可再生能源智能电气化：推动能源服务转型.pdf

IRENA 202IRENA HEADQUARTERSP.O.Box 236,Abu DhabiUnited Arab Emirateswww.irena.org可再生能源智能电气化 推动能源服务转型可再生能源智能电气化推动能源服务转型目录21缩略语计量单位关于本报告全球能源转型中的电气化1.1 对能源转型的基本认识1.2 新一轮能源转型的驱动因素1.3 清洁电力成为新一轮能源转型的供应主体1.4 智能电气化转型的多重优势1.5 智能电气化所面临的挑战电气化技术、智能策略和系统权衡主要观点2.1 概述2.2 终端部门电气化技术、趋势和成本动因综述2.3 智能电气化策略2.4 系统性权衡与经济评估：不同的电气化途径在何时何地最为合理？IRENA与中国国家电网可再生能源电气化前景分析主要观点3.1 IRENA 世界能源转型展望 中的电气化3.2 SGERI关于中国中长期能源和电力行业发展的电气化情景研究可再生能源智能电气化发展之路上的重点工作主要观点4.1 概述4.2 政策制定者的优先事项和行动9101114141517181920202224445767676975848485864356结论参考文献附录附录1 各终端使用部门电气化的历史趋势附录2 某些关键合成燃料的成本预测附录3 智能充电案例研究综述附录4 智能供暖案例研究综述附录5 系统经济评估案例研究综述附录6 全球与区域情景比较附录7 中国情景研究详情94961051051071081111121211305推动能源服务转型数据图图1 全球一次能源消费（1800-2019）图2 部分国家终端电气化水平（1980-2018）图3 电气化最突出的潜在应用概要图4 全球电动汽车的分布图5 交通运输市场的细分图6 公共汽车购买价格分解（1000美元/每辆车）图7 公共汽车运营成本分解（1000美元/100千米）图8 交通燃料成本：单位体积“油井到油箱”成本（左）与单位距离“油井到车轮”成本图9 电力多元化转换技术的分类图10 通过氢能将VRE融入终端图11 绿氢生产成本与电解槽的关系图12 智能充电如何使电动汽车提供灵活性图13 电动汽车可以为电力系统提供的服务图14 使用电力的供热系统类型图15 EPRI 2050年的参考情景下美国东南部的电力需求图16 美国各州高峰负荷所在季节的情况图17 从可再生能源电力开始的不同供暖系统的效率图18 智能电气化路径的总体基础设施格局图19 德国交通与供热部门未来情景敏感性分析中的电气化水平图20 2010-2050年基准能源情景、规划能源情景和1.5情景下与能源相关的年度二氧化 碳排放量，以及三种情景下的技术减缓贡献图21 智能电气化与其他减缓措施在1.5情景下进一步减缓（与能源相关的二氧化碳吉 吨/年）图22 2018年实际和2050年1.5情景下按燃料划分的发电量结构（太瓦时）和发电装机 容量（吉瓦）图23 2050年转型能源情景和2017年按能源载体划分的终端能源消费总量图24 将选定行业二氧化碳排放量降至零的减排措施图25 2017年-2050年两种情况下终端能源消费总量预测（单位：帕焦）152526313234353640404246474951525458657071727374766可再生能源智能电气化图26 2017年-2050年电气化情景下各部门终端能源消费图27 2017年-2050年两种情景下总体电气化水平图28 电气化情景下的各行业电气化水平图29 电气化情景下的电力需求图30 2019年-2050年电气化情景下发电装机及结构图31 2050年电气化情景下各种电源的装机占比图32 2017年-2050年电气化情景下一次能源消费总量（按煤炭当量计算方法）图33 2017年-2050年电气化情景下一次能源消费总量（按电热当量法）图34 2017年-2050年电气化情景下各种能源的一次能源消费量图35 2017年-2050年电气化情景下发电能源占一次能源消费总量比例图36 2017-2050年电气化情景下与能源相关的碳排放图37 2017年-2050年电气化情景下各部门碳排放量图38 1980-2018年间选定国家住宅部门的电气化水平（IEA,2020a）图39 1980-2018年间选定国家商业和公共服务部门的电气化水平（IEA,2020a）图40 1980-2018年间选定国家交通部门的电气化水平（IEA,2020a）图41 1980-2018年间选定国家工业部门的电气化水平（IEA,2020a）图42 英国建筑行业供暖需求曲线。