您的当前位置:

【专家视线】东北限电问题的系统思考

2021-10-08 09:37:00417

据网络新闻热议,近期东北地区多个城市发布限电通知,不仅限制了工业用电,居民用电也同样受到影响。不少居民在社交平台称用电高峰期“没有通知就被突然停电”,生活和工作都受到较大影响。此后,包括辽宁、吉林、黑龙江等地均发布通知作出回应。9月26日,辽宁电力保障工作会议就指出,9月23日至25日,电力供应缺口进一步增加至严重级别。为防止全电网崩溃,东北电网调度部门依照有关预案,直接下达指令执行“电网事故拉闸限电”,用电影响范围扩大到居民和非实施有序用电措施的企业。其实从今年9月以来,已有江苏、云南、广西、浙江等10多个省份陆续启动限电措施。在更早前的夏季,包括广东、浙江在内的多个省份都有相应限电措施,但主要对象是工业用电,民用用电并无太大影响。此次东北限电潮对民用用电的影响较大,才让新闻迅速发酵。

  针对东北拉闸限电的原因,也是众说纷纭。有人认为是煤价过高,电厂出于经济性不愿意生产。由于国家政策限制了国内煤炭的产能和煤炭的进口,近几年煤价一路上涨(图1)而煤电上网电价并没有相应上涨,从而影响了煤电厂的积极性。也有人认为这并不是主要原因,是因为国内两高项目纷纷上马导致全国性用电紧张,而东北风电比例过高又加上东北近期风电发电量明显降低(图2),所最终导致。还有人认为是能源需求尤其电力需求上涨太快,而东三省均出现了用电量高增长。据中电联公布的电力运行简况,2020年1-8月全社会用电量仅同比增长0.3%,除第一产业和居民用电同比增长外,第二产业和第三产业用电均出现了同比下降;而2021年1-8月全社会用电量同比增长13.8%,各部门用电量均呈现同比的高度增长,三产用电更是同比增长21.9%,二产和工业用电同比增长仅13.1%但基数较大。关于2021年电力需求迅速增长的原因,也是观点不一。有人认为是国际疫情的原因,除我国复工复产较好之外,许多国家的制造业都受到了严重影响,导致我国制造业的出口需求增长较快。也有人认为并不是疫情的原因,而是因为国内新基建项目的全面开展,拉动了产能建设而导致电力需求快速上升。就东三省而言,依据各省和国家统计年鉴、国电投网站公布数据,2020年全年吉林、黑龙江、辽宁的用电量同比增长仅3.2%、2%(仅工业用电)和几乎为零,而2021年1-8月同比增长成了6%、8.6%(仅工业用电)和9.5%,也跟2020年形成了较大反差,体现了2021年东三省电力需求的强劲增长。

图 1 环渤海动力煤价格指数, 元/吨


 

图 2 东北地区风电发电量占工业用电比重(上图)和风电发电量(亿kWh)变化趋势(下图)

  上述这些看法和观点均有可取之处,但也限于局部视角,总体上东北限电事件背后的原因还缺乏一个系统性的阐述。就我个人的看法,东北限电是一个偶然中的必然事件,还得从能源和经济低碳转型的全局高度来理解其表象背后的根源性问题。这背后的根源性问题是长期性和全局性的,尤其其中凸显的煤炭利用问题是我国不得不长期面对的一个大矛盾焦点。该矛盾的两面在于:

  1、就现实来看,煤炭还占我国一次能源消费的50%以上,它对我们的发电、工业原料和工业民用燃料都有很重要的基础性保障作用,仍然是支撑经济发展和保障能源安全的主要支柱,其作用短期内尚难以取代。如果经济发展突然提出较大的新增能源需求,又或者一旦出现了油价气价的剧烈上涨或者中断,那我们最后的保障还在于煤炭;

  2、就长期来看,为了实现“双碳”目标,控制和减少煤炭消费又势在必行。所以,这就构成了一组矛盾。就近期而言,个人判断我国围绕煤炭的争论和行业波动还会持续进行,问题仍然会层出不穷,根源就在于:实际上,我国目前并没有足够的摆脱煤炭的能力。这个能力的缺失是全方位的,不光是技术,还包括系统、市场、政策甚至社会制度和文化,都没有为此做好足够的准备。虽然我国已经宣布了双碳目标,但其实整个社会的认识、管理和技术并没有及时跟上,这是一场极其浩大的社会系统工程。

