电力行业：电能崛起，“白色替代黑色”的电能时代

电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代 德勤「能源的未来」系列 电能崛起激发跨领域变革04 1.1电能替代是能源转型的关键05 1.2电能时代的特点06 电能崛起面临三大挑战07 2.1传统技术路线逼近能源效率阈值08 2.2供需矛盾叠加国际贸易政策扰动加剧资源供应链风险10 2.3供需错配造成能量浪费和供应不足同时存在11 以技术创新迎接挑战13 3.1材料体系突破14 3.2资源循环利用18 3.3源网荷储用协同19 新兴商业模式链接新技术与新需求20 4.1共享储能模式前景可期21 4.2重塑资源思维，释放碳生产力23 4.3数字化能源即服务（EaaS）模式百花齐放25 4.4助力全价值链拥抱变革26 结语27 作者及联系人29 电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 一 电能崛起激发跨领域变革 04 电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 1.1电能替代是能源转型的关键可再生能源开启新一轮能源革命 当前风电、光伏、储能等新能源技术的快速崛起以及新材料、物联网等关联领域的技术突破正带领人类迈入新一轮能源革命，即以降碳、增效为导向，实现风、光、水、核等清洁能源对化石能源的有序替代，以更丰富、更清洁 的动力来源支撑构建起高效、智能且可持续的人类社会发展新模式。据IEA测算，2021年全球能源结构中可再生能源比重为12%，在2050年实现净零排放目标的情景下，这一比例需要将在2030年提升至31%,并在2050年达到70%，成为主导能源1。 图1：2050年净零排放目标下全球能源结构变化 5%4% 12% 23% 2021 624EJ 27% 29% 8% 20% 31% 2030NZE 561EJ 25% 16% 12% 8% 7% 3% 2050NZE 532EJ 70% 可再生能源煤炭石油 可再生能源煤炭石油 可再生能源煤炭石油 天然气核能其他 来源：IEA,德勤研究 天然气核能 天然气核能 电能替代成为通往未来的关键路径 有别于化石能源是天然的易于运输和储存的能量载体，风能、太阳能等清洁能源往往是瞬时、不可控的，要实现大规模开发利用则需要将其转换为稳定的二次能源。电能作为清洁、高效、便捷的二次能源，既是当前新能源资源开发利用的主要形式，其在终端消费中的比重亦持续提升，凭借以下关键优势，将成为驱动此次能源变革的关键一环： •来源丰富，经济高效。电能可通过风力发电、光伏发电、水力发电等多种方式获取，且随着技术的不断突破，发电成本持续降低。在消费环节，研究表明，电能的终端利用效率在90%以上，其经济效率是石油的3.2倍、煤炭的17.27倍。 •安全便捷，技术及基础设施成熟。电能生产及电气化技术经过多年积累，已能实现电能与化学能、机械能、热能等多种能源形式之间的相互快速转 换，并且支撑发电、输配电、用电的基础设施已较为完善。不仅能支持不同资源禀赋的地区选取适宜的技术获得安全、稳定的电力供应，亦可以满足工业制造、交通运输、日常生活等多种场景的用能需求。 •清洁低碳。在用电过程中不直接产生碳排放和污染排放，并且随着发电侧清洁能源装机规模的提升，电力的绿色属性进一步凸显。 1.IEA，WorldEnergyOutlook2022，2022.10，https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 05 电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起激发跨领域变革 中国成为全球电能替代先锋 根据IEA公布数据，2021年全球能源终端消费中电能占比为20%，若以2050年实现净零排放为目标，届时这一比例需要达到52%2，这意味着近25万亿千瓦时的电能消费增量。全球主要经济体均将电能替代视为能源转型的关键，并制定了雄心勃勃的装机计划。美国和英国的 2050净零战略中均将2035年实现100%清洁电力供应作为关键目标，并在其后出台一系列针对可再生能源发电的财政支持政策。欧盟于2022年5月公布能源独立计划（REPowerEU）亦将2030年可再生能源总体目标从40%提高到45%，并明确到2030年完成600GW光伏装机部署。 过去五年中，中国创造了全球最快的新能源发电装机增速，截至2021年，风电及光伏发电累计并网容量均已突破3亿千瓦，可再生能源装机规模超过10亿千瓦，总规模和增幅均居全球首位3。按照中国的双碳目标，到2030年风电、太阳能发电总装机容量将进一步增长至12亿千瓦以上。从终端消费来看，2021年电能占中国终端能源消费比重约26.9%，亦处于全球前列4，而根据能源基金会 研究数据，到2060年这一比例将提升至 图2：2017-2022年领先国家可再生能源装机规模变化 2017 2022 GAGR13% GAGR7% GAGR9% GAGR6% GAGR7% 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 可再生能源装机规模（MW 65%5。 1.2电能时代的特点 原材料：金属及矿产原料成为实现电能替代的基础支撑 锂、镍、钴、稀土、硅等关键金属及矿产原料因其爆发式增长的需求叠加高度不平衡的资源分布特征，成为清洁电能发展的一大痛点。未来钙钛矿、钒等新材料的应用将助力电能突破资源“天花板”。 技术体系：材料体系迭代带动能量效率的飞跃 随着技术迭代和材料应用创新加速，小型模块化核反应堆、固态电池等新兴技 中国欧盟美国英国日本 来源：Irena,德勤研究 术将带来新的能量转换模式或提高现有 能源生产到消费的效率，重新定义能量效率。 基础设施：新型电力系统打通电能替代最后一公里 未来能源供需两侧均呈现更高多样性和波动性，对电力系统的灵活性提出更高要求。