来源：（Quiggin and Buswell,2016）图43 不同能源情景下的二氧化碳排放量与电气化率图44 支撑IPCC的2018年 全球温升1.5 特别报告 的途径中，2050年终端电能占比（%）以及与全球能源相关的二氧化碳排放量（十亿吨/年）图45 中国经济-能源-环境综合模型7777787879808081818282831051051061061111211221307推动能源服务转型表格表1 丹麦热泵的投资成本和预测成本（2015-2050）表2 不同工业电气化解决方案在主要工业终端用途中变得比CCS更经济的标志性阶段表3 合成燃料生产成本预计表4 在全部需求由气源热泵满足时，住宅供暖年峰值用电需求与年平均用电需求的比例 （峰均比）表5 德国电气化场景概述表6 智能电气化未来扩展的优先事项和行动表7 甲烷成本预测汇总表8 合成柴油的成本预测汇总表9 电动汽车充电和智能充电对输电网影响的案例研究综述表10 电动汽车充电和智能充电对配电网影响的案例研究综述表11 供暖电气化和智能供暖对电力系统影响的案例研究综述表12 2050年全球情景中的电力份额表13 全球情景中的假设表14 美国情景中的电气化水平表15 美国情景中的假设表16 欧洲情景中的电气化水平表17 欧洲情景中的假设表18 情景设置中的典型因素2829435064861071071081091111231231261261291291318可再生能源智能电气化专栏专栏1.IRENA在可再生能源电气化方面所做的工作专栏2.相关实践世界各地可再生能源电气化在广泛应用专栏3.中国案例：城市和港口的交通电气化专栏4.电力多元化转换（P2X）：氢与合成燃料技术、趋势和成本动因专栏5.中国智能电动汽车充电网络的发展情况专栏6.数据中心电气化专栏7.横切策略：分布式能源资源能够支撑电网并扩大电气化机遇专栏8.制氢的战略选址专栏9.案例研究：季节性储氢专栏10.案例研究：电解槽电网服务专栏11.欧洲供暖路线图：对供热与制冷电气化基础设施的全面分析专栏12 到2050年IRENA全球能源系统的脱碳途径专栏13 利用可再生能源实现净零排放是重要的额外措施专栏14 衡量电气化水平专栏15 电气化规划实例专栏16 电气化市场设计实例专栏17 电气化社会关注实例专栏18 智能交通电气化实例专栏19 智能建筑电气化实例专栏20 智能工业电气化实例专栏21 燃料智能电气化实例专栏22 IPCC关于全球温升1.5的特别报告所依据情景中的电气化情况1222334046505355565761697475888990919292931229推动能源服务转型缩略语1.5-SBESBEVCCSCHPCO2CSPERSEVFCEVGDPGHGHVDCIEAICTIPCCIRENALCOELHVMENANAOECDP2GP2MP2XPEMPHEVPtLPVR&DRD&DREmapSGERIT&DTESTSOVPPVREV2GZEV1.5摄氏度温升情景基准能源情景电池电动汽车碳捕获和储存热电联产二氧化碳聚光太阳能发电电力道路系统电动汽车燃料电池电动汽车国内生产总值温室气体高压直流输电国际能源署信息通信技术政府间气候变化专门委员会国际可再生能源署平准发电成本低热值中东和北非不适用经济合作与发展组织电转气电转甲烷电力多元化转换质子交换膜插电式混合动力电动汽车电转液体燃料光伏研发研发和示范可再生能源路线图国网能源研究院有限公司输配电转型能源情景输电系统运营商虚拟电厂波动性可再生能源车网互动零排放汽车10可再生能源智能电气化计量单位EJGJGtGWGWhGW-kmhr/yrkgkmkVkWkWhm2MWeMWhPjtt/yrTWTWhyr艾焦耳十亿焦耳十亿吨十亿瓦特十亿瓦小时十亿瓦-千米小时/年千克千米千伏千瓦千瓦时平方米兆瓦电兆瓦时帕焦耳吨吨/年太瓦太瓦时年11推动能源服务转型关于本报告国际可再生能源署（IRENA）的最新研究表明，要让能源系统的发展为实现全球温升控制在2摄氏度以内的目标作出所需的贡献，电气化是短期和中期的首要任务。IRENA的世界能源转型展望2021显示，到2050年，电力消费至少将翻一番，占全球终端能源消费的50%以上。这意味着，电力在全球终端能源消费总量中的占比的增长速度必须从1980年以来相对稳定的年均0.2%0.25%提高近四到五倍，达到每年1%左右。