  学者一向喜欢就事件背后的原因和道理进行探究,因为这可以解释一整片的问题并找出根本性解决方案,而不是就单个问题来论或简单头疼医头、脚疼医脚。结合我主持的清华-力拓资源能源与可持续发展联合研究中心2021年初出版的二期项目的英文著作中的研究成果,可以提供一些系统层面、战略层面的视角和启发。该书融合了清华大学能动系、核研院、电机系、人文社科学院、地学系、环境学院和车辆运载学院等7个院系的多学科视角,第一章是“全球气候变化背景下的我国能源转型战略”,其中就指出了至今还存在的一些挑战和出路,适用于加深对东北限电问题的理解。该事件背后隐含了我国能源发展中能力缺失的三个重要方面:

  (一)能源与经济发展不协调,能源供需建设屡次不匹配

  东北限电事件并非第一次出现的重大能源供需问题。过去20年(图3),我国能源供需情况始终处于能源供需建设不匹配的震荡之中。2000年后,因为能源需求超出预期,屡次突破规划值导致能源供应手忙脚乱。当时也是一轮全国性的煤电油运全面紧张,并刺激了之后能源供应产能的建设。2008年金融危机之后,不管是能源供应和需求的产能建设都有所放缓,但恢复经济的四万亿投资计划又刺激了产能建设并加剧了能源供应的产能扩张。2014年之后,出现了严重的产能过剩以及供需的震荡。到现在又再次出现了能源供应紧张、缺电限电的局面。这说明我们国家在这方面的能力上仍然有待完善,能源与经济不协调的问题依然存在。能源供应的建设节奏总是不能及时地跟上经济发展的变化,相互之间总有不协调的问题存在。

图 3 1980年-2018年我国能耗增长情况

  为了理解能源与经济的供需衔接关系,可以用我们的最新学术成果来进行解释。图4是我所指导的章景皓(Chong Chin Hao)博士的博士论文中的一张“我国嵌含能分配桑基图”,也是我们所出品的最复杂的一张能源桑基图。图的左半边是能源供应的部分,从各种的一次能源来源到转化、再到各个终端用能部门。右边我们尝试应用嵌含能的理论和方法,把一次能耗责任在经济内部的复杂投入产出关系给揭示出来,从耗能商品到最终商品、再到最终使用,联系到了驱动经济的三驾马车:本地消费、净出口和固定资本形成。这样,从图的最右边到最左边,就可以理解从经济增长到产业耗能再到一次能源需求的整个贯通过程。其中的主要特点(2015年数据,重点已圈出)包括:

  1、最右侧,无论出口(各类装备)还是固定资本形成(建筑商品),对于金属的耗能都有较大的拉动作用。可以看到驱动能耗的主要是固定资本形成,占45%的一次能耗责任。而出口快速增长也会促进固定资本形成,因为产能可能不足;

  2、向左走,可以看到整个金属生产加工的耗能责任非常突出,占1/4还要多。强劲的固定资本形成和出口都会拉动金属产量增加,从而加大能耗。例如,近年来我国钢铁产能一路上升,就可以印证这一点,而钢铁是最重要的耗能金属。金属的耗能不光会带动电力需求从而拉动对煤电的需求,同时也会引起对于原料型(焦炭)和燃料型的煤炭需求。所以钢铁等金属对煤炭的拉动作用是很强的;

  3、再向左,在电力部门仍然是主要依靠煤电,而新增的风光等可再生能源发电也需要煤电来调峰。而煤电调峰、低运行小时数的状况目前并没有足够的政策支持,会影响到电厂的积极性。如德国对于调峰电源有专门的备用市场,调峰的火电由此可以享受高电价;

  4、再到最左边,电力和燃料的需求驱动煤炭需求在增长,而我们却在采取限制煤炭生产和进口的措施,这整个构成了左侧能源供应建设和右侧经济发展需求的一组供需矛盾。

图 4 2015年我国一次能源消费责任—嵌含能分配桑基图

  看完这张图,大家应该可以理解这是个系统性的问题。一旦前面的能源的各种管控措施并没有跟后面的经济状况相协调,就会出现供需矛盾。背后也有体制上的原因,目前主管能源的部门主要关注能源安全,经济的调控是另一个部门负责,而碳排放又是一个单独的部门在管控,三个职能不同的部门间协调起来避免经济低碳转型过程中随时可能出现的能源供需震荡,难度无疑较大。

  (二)能源与基础设施不协调,灵活性能力严重不足

  低碳转型过程中,能源系统要接纳高比例的可再生能源,这对系统的灵活性要求非常高。为了保障灵活性,我们不但要有很多灵活的电源,还要有大量的储能设施以及电-热-燃料灵活转换技术,还要为此去建设和改造整个包括智能电网、智能热网和智能燃料网在内的庞大基础设施。这不光是智能化改造,也需要硬件的配套建设,背后涉及的投资动辄万亿规模。因为即使一个小小的配电网改造都需要耗费几个亿。这样的投资目前还远远没有完成,因此目前来看整个能源系统的灵活性是严重不足的,一旦出现什么状况就会出现东北限电这种电网可能崩溃的事故。以前我们的灵活性主要是依靠化石燃料尤其煤炭的灵活性、可靠性来保障的,目前化石燃料占据一次能源消费的80%以上。如果2050年,切换到80%以上的非化石能源的话,整个系统的灵活性、可靠性如何保障将是一个巨大的问题。这一切换并非能够立刻发生,也并非一帆风顺。