在新型电力系统建设中，输配电网、储能、补能设施的部署将与数字化升级融合推进，更完善且智能化的基础设施支撑实现新的用能、补能模式，催生虚拟电厂、电力聚合商等新兴业态，推动消费端电能渗透加速。 应用领域：交通及工业领域迎接覆性变革 能源变革改变消费者习惯，从单一用能角色向“产消者”身份转变。交通、建筑、工业等高能耗领域率先迎接变革，新能源汽车、独立供能/储能设施等将成为消费者参与能源互动的主要载体，在循环经济、共享经济的商业模式下更多元化的主体将加入能源生态。 2.IEA,WorldEnergyOutlook2022,2022.10,https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 3.Irena,OnlineDataQueryTool,Installedrenewableelectricitycapacity(MW)byRegion/country/area,TechnologyandYear 4.中电联，《中国电气化年度发展报告2022》，20230224 5.能源基金会，中国碳中和综合报告2022：深度电气化助力碳中和，2022年11月 06 电能崛起：“白色替代黑色”的电能时代|电能崛起面临三大挑战 二 电能崛起面临三大挑战 07 纵使前景广阔，在电能成为能源领域主导角色之前，仍需在三个方向上突破阻碍，分别来自于：1）传统技术路线逼近能源效率阈值——近年来可再生能源装机规模的高速增长得益于技术变革带来的效率提升与成本下降，而当前发电、储能及用能端主流技术都面临着各自的效率瓶颈；2）供需矛盾叠加国际贸易政策扰动加剧资源供应链风险，资源加速开发造成的碳排放量也是新能源发展过程中无法回避的问题；3）供需错配造成能量浪费和供应不足同时存在——未来能源供应迎来全面变革，不仅要求电力基础设施具有更高灵活性，亦需建立支持个人、工商业用户、社区等主体参与能源互动的商业模式。 2.1传统技术路线逼近能源效率阈值新能源技术迭代主导清洁电力成本下降，而传统技术路线提升空间有限 近十年来，得益于光伏、风电等新能源 技术加速迭代带来的效率提升与成本下降，全球范围内可再生能源装机规模高速增长。据Irena统计，自2011~2021年十年间光伏发电全球平均度电成本已下降超过80%，从约0.4美元/千瓦时来到约0.05美元/千瓦时，风电平均度电成本也到达0.1美元/千瓦时以下6。 然而，随着规模化效应的充分释放，留给传统技术进一步降本增效的空间已较为有限。以光伏领域为例，单晶PERC电池自商业化应用以来，量产转换效率逐年攀升，如今已逼近实验室最高效率记录。在降本增效压力下，主要厂商纷纷开始布局更高性能的产品，而未来清洁电力的渗透步伐很大程度正取决于Topcon、HJT等新一代技术何时实现大规模量产。 图3：近十年全球新能源发电度电成本变化 度电成本（单位:USD/kw) 光伏 陆上风电 海上风电 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 201020112012201320142015201620172018201920202021 来源：Irena，德勤研究 6.Irena,Renewablepowergenerationcostsin2021 图4：Perc电池量产效率已迫近极限 25% 24% 23% 22% 21% 20% 201420152016201720182019202020212022 perc电池最高实验室效率perc电池最高量产效率 来源：基于公开信息整理，德勤研究 储能领域亟需寻找兼顾储能效率与经济性的长时储能方案 随着可再生能源在能源消费中比重持续提升，储能设施的重要性与日俱增，而能够支持4小时以上乃至数天、数月的充放电循环的长时储能技术则尤为关 键。当前应用较为成熟的储能技术中，抽水蓄能、压缩空气储能等技术路线具备较长的服役周期从而有利于压缩储能成本，然而前者往往受限于自然条件，后者偏低的储能效率则意味着较高的能量损失。锂电池储能因其优秀的储能效 率以及快速充放电等优势而备受关注，但也不得不关注到潜在的安全风险以及原材料供应等问题。要保证电能替代的经济性，储能领域仍需进一步探寻理想的长时储能技术路线，以实现在成本和效率之间的平衡。 图5：主流长时储能技术比较 锂电池储能 电化学储能机械储能 高 •储能效率： 85%~98% 化学储能冷/热储能 •服役周期：8-10年 •储能功率：kw~20MW •储能时长：数分钟至数天 铅酸电池储能 •储能效率：65%~80% 储•服役周期：5-8年 效 能•储能功率：kw~30MW 压缩空气储能 抽水蓄能 •储能效率：70%~80% •服役周期：40-60年 •储能功率：100~5000MW •储能时长：数小时至数月 率•储能时长：数分钟至数天 氢储能 •储能效率：30%~50% •服役周期：8年以上 •储能功率：TW级 •储能时长：数小时至数月 低 熔盐储能 •储能效率：＜65% •服役周期：25-30年 •储能功率：1~300MW •储能时长：数分钟至数月 •储能效率：60%~70% •服役周期：30-40年 •储能功率：10~300MW •储能时长：数分钟至数月 短服役周期长 来源：公开信息，德勤研究 提升电能消费体验要求更高的能量密度从木材到煤炭再到石油和天然气，人类历史不同阶段的主力能源更替以能量密度的上升为整体趋势，因为更高的能量密度即意味着更高的用能效率，为生产和生活提供便利。不同于化石能源天然 具备载体，在电能时代，能量的传递主要依靠电网和电池等载体实现，而载体的性能则决定了电能的消费体验。 以能源消费的重点领域——新能源汽车为例，电池能量密度直接影响车辆的续 航能力。当前主流电池技术能量密度普遍处于300wh/kg（1.09MJ/kg）以下，远远低于传统燃油，也造成用户里程焦虑。如何通过技术创新突破能量密度天花板，是加快电能在消费侧渗透的关键。 图6：主流能量载体能量密度比较 能量密度（单位:MJ/kg） 51.0~55.2 42.2~48.1 24.0~36.3 18.9~20.7 0.18