这种提速增长必须尽快开始，因为每年可再生能源电气化的增长都被推迟，这意味着需要更大的加速。如果想要将世界的温升控制在1.5摄氏度以内，那么可再生能源电气化的步伐必须进一步加快，以满足2050年所需的更多清洁电力的使用。如专栏1所述，IRENA近期提出了一系列与迫切推动更广泛电气化相关的关键问题。至关重要的是，本份报告是与中国国网能源研究院有限公司（SGERI）合作完成的。因此，从世界上最大的电网运营商的角度来看，它面临着快速电气化、数字化和可再生能源消纳的挑战和机遇。许多与可再生能源智能电气化的关键创新正在中国以最快的速度开展实践，例如在交通电气化方面。因此，他们加入这项工作并参与未来关于这一专题的讨论能够提供宝贵的经验。这份研究报告旨在加强IRENA在该领域的工作，从而为政策制定者提供全球可再生能源电气化转型的概念性陈述。报告介绍了相关技术和创新的近期趋势，提出了可再生能源实现电气化的长期可能途径，并明确了实现这些途径的优先行动。纵观全文，最根本的问题是如何实现“可再生能源智能电气化”，而不是简单给出电气化预测水平。可再生能源智能电气化重点在于可再生能源发电、电气化和数字化飞快发展带来的潜在协同效应，这些前所未有的协调部署可以促进电力、交通、工业和建筑等终端消费部门的更高效使用。为了更深入地了解这种方法背后的策略和和好处，本研究还进行了广泛的文献调查。本报告摘要及主要研究成果，请参见可再生能源电气化：推动能源服务转型供政策制定者预览（IRENA,2019a）。12可再生能源智能电气化专栏1.IRENA在可再生能源电气化方面所做的工作在探索可再生能源电气化的趋势以及长期可能途径时，本报告受益于IRENA就该主题广泛开展的既有和正在进行的工作。在复杂而系统地向可再生能源智能电气化转型的背景下，以下出版物提供了有关更具体内容的丰富细节，作为本报告的有益补充：能源转型的电力系统灵活性（IRENA,2018a）：本报告概述了提高灵活性的规划方法和一系列选项，特别是为了消纳尽可能多的波动性可再生能源(VRE)能源（太阳能和风能）。可再生能源发电制氢：能源转型的技术前景（IRENA,2018b）：本报告研究了氢的作用，包括满足通过直接电气化难以解决的一系列能源需求所需的技术成熟度和成本降低。可再生能源未来的创新前景集成可再生能源的解决方案（IRENA,2019b）：这项重大研究提出并分析了共 30 项创新，旨在从四个关键维度上将高比例的 VRE 集成到电力系统中：使能技术；商业模式；市场设计；系统运行。作为这项工作的一部分，该项研究还提供了每个创新项目的专门介绍。氢：从可再生能源视角的分析（IRENA,2019c）：本文探讨了氢燃料在实现难以脱碳的能源应用方面的潜力，包括能源密集型行业、卡车、航空、航运和供热。电力行业转型的需求侧灵活性：分析简报（IRENA,2019d）：本简报列出了具有不同成熟度和时间尺度影响的需求侧灵活性的应用和示例，包括通过电气化供热和运输。迈向可再生能源的未来之路：低碳航运的解决方案（IRENA,2019e）：本报告探讨了海运对二氧化碳排放的影响、航运行业的结构以及减少该行业碳足迹需要解决的关键领域。创新展望：电动汽车智能充电（IRENA,2019f）：这一展望显示了政策和技术突破如何推动可再生能源智能充电技术的发展。全球可再生能源展望：能源转型 2050（IRENA,2020a）：这份全面的分析概述了根据巴黎协定实现能源系统降低碳排放所需的投资和技术。还为具有挑战性的行业探索了深度脱碳方案，旨在最终将二氧化碳排放量降至零。城市可再生能源的兴起面向城市未来的能源解决方案（IRENA,2020b）：鉴于城市技术应用的多样性和成熟度，本报告探讨了城市中可再生能源的兴起以及当地可用可再生能源的未开发机会。本报告还研究了可用于确定可行方案的城市能源系统规划的可用建模工具。13推动能源服务转型Photo:gyn9037/S除了本报告和上述研究之外，国际可再生能源署还将通过其最新版的创新格局系列来推进智能电气化主题：“解决能源需求的智能电气化创新格局”。本报告将深入探讨智能电气化的定义以及如何预测其部署中的瓶颈。本报告将概述加快终端用途电气化所需的系统化创新，以及制定成功智能电气化战略有用的工具箱。借助可再生能源实现零排放：消除工业和运输中的二氧化碳排放（IRENA,2020c）：本报告探讨了全世界如何在 2060 年实现零排放，特别是通过利用可再生能源的力量，以及哪些技术、政策/监管和经济变革可以在主要工业和运输部门实现零排放。