  如果煤炭和其他能源能够协同以利用,建设多能互补体系也许能够提供一些较低成本的过渡性解决方案。比如煤和生物质耦合发电可以为煤电站平稳过渡到碳中和甚至负碳电站提供办法,从早期低比例掺烧生物质到长期的百分之百生物质电站。欧洲已经有许多煤电站开始这样的改造,而我国的进展较为缓慢。一方面是生物质资源不足、成本过高的问题,另一方面,多能互补体系建设过程中,需要将许多目前各自核算、各自发展的行业整合在一起,这无疑具有较大难度,需要突破许多体制机制上的问题。东北的生物质资源相对是比较丰富的,生物质能源利用和发电也有较好的基础,应该在这方面加快探索。

  (三)能源与区域不协调,区域间的应急支援能力不足

  因为行政管理分割的问题,各个区域在能源供需上存在各自优化现象,很多时候并不能做到全国一盘棋的理想性优化调度。区域间的能源互通基础设施也是不足的,需要在低碳发展要求下加强建设。一旦出现紧急事件,基本以自救和已经建立的通道进行跨区域协调为主,而且也跟区域的全国位势有关。这样,在区域协调方面东北有可能处于一个被忽视的地位,也缺乏跨区域通道。图5是我们绘制的2016年各省份能源分配桑基图,可以看到东三省在右上角。其能源供需的主要特点是:除了石油产品方面和外部有较强的互通外,煤炭和电力基本是自给自足的,所以和外部的互通能力应该不足。一旦出了事故,因为跟外界的能源通路不够,容易导致应急调度能力存在限制。国家的区域战略也是以强调某片区域为主,跨大区域的大规模协调目前应该不但缺乏基础设施布局,也缺乏体制机制的保障。

图 5 2016年我国各区域能源分配桑基图

  以上指出了我国能源低碳转型过程中在能力上的三个薄弱之处,均和东北限电有着密切的关联。所以,我国为了迎接低碳转型、经济波动、能源系统灵活性不足以及区域缺乏协调等挑战,可以考虑照顾到各个区域自己的资源和经济禀赋,加快区域智慧能源系统的建设和布局。比如农业、旅游业比较丰富的偏远地区可以发展智慧农场,利用土地资源大力开发可再生能源并输出;工业和矿业比较集中的工业园区,应该把它建成智慧工业园区,在生产工业产品、循环资源和材料的同时,也要发挥工业园区稳定器的作用,因为工业能耗比较稳定可控。并且,材料的存储最为方便,相当于储存了嵌含能。这比储燃料、储热和储电(成本依次增加)的成本都要低。而人口集中、服务业发达的城镇需要实现高度电气化和能源集约利用,发展建筑和交通等需求侧调节措施。这三类区域的输出产品和能源供需有不同的特点,相互之间需要比较发达的智慧能源和交通网络来连接。这样,各类区域都可以在未来的低碳社会、美好生活中找到各自的位置并相互联系配合,达到整体最优的效果。

图 6 我国区域智慧能源系统的未来构想

  上述只是一个理想化的构想,但可能这是未来的方向,因为指出了美丽我国、低碳社会、可持续能源的未来可能图景。为了实现这个构想,其实现在的体制机制面临的挑战很大。第一,许多事情已经超出了传统的能源管辖范围,很多时候需要上升到能够统一经济、能源和减碳事务的统筹协调高度;第二,我们能源治理体系和治理能力的现代化需要加快,尤其目前垂直式、层级式、条块分割的管理,导致对地方、基层出现的一些形势变化的反应严重不足,管理僵化或过渡调节都会导致经济和行业的震荡;第三,能源市场和企业需要加快改革,很多企业已经在行动,声称要打造综合服务性能源企业。但实际上进程并没有这么理想,综合能源服务的方向肯定是正确的,但是需要一定过程和艰巨的改革;第四,因为沟通交流至关重要,而且需求巨大,所以智慧化管理信息系统的建设必须推进。

  就本文整个结论来看,东北限电事件其实是我国低碳转型过程中保经济发展、保能源安全、保减排目标的“三难”困境的一个具体体现,根源在于低碳转型所需的能力不足。如果能力建设没有及时跟上,今后这种问题还会持续出现。为了避免问题过于严重,我们要大力加强相关能力建设,保证能源、经济、基础设施和区域的协调。很大程度上,许多问题已经不是单个领域的工程技术问题,更多是体制机制和基础设施的问题。但是反过来看这个事件,也许是好事,东北限电充分暴露了我们低碳转型中的重要能力不足,以及东北振兴中实际问题的缺乏关注,未来可能就会得到更多的关注。

  附录1:关于本文汇报时的一些问答(Q&A)记录

  Q1:拉闸限电和国外的油气涨价逻辑是一样的吗?

