差距逐渐缩小。电能占终端能源消费比重是衡量电气化程度（即经济社会对电能的依赖程度）的重要指标之一，根据国际能源署发布的《世界能源展望2022》，世界终端能源消费中电力比重从2010年的16.7%提高到2020年的19.7%，并预计在2030年和2050年分别达到22.1%和27.8%。中电联发布的《中国电气化年度发展报告2021》表明，日本、美国和法国稳居电气化中期高级阶段，德国、英国已进入电气化中期高级阶段，中国电气化发展总体处于中期中级阶段，并预计在2030年稳居中期高级阶段，支撑实现碳达峰。

中国虽然已经成为电力生产与消费第一大国、风电和光伏发电装机第一大国，但人均水平皆明显低于发达国家。由此，我国《电力发展“十三五”规划》制定“实施电能替代，优化能源消费结构”重点任务；
2016年国家发展改革委等部门联合印发《关于推进电能替代的指导意见》，2022年印发《关于进一步推进电能替代的指导意见》，明确提出“到2025年电能占终端能源消费比重达到30%左右”的目标，全面推进终端用能绿色低碳转型。

与传统能源相比，电能替代能够充分利用电能的清洁、安全、高效、便捷优势，优化能源结构和电源结构，进而提升能源利用效率和区域间的资源优化配置。“十三五”以来，面对大气污染防治要求持续加码、生态与环保刚性约束不断趋紧的现实，天津加快构建清洁低碳、安全高效的现代电力工业体系，有效支撑了全市经济社会发展需要。

（一）电力供应能力不断提升，结构更加清洁化

2016—2021年，全市电源、电网发展规模持续扩大，发电设备装机容量增至2058.03万千瓦，年均增长6.4%；
总发电量增至799.73亿千瓦时，年均增长3.7%。同时，随着风能、光伏、生物质发电项目建设有序推进，全市可再生能源电力（包括风电、光伏发电、生物质发电、水电）装机占总装机容量的比重达到17.2%，累计提高13.3个百分点。

（二）终端用能电气化态势逐渐显现

天津因地制宜，在居民采暖、生产制造、交通运输等多个重点领域推广用电项目。2021年，全市终端用电量为987.76亿千瓦时，自“十三五”以来年均增长3.5%，用电增速快于能源消费增速3.7个百分点；
产业用电结构更趋均衡，第三产业和城乡居民用电占全社会用电比重分别达到21.5%和13.6%，累计提高了3.9个和2.7个百分点。

（三）运输侧智能电网建设取得积极进展

“电从远方来，来是清洁电”，基于能源禀赋需求与供给逆向分布特点，跨区域输配电合作能够促进清洁能源的统筹规划和消纳。天津电网“十三五”期间累计完成投资456.97亿元，地区最大用电负荷增至2022年的1771万千瓦，年均增长4.2%。天津建成锡盟—天津南—山东、蒙西—天津南两条特高压交流受电通道及海河特高压站，并与新疆、山西、甘肃、宁夏、青海等省市加强能源合作，2021年净流入电量为205.86亿千瓦时，比2015年增长30.6%，占全市总用电量的比重为20.1%，累计提高1.5个百分点。

（四）电能替代与节能减排同步推进

电能替代在提高能源利用效率、控制煤炭消费、防范化解煤电产能过剩风险、减少大气污染等方面发挥着重要作用。

“十三五”期间，电力行业加大机组节能改造力度，不达标的30万千瓦及以下煤电机组已全部淘汰，全部煤电机组（含自备）实现了超低排放，煤电机组平均供电煤耗由313.2克标准煤/千瓦时下降到295.4克标准煤/千瓦时。2021年，全市煤炭消费量降至3723.27万吨，六年间累计减煤815.56万吨，大气中二氧化硫、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）年均浓度分别下降72.4%、40.5%和44.3%，单位GDP电耗累计下降5.7%。

电能替代主要受经济发展阶段、地区人口变化、能源利用技术、能源禀赋等诸多因素影响。具体来说，经济越发达，电能替代其他能源的形式越多样，电能替代技术的应用范围越广泛，电能替代成效越明显，地区电气化水平越高。同时，能源政策也在一定程度上决定了终端能源消费结构。

（一）电力供应能力持续增强，但生产端电能清洁替代瓶颈明显

“十三五”期间，东部10个省市（包括北京、天津、河北、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东、海南）发电装机容量年均增速在2.6%～11.7%之间，电力供应能力逐年提高。其中，天津发电装机容量年均增长7.7%，增速高于全国平均水平0.1个百分点，在10个地区中排名第6。同时，各地区电力企业深挖机组运行潜力，6000千瓦及以上电厂发电煤耗减少幅度在0.6克/千瓦时～26.6克/千瓦时之间，电力生产更加高效。其中，2020年天津发电煤耗降至260.9克/千瓦时，比全国平均水平低26.3克/千瓦时，减少幅度在10个地区中排名第2。