14可再生能源智能电气化1全球能源转型中的电气化1.1 对能源转型的基本认识简而言之，能源转型代表了能源系统的深刻变革，包括三个方面：能源供应，能源的加工、转换、输送和消费方式，以及各种市场和政策。能源转型还具有远远超出能源系统本身的重要意义和影响，将改变经济、社会和环境等许多方面。（1）能源转型是非常复杂的。能源系统既复杂又高度集成，发展惯性强，改变起来很难。例如，以化石燃料为基础的能源系统已经形成了一个庞大而稳定的包括基础设施、相关政策法规、价格机制的相互关联的网络，拥有数千英里的管道、数十亿辆的交通工具、供暖系统和其他使用化石燃料的设备。因此，从当前的能源系统转型到清洁低碳的能源系统需要进行巨大的变革，不仅在技术方面，而且在政策和法规方面也是如此。反过来说，做出这样的改变需要前所未有的政治决心、明确的政策方向和国家雄心。因此，不同国家之间能源转型的程度和速度可能存在显著差异。（2）当前的能源转型必须比过去更快。由于能源系统的复杂性，能源转型不一定是简单或自然快速的过程，历次能源转型都经历了相对漫长的时间。例如，石油消费占一次能源消费总量的比例从19世纪90年代的1%左右上升到超过煤炭成为主体能源大约用了70年。然而，考虑到气候变化的紧迫性，下一次转型必须比以往更快速地完成。（3）能源转型需要一个系统性的视角。能源系统包括能源供应、能源消费、能源技术、能源基础设施等多方面，因此，需要对整个系统有全面的视角，而不是只关注孤立和碎片化的元素，另外还必须考虑到非能源系统的影响。只有通过深入分析这些单个元素之间及其在整个系统中的关系和作用机制，才能开始了解下一次能源转型的关键特征。与此同时，真正系统化的方法也超越了技术和基础设施层面，包括加速转型所必需的政策、金融、监管和商业模式框架。15推动能源服务转型1.2 新一轮能源转型的驱动因素进入21世纪，世界各国日益清楚地认识到，化石能源的大规模开发和利用带来了严重的问题，特别是气候变化和生态环境破坏。与此同时，全球能源科技创新速度加快，使基于能效提升和可再生能源的新一轮能源转型变得可行。下面将讨论能源转型背后的驱动因素。（1）气候变化全球气候变化已是不争的事实，其主要原因是人类活动（主要是化石燃料燃烧）向大气中排放温室气体。政府间气候变化专门委员会（IPCC）在其第五次评估报告中称，大气中二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等温室气体的浓度已升至80万年来的最高水平。1951年至2010年间，温室气体排放使地球表面温度平均升高0.5-1.3。此外，气候变化正在造成更极端的天气，如更严重的降雨和干旱，并正在导致海平面上升。图1 全球一次能源消费（1800-2019）180020191850190019500%20%40%60%80%100%传统生物质能煤石油天然气核能水电现代生物燃料风能太阳能其他可再生能源注：上图中，一次能源是根据电热当量法计算的，该方法考虑到了当转换损失相同时，将非化石燃料转换为所需的能 源输入来生产化石燃料的低效率。来源：Our World in Data（2021）。16可再生能源智能电气化2015年，在第21届联合国气候变化大会上，近200个缔约方通过了巴黎协定。为了防止气候变化带来的潜在灾难性影响，各方同意将全球温升控制在不超过工业化前水平的2以内，最好控制在1.5。最近，世界前几大经济体都宣布了更加雄心勃勃的“净零”目标，旨在实现碳中和或温室气体排放完全中和。例如，欧盟和日本制定了到2050年实现温室气体净零排放的目标，中国制定了到2060年实现碳中和的目标。要实现巴黎协定的目标，全球能源体系需要进行深刻的变革，从主要以化石燃料为基础的体系转变为提高效率、以可再生能源为基础的体系。另外，还必须广泛使用电力来替代液体燃料，而当与无碳发电（主要来自太阳能和风能）的进一步部署相结合时，这种电气化不仅能显著提高能源系统的效率，还可以实现可再生能源在一次能源消费总量中占有更高份额。（2）技术创新和成本降低在可再生能源发电技术领域，风电和太阳能发电的效率和经济性不断取得显著提升。在过去的十年里，风力发电的单位容量和效率大幅提高，光伏组件也是如此。这些技术进步加之规模经济、竞争日益激烈的供应链和不断增长的开发商经验，使可再生能源发电技术成为几乎全球所有地区新增发电产能的成本最低的选择（IRENA，2020d）。