  A1:都是低碳转型遇到的问题,基本是一样的逻辑,也是体制机制不足,灵活性尚未完善。我也一直在忧虑我国的天然气安全问题。

  Q2:这个时间马上就要到冬季,东北会不会存在为了保证冬季能有一个稳定的供暖,所以在这个时候选择了居民限电,这个季节对居民造成生活影响不是很大,因为如果到了冬季供暖跟不上影响更大?

  A2:要相信我国的应急能力,一旦暴露的问题,我们应急能力是很强的,现在马上政府就已经派出去工作组要保证整个过程煤炭工业、消费的事情。

  Q3:能否在一定程度上认为疫情导致今年爆发出来限电问题?

  A3:还是要分近期和长期,疫情虽然说对社会有特殊性,但如果光从经济角度来看,疫情只是诸多影响经济波动的因素之一,比如说战争、金融危机都会对我们的经济产生震荡性的冲击。如果我们能源的建设规划、管理没有足够的前瞻性和敏锐性,还会出现类似的情况,但是一定要分辨的是,低碳转型是一个长期的大趋势,因为工业文明已经不可持续而且对地球生态系统的影响已经大到一定的程度,有可能影响生态系统的整个稳定。在此形势下世界就不断地暴露我们整个系统的稳定性和可靠性问题。目前研究中考虑不足是考虑的过于简化的情形下我们怎么去满足供需平衡,但是弹性考虑不够,很难预测这种突发的事件,但我们有责任将其控制在较小的范围。做规划的目的并不是避免所有的问题,而是避免那些看得到的问题。

  Q4:这个事情是不是真的是不可预测的?这样的情况今年年初或去年下半年就有类似的情况,当然没有这么严重,也就是其实大家已经看到这个问题了,我们为什么反应还是有点慢?有种事后诸葛亮这种感觉?事前诸葛亮的声音听不到?

  A4:其实我估计下面早就已经知道了,但是声音传不上来,通路过长了,也缺乏有影响力的专家。所以至少我很庆幸在北京这种大城市已经有很多的专家,但是在地方上的研究能力、发声能力不足,导致声音传播通道长而且容易阻滞。我觉得下一步要加强地方智库建设。中央和地方、政府和企业的很多协调问题,需要一批又懂工程技术又懂治理管理问题的人在中间起到润滑的作用。

  Q5:有很多的猜测和分析是因为国家接了其他国家没有办法生产的订单导致国家抑制这种短期的行为,才来限电,又有说为了保障冬天供暖,我很不确定到底这个增加的用电需求哪里来的?

  A5:这些都只是猜测,我们主要找到最新的数据去拆解,这也需要一些时间。但我也发现有一个问题,我们做学术研究时间耗费很久,这个时候两三年都已经过去了,的确需要有一些能把学术理论变成行业实践的人。我们也得需要进行一些简化的工具每年能快速预测和得到应用,定期发布出去就有用。

  附录2:东北电力需求的数据来源

  吉林省2020年全社会用电量805.40亿千瓦时,增长3.2%。全省万元地区生产总值能耗比上年下降1.6%。http://tjj.jl.gov.cn/tjsj/tjgb/ndgb/202104/t20210415_8027371.html(吉林省统计局)

  吉林省2021年1-8月全省合计用电量550.54亿千瓦时,同比增长6.0% http://tjj.jl.gov.cn/tjsj/jdsj/ydqk/202109/t20210930_8235430.html(吉林省统计局)

  黑龙江省2020年全省工业用电量598.5亿千瓦时,同比增长2% http://tjj.hlj.gov.cn/tjsj/ydsj/202104/t20210408_87119.html(黑龙江省统计局)

  黑龙江省2021年1-6月全省工业用电量309.2亿千瓦时,同比增长8.6% http://tjj.hlj.gov.cn/tjsj/ydsj/202109/t20210924_89026.html(黑龙江省统计局)

  辽宁省2020年全省合计用电量2423.40亿千瓦时,几乎没有增长(2019年2401.47亿千瓦时) data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=E0103(国家统计局)

  辽宁省2021年1-8月全省合计用电量1718.0亿千瓦时,同比增长9.5% http://www.spic.com.cn/zhxx/202109/t20210922_317105.html(国家电投)

文:麻林巍 | 数据收集:于泽华

清华大学能源与动力工程系

清华-力拓资源能源与可持续发展联合研究中心