从电源结构看：2020年，全国火电装机占全部装机的比重为56.6%，五年累计下降9.3个百分点，10个省市中仅海南、福建和河北的火电装机占比低于全国平均水平。其中，天津的火电占比为87.0%，仅好于上海 （91.8%）， 次 于 北 京（86.3%）。同时，受全社会用电增速放缓、发电装机增速高于用电增速等因素影响，2020年全国6000千瓦及以上电厂发电设备平均利用小时为3756小时，“十三五”期间减少232小时。东部10个省市中，包括天津在内的5个地区发电设备平均利用小时数低于全国平均水平，包括天津在内的7个地区发电设备平均利用小时数降幅高于全国平均水平，传统能源产能结构性过剩问题明显。

（二）电力消费呈现南北分化，消费端电能替代进程趋缓

电能替代成效可通过“电能占终端能源消费比重”指标来反映，但由于数据的可获得性，用“用电增速-能耗增速”指标来反映电能是否在消费环节替代其他能源。如果“用电增速-能耗增速”大于0，意味着用电增速超过其他主要能源品种（如煤品燃料、油品燃料、天然气等）消费增速，电能占终端能源消费比重必然提高。如图1所示：“十三五”期间，东部10省市的用电增速（累计）在6.1%～35.9%之间，且呈现南高北低态势，其中，仅浙江的用电增速高于全国平均水平（33.8%），天津仅高于上海和北京；
10省市的“用电增速-能耗增速”（累计）在4.5%～18.3%之间，表明电能不同程度地替代了其他能源品种，但均低于全国平均水平（19.0%）。

图1 10省市电力消费与全社会能耗累计增速情况（%）

地区经济发达程度与本地电气化相关性较强。如图2所示：作为经济较发达区域，东部10省市中有7个地区人均用电量高于全国平均水平；
“十三五”期间，10省市人均用电量不同程度提高，累计增速在5.1%～25.7%之间，但都低于全国平均增速（30.8%）；
人均用电量增速与城镇化提高率的相关性较强（相关系数为0.72），即人均用电量增长较快的地区，城镇化率提高得也较多。例如，河北、江苏、浙江、福建和海南的人均用电量累计增速均在20%以上，城镇化率均提高了5个百分点以上。与之相反，北京、天津、上海的城镇化率均在80%以上，明显高于全国平均水平，“十三五”期间仅提高了0.8个、1.8个和0.8个百分点，人均用电量累计分别增长11.2%、18.2%和5.1%，明显低于全国平均增速，电能替代潜力相对较小。

图2 10省市人均用电量和城镇化率变动情况（%）

（三）减煤替代政策持续发力，运输端的跨区域电力输入有较大发展空间

表3 2020年东部10个省市用电情况

东部地区特别是京津冀、山东、江苏、浙江、广东等省市是煤炭减量替代工作的重点区域。同时，我国水电资源主要集中在西南地区，风能资源主要集中在东北和西北地区，太阳能资源主要集中在西北、西南等高原、少雨干燥地区，东部大部分省市发展可再生电力不具备明显优势。以天津为例，2020年陆地70米高度层年平均风功率密度（风功率密度是指与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，等级越高反映风能资源越丰富）偏小面积占比为82.5%，附近渤海海峡70米高度层年平均风功率密度偏小面积占比为96.8%，全年日照时数为中等类型地区，在来水、来风和光照条件并不优越的情况下，运输端的跨区域电力输入尤为重要。

2020年，东部10省市的电力产出占全国总产出的36.4%，电力消费占全国总消费量的46.0%，尚有超过7400亿千瓦时电力消耗由其他地区供应。如表2所示：只有福建为电力净流入，其他9个地区均不同程度地需要外省市输入电力满足本地需要。其中，北京的外省市净调入电量占本地区总用电量的60.0%，电力的对外依存度最高；
天津的电力净流入量为199.07亿千瓦时，占全市用电量的20.5%，低于北京、上海、浙江和广东。

电能占终端能源消费比重是衡量一个国家或地区终端能源消费结构和电气化程度的重要指标。比重提高，说明电能在终端能源消费环节替代了其他能源品种；
比重保持不变或者下降，即使电力消费总量增长，也不能说明电能替代了其他能源品种。本文以2014—2021年天津电能占终端能源消费比重数 据 为 时 间 序 列x（0）={x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）}，构建GM（1，1）灰色预测模型进行预测。相应的微分方程和预测模型公式为：

对预测模型公式x（1））（t）进行累减，生成电能占终端能源消费比重x（0）的预测值，如图3所示。经检验，预测模型的相对残差均值为0.01，关联度为0.71，方差比C为0.32，小误差概率P为1，模型拟合等级为好。

图3 天津全社会电能占终端能源消费比重预测（%）

根据预测结果，天津电能占终端能源消费比重预计稳步提高，并于2025年达到39.7%。以当前电气化发展进度，有望顺利实现全市能源发展规划中“到2025年电能占终端能源消费比重达到38%”的目标。

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