根据IRENA的最新成本数据，到2021年，以加权平均数计算的大型并网光伏电站和陆上风电的全球平准化发电成本（LCOE）1可能会降至0.039美元/千瓦时和0.043美元/千瓦时，使新增可再生能源项目甚至比运营现有燃煤电厂成本更低。未来，围绕可再生能源发电进行的全面创新将实现更高的成本效益并加速更大规模的利用。创新也将延伸到电池技术改进、服务模式（如聚合商）创新、系统灵活性增强，以及发展数字化并使用智能控制系统。1 平准化发电成本是衡量发电厂在其生命周期内单位发电量的平均净现值成本的指标。使用反映平均资本成本的贴现率将发电的 生命周期成本贴现到普通年份。17推动能源服务转型1.3 清洁电力成为新一轮能源转型的供应主体气候行动和可再生能源创新的双重驱动在全球能源系统中产生了深刻的变化，目前，围绕下一次全面能源转型的关键支柱的共识也在形成。首先，清洁电力有望成为能源系统的供应主体。来自高碳化石资源的电力继续被来自风能、太阳能、水能和其他可再生能源的清洁低碳电力所取代。在不同的可再生能源发电方案中，作为波动性可再生能源的低成本的光伏和风电技术预计将占全球总发电量的大部分。随着终端能源消费从化石燃料转向电力，能源服务的电气化将变得普遍，这与扩大可再生能源发电同样重要。电动或燃料电池汽车将在很大程度上取代化石燃料汽车和卡车，热泵和电锅炉可以替代建筑和工业中的油气锅炉。来自可再生能源的电力也可用于制造氢气或合成燃料，用于难以实现直接电气化的终端领域。对于传输、配送、存储和充电等领域的基础设施新建或升级投资浪潮也将支撑这种电气化进程。能效提升措施的同步实施将确保转型后的终端用户充分高效使用清洁电力。转型的第三个支柱至关重要，因为它将成为扩大可再生能源发电和普及电气化之间的关键环节。该支柱就是通过部署“智能”的数字设备、信息和通信技术（ICT）以及相关运营实践，使电力需求、传输和可再生能源供应进行优化、更加灵活，从而实现更大的效率提升。将此类智能化技术纳入能源转型中，对于降低电力峰值负荷和优化新增电网基础设施的投资至关重要。智能数字技术还扩大了电力消费的机会，并使充分利用不断增长的廉价可再生能源成为可能尤其是源自太阳能和风能的波动性可再生能源。综上所述，本报告将这一愿景描述为“可再生能源智能电气化”（以下简称“智能电气化”），2并揭示了可再生能源发电、电气化和数字化之间的潜在协同效应。同时为促进电力、交通、工业和建筑等需求部门进行前所未有的协调部署，更高效地使用能源创造了条件。2 这在IRENA的其他研究中也被称为“再电气化”，例如在为IRENA大会第九届会议编写的政策制定者报告综述 （IRENA，2019a）中。18可再生能源智能电气化1.4 智能电气化转型的多重优势智能电气化可以使电力系统更加灵活、更有弹性，同时使更广泛的能源系统更加安全，并减少对化石燃料的依赖。同时，它可以显著提高能源使用效率。与化石燃料消费相比，将电力用于交通和建筑供暖系统等终端用途会更为有效，因此智能电气化实际上将减少相同数量能源服务的总能源需求，从而提高生产力的经济性。智能电气化还可以减少污染，从而改善空气质量和民众健康状况。智能电气化还促进了电气化和可再生能源之间新的协同效应。例如，在目前的传统电力系统中，电力需求是可变的，但相对缺乏灵活性和可预测性。电力负荷在运行过程中的微小变化可以通过化石燃料电厂或水电厂的调节来满足。也就是说，匹配需求变化的最大灵活性来自电源侧，利用可调度的发电厂进行上下调节。智能电气化所带来的是一个完全不同的系统。在这个系统中，交通、建筑和工业行业的电力需求将显著上升，从而创造新的市场空间；太阳能和风能将成为这些新增市场空间的主要供应来源（IRENA，2020a）。与此同时，新能源产生的电力可能会根据当时的天气条件而有所不同，而在电力系统中，如此高份额的波动性可再生能源，会带来更多的运行挑战。智能电气化策略通过扩展电力系统的发电侧，利用所有可用的灵活性资源来应对此类运行挑战。对于在广泛的时间范围内的需求灵活性而言，情况尤为如此。比如，借助于新的数字技术，电动汽车（EV）的充电可以在几毫秒内加速或减速，也可以转变为在几小时内完成；而交通领域应用这种“智能充电”方法可以将普及电动汽车所需的配电网投资减少40%到90%（IRENA，2019f）。电力系统所特有的类似的需求侧管理和响应潜力也广泛存在于建筑和工业部门。因此，可再生能源智能电气化创造了一个良性循环，电气化推动了可再生能源的新用途和新市场，加速了终端能源转向电力，创造了更大灵活性，从而推动了可再生能源的进一步增长和技术创新。增长和创新还可以降低成本，创造额外的投资和商业机会。19推动能源服务转型1.5 智能电气化所面临的挑战这一重大转变并非轻而易举。能源系统既复杂又高度集成，改变起来很难。在政策方面，能源系统高度依赖根深蒂固的法规、税收和补贴，这需要相当大的政治意愿进行调整。即使在有政治意愿的领域，市场和供应链的转变也可能需要很多年，比如全球汽车产业转向电动汽车、家庭供暖转向热泵。人们每10到15年更换一次供暖设备和汽车，而在世界某些地区，建筑存量的翻新速度每年不到1%。任何转型都会有利有弊，而那些没有受益的人可能会抵制变革。成本和收益的分配需要公平公正，才能被广泛接受。在技术方面，转型需要将大量波动性可再生能源并入电网，这涉及到在发电量或发电负荷与用电量或用电负荷不匹配的情况下实现匹配供需。此外，电网、电动汽车充电网络和氢气或合成燃料的生产也必须新建或扩建基础设施。转型所需的基本技术已经存在，并通过持续创新不断改进或降低成本。扩大这一创新对加速能源转型和降低总成本至关重要。Photo:nitpicker/S20可再生能源智能电气化2电气化技术、智能策略和系统权衡主要观点未来电气化的技术途径越来越为各行各业所熟知，电动汽车、电供暖、氢气和合成燃料的电气化生产、工业过程的电气化都是可行的，并且具有极大潜力，但目前它们处于不同的发展阶段。虽然交通和供暖领域的电气化进程发展很快，且不太协调，存在增加系统负荷峰值的风险，但通过数字化和低成本可再生能源实现的智能电气化对于降低峰值负荷具有巨大潜力，从而实现优化电网投资或增加额外发电容量。通过应用智能电气化技术进行避峰、错峰，或者提供季节性和可以长期存储的氢气，能够更好地匹配电力需求并适应波动性可再生能源供应，这样不仅有助于波动性可再生能源并网，而且还可以扩大它们的应用市场。在交通领域，精心规划的智能充电网络在避免因电气化导致的峰值负荷增加方面至关重要，它使电动汽车能够提供显著的需求灵活性，从而通过最大限度地利用波动性可再生能源容量来减少系统成本。凭借合理的设计，插电式汽车还可以为输配电(T&D)系统运营商提供电网服务、降低平衡成本并改善可再生能源在系统和地方层面的整合。在建筑部门，智能供暖和制冷也可以通过与智能电表、恒温器和建筑管理系统相连的热泵提供类似的好处。这些负荷可以作为分布式热负荷，参与需求响应计划，提高整个系统的效率。在这种情况下，将电气化与建筑效率相结合是至关重要的，因此低效的建筑不会导致电力使用的大幅增加。尽管电气化因其效率的提高从而降低了所需的一次能源总量，但供暖和制冷领域的电气化可能会提高现有建筑物的冬季供暖负荷高峰和夏季制冷负荷高峰，这具体取决于气候。一个关键的解决方案是储热，储存热能以补充季节性波动性可再生能源的生产，这样可以在夏季储存热量以供冬季使用，也可以在冬季储存热量以供以后制冷所需，就像现在储存天然气以满足预期的未来需求一样。尽管可再生能源发电通常比传统发电厂更加分散，但通过智能电气化，这种分散性可以成为新的解决方案的来源，而不是成为潜在问题。借助于数字化和信息通信技术将分布式资源整合在一起，可以有效地使它们像单一来源一样发挥作用，从而提供快速爬坡的辅助服务，取代化石燃料电厂的备份容量，并通过减轻灵活性或阻塞问题，显著降低电网基础设施的压力，或者甚至可以推迟和避免电网升级和扩建的需要。21推动能源服务转型3 在本报告中，假设合成燃料（电燃料）是使用可再生能源生产的。利用可再生电力生产氢，然后与二氧化碳(例如来自工业废 气或空气中的二氧化碳)结合，形成一种零净温室气体排放的碳氢化合物。该过程通常称为电力多元化转换。专栏4包含有关该 主题的更多详细信息。在工业领域，低成本可再生能源在世界各地的扩张为改造或创造新的商品市场提供了极为难得的机会，同时增加了该行业的电力份额将工业运行设施转移到拥有高质量、低成本可再生能源的地区并将其安置在同一地点，提供了最佳制氢的优势条件。这种更智能的工业电气化方法很有可能彻底改变钢铁生产以及其他行业中难以电气化的流程。季节性储氢还可以将过剩的可再生电力储存数月，从而延缓或减少波动性可再生能源可能需要的电网投资。在输电线路阻塞和波动性可再生能源占比高的地方，储氢价值尤其巨大。即使采用了上述智能电气化策略，在系统层面上，直接和间接电气化实现路径之间仍存在严重的经济权衡。早期的研究正试图为整体发电和输配电基础设施确定直接和间接电气化的最低成本组合，并对不同行业的不同实现路径的合理程度形成清晰的认识。大多数研究发现，在系统层面上，不管直接还是间接电气化，可再生能源装机需求似乎都是最大的基础设施投资。因此，在高效的系统规划中尽量减少此类装机需求这一基本原则是合乎逻辑的。相对于发电容量，输电和本地配电网的投资需求可能较小，但它们仍可能是某些地区电气化的关键瓶颈，通常值得进行专门的分析和投资。纵观全局，即使在电气化开始之前，几乎所有的研究都建议通过节约能源和提高能效，以减少不必要的新增发电装机容量。与城市中的分散式热泵相比，集中供暖系统被认为在最有效地利用电力供暖和制冷方面发挥着极为重要的作用，尤其是考虑到其总体基础设施需求（发电、输配电、储能和终端消费技术）的成本通常较低。与完全电气化的系统相比，这些热力网络还可以为季节性供暖和制冷提供更大规模的和更多样化的储能解决方案，在理想情况下会减少整体基础设施容量需求。与这种集中式系统相关的损失也需要考虑到计算过程中。一旦耗尽了能效和替代能源后，研究提出了剩余直接和间接电气化的不同最佳份额，主要遵循尽量减少发电装机需求的原则。考虑到竞争日益激烈的终端消费技术（电动汽车和热泵）的可用性以及可降低其网络基础设施成本的智能电气化策略的可行性，那些少量使用燃料的领域（例如，轻型汽车需求、农村供暖和制冷需求，甚至轻工业）应该尽可能地实现直接电气化。如果没有减碳排替代方案，那些需要大量使用高能量密度燃料的领域（如航空、长途航运和高温加热）就应该是通过绿氢及其衍生的合成燃料实现大多数间接电气化的候选领域。由于缺乏具有竞争力的直接电气化终端技术，就必须要增加所需的发电量。322可再生能源智能电气化2.1 概述在本报告所讨论的三个主要终端能源消费部门（建筑、交通和工业）中，都有了明确定义的技术选项可用以提高电气化水平。通过结合可再生能源发电和关键基础设施网络，这些选项有可能实现关键的碳减排目标，例如巴黎协定的目标。如第3章所述，IRENA的研究工作为实现长期电气化提供了全面而现实的总体途径。然而，在转型期间，不协同的电气化可能会带来重大问题并产生意想不到的后果，例如峰值电力负荷快速增加并超过可用发电容量。还有一些问题涉及到不同电气化实现途径的基础设施投资需求，以及哪些实现途径需要更具战略性的决策才能完成所需的规模。本章通过讨论可再生能源智能电气化的策略来解决这些问题。我们将这些策略定义为：在不会过度增加系统成本或影响供应安全的前提下，以智能方式促进可再生能源电气化转型。在讨论智能电气化的重要性之前，本章将概述建筑、交通和工业部门的电气化技术、趋势和成本动因。接着，报告将评估特定智能电气化策略在确保电气化和可再生能源高水平兼容并良好集成方面所发挥的作用。虽然用于提高电源侧灵活性的各种措施对于波动性可再生能源整合也很重要，但它们不是本章所述策略的重点。最后，我们将智能电气化放在系统的背景下，探索不同实现途径和策略对整体基础设施投资需求产生的影响。专栏2.相关实践世界各地可再生能源电气化的广泛应用尽管本报告阐述了电气化的重要性，但考虑到多种碳减排替代方案，并不是每个能源系统都需要达到100%或者很高的电气化水平。2.4节探讨了高比例可再生能源系统中不同电气化和碳减排途径间的权衡取舍。然而，这并不意味着这种广泛电气化在各种环境中都是不可行的相反，目前一些国家已经进行了良好实践，并已实现了100%或高比例可再生能源电气化，或者为实现这一目标设定了明确的路径。挪威挪威的能源系统已经达到了很高的电气化水平，与全球能源系统到2050年将温升保持在2摄氏度以下所需的水平相当（详见第三章）。2018年，该国电力消费占终端能源消费总量的48%，主要是得益于其丰富的低成本水电发展，这一直是建筑和工业部门高电气化水平的关键推动因素（两者电气化水平分别为84%和66%）（IEA，2020a）。23推动能源服务转型在挪威的建筑中，大部分空间采用电力供暖，这在集中供暖中占有很大份额，并且政府最近承诺禁止使用石油供暖。挪威的大多数陆上工业也实现了高度电气化，海上石油设施和陆上工业过程的碳减排将是下一阶段的目标。交通部门是唯一一个电气化滞后的行业（2018年电气化水平2%）。虽然挪威铁路主要采用电力驱动，但公路运输仍以化石能源消费为主。但是，如2.2.2节所述，该行业也具有很强的电气化潜力。挪威在插电式电动汽车市场份额方面处于世界领先地位，2017年，其电动汽车销量超过汽车总销量的50%，该国还制定了到2025年实现100%销售零排放汽车的目标。如果交通部门在未来几年按计划持续实施电气化，那么到2050年，挪威能源系统的大多数终端用途可能会以电力为主。挪威能源工业协会（Energi Norge）是一家公用事业咨询机构，其最近的一项研究得出结论，到2050年，挪威完全使用清洁电力是可能的（Energi Norge，2017）。丹麦尽管丹麦终端电能占比低于挪威（2018年接近20%）（IEA，2020a），而且没有大量的低成本水电资源，但该国现在正计划通过开发其海上风能资源来扩大电气化规模，以实现2030年的气候目标。目前，该国计划未来几年在波罗的海和北海上建立全球首批的“能源岛”（其中一个是人工岛），并在岛上新增至少5GW的海上风电装机容量，且有进一步扩大的潜力（Danish Ministry of Climate,Energy and Utilities，2020）。这些岛屿的年发电量将超过目前丹麦居民年用电量，并且岛屿发电量将用于扩大当前建筑行业电气化水平（2018年为28%）。与此同时，在2030年前该国将逐步淘汰私人的石油和天然气锅炉，逐步采用热泵和集中供暖。海上风电的能源岛还将应用电力多元化转换技术，该技术最终可以用于将多余的风电制造绿氢。这种通过绿氢实现的间接电气化将有助于建筑和交通以外的行业实现碳减排，这些部门已经有了现成的终端用电技术，并将在2030年之前进行大幅扩张。虽然它们不是丹麦的主要能源消费领域，但政府专门侧重于重型陆运、海运和空运以及各种工业过程（目前工业用电占比为33%）的间接电气化，以期到2050年实现碳中和。阿拉伯联合酋长国与丹麦一样，阿联酋的终端电能消费低于全球领先的挪威。2018年，该国的电气化水平为18%（IEA，2020a）。然而，该国是建筑行业电气化水平最高的国家之一（2018年为96%），其能源消费在各行业和各时间段也是截然不同的。例如，鉴于该国的气候，建筑物中的大部分能源消费都与冷负荷（空调和制冷）而不是热负荷有关，基于这样的情况，该国目前可以更直接地使用终端用电技术。但目前阿联酋大部分电力来自天然气发电，在夏季用电高峰期，对空调的需求也使得其用电量大约翻了一番。该国的工业和非能源化工/石化部门的电气化水平也远高于其他许多国家，2018年为61%（分别为56%和5%）。因此，阿联酋在将终端能源消费转向24可再生能源智能电气化可再生能源方面面临着独特的挑战。然而，关于该国如何利用其独特的地理和工业环境来展示世界领先的智能电气化的方案仍在讨论中（Gielen，2020）。例如，该国的原铝产量约占全球的4%，这部分除了具有电气化潜力外，还能提供巨大灵活性来匹配波动性可再生能源。储存液态铝可以在保障下游连续生产的前提下，调节冶炼环节的用电需求，从而释放高达10-20%的峰荷。该国主要的海水淡化行业也具有独特的储能潜力，水可以储存数月或数年。这些方案，连同以光热和光伏形式大幅提升的优质太阳能发电，再加上专门用于生产绿氢的太阳能设施，可以形成一套可行的替代方案，以替代目前天然气消费需求（IRENA and Masdar Institute，2015）。由于阿联酋在全球航运和船用燃料供应方面的扮演的主要角色（例如，2017年供应了全球8%的航运燃料）使其在难以减排领域实施创新。最后，由于目前该国的基础设施特点，例如生物燃料等碳减排替代方案可能被证实在此类环节上更为可行（有关这些方面的更多讨论，请参见2.4节），阿联酋等国已有率先探索不同途径的打算，上述的可行性将在这些国家得到检验。2.2 终端部门电气化技术、趋势和成本动因综述本节介绍了关键的终端用能技术，以及如何利用这些技术推进建筑、交通和工业三个部门的电气化进程。2018年，这三个部门的终端能源消费量约各占全部终端能源消费总量的三分之一。当前，世界各国的电气化水平各不相同。例如，OECD国家的水平普遍略高于非OECD国家，但金砖国家（巴西、俄罗斯、印度、中国和南非）的增长率近年来普遍高于OECD国家，尤其是中国（图2）。电气化水平与一系列相关因素有关，包括经济发展水平、资源禀赋、产业结构和推动替代能源竞争力的政策。比如，由于挪威过去开发了其丰富的低成本水电资源，该国的电气化水平似乎显得鹤立鸡群，但这已经成为该国建筑和工业部门高电气化水平的关键驱动因素（更多详细信息请参见专栏2）。Photo:KENNY TONG/S25推动能源服务转型19801985199019952000200520102015201620172018日本全球经合组织整体水平挪威非经合组织成员国整体水平美国南非中国印度俄罗斯联邦巴西0%10