2023电力需求侧灵活性系列：工业灵活性潜力及发展现状报告

电力需求侧灵活性系列：工业灵活性潜力及发展现状 2023.09 落基山研究所：刘雨菁，刘子屹，谢俊 中国电力科学研究院有限公司：宫飞翔，李德智 落基山研究所：陈梓浩，高硕，李婷，张沥月，周勤中国电力科学研究院有限公司：陈宋宋 刘雨菁，yujingliu@rmi.org 版权与引用 刘子屹，谢俊，刘雨菁，宫飞翔等.电力需求侧灵活性系列：工业灵活性潜力及发展现状，落基山研究所，2023 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 孙冲国网河北省电力有限公司营销服务中心万达中铝科学技术研究院有限公司 王顺江国网辽宁省电力有限公司 张海静国网山东省电力公司营销服务中心 特别感谢ClimateImperativeFoundation对本报告的支持。 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构，以及项目支持方的观点。 前言4 一、工业需求侧灵活性含义及其发展历程6 1.1保障新型电力系统安全稳定亟待需求侧灵活性发挥重要作用6 1.2需求侧灵活性的含义及其发展历程 6 1.2.1需求侧灵活性的含义及相关概念辨析 6 1.2.2我国需求侧管理发展历程 7 1.3工业是需求侧灵活性的重要潜力来源 8 1.4本报告研究目的 10 二、工业需求侧灵活性的主要来源及其潜力 11 2.1工业负荷的基本分类 11 2.2不同工业进行负荷调节的方式 12 2.3典型工业需求侧灵活性来源及其潜力 13 三、全球工业需求侧灵活性探索与实践15 3.1全球工业需求侧灵活性实践15 3.2中国工业需求侧灵活性实践17 四、需求侧灵活性挑战与工作展望 20 4.1工业需求侧灵活性发展面临的挑战 20 4.1.1技术限制挑战 20 4.1.2经济和市场监管挑战 20 4.1.3企业管理挑战 21 4.2推动工业需求侧灵活性的近期工作展望 21 参考文献22 前言 电力行业占全球二氧化碳排放的约40%，推动电力生产零碳化和终端用能电气化已成为全球应对气候变化、加速能源转型的重要抓手。终端用能电气化是工业、交通、建筑等领域的关键减排手段，这将进一步提高对零碳电力供应的需求。2022年，全球电力供应中仍超过60%来自化石能源，零碳电力系统的构建是各国面临的共同课题。 零碳电力系统会面临着供给侧和需求侧的双重不确定性，这将带来更高的系统灵活性需求以满足电力平衡、实现更大规模的新能源消纳。在供给侧，以风电、光伏、水电为代表的可再生能源发电技术呈现明显的间歇性或季节性特点；在需求侧，电力负荷的波动性也伴随终端电气化和极端天气频发等多重因素影响而变得愈发强烈。在低碳转型的背景下，传统上发挥调节作用的煤电、气电等电源装机占比将持续下降，电力系统需要更多的零碳灵活性资源来应对供需波动、实现从分钟到年度层面的电力电量平衡。 2021年，国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》（下简称“方案”）指出，加快构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，从源、网、荷等多方面开发灵活性资源，以推动碳达峰、碳中和目标的实现。方案明确，建设新型电力系统要“大力提升电力系统综合调节能力”，“加快灵活调节电源建设”，“建设坚强智能电网”，“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”。伴随着经济发展和其他行业的电气化进程，中国电力需求仍将持续增长，需求侧灵活性价值也将愈发显著。落基山研究所在2022年发布的《先立后破，迈向零碳电力⸺探索适合中国国情的新型电力系统实现路径》报告认为，需求侧弹性地参与供需平衡是新型电力系统的特性之一，实现需求侧的可观可控是提高系统灵活性的有效手段。 近年来，全国电力供需平衡偏紧，加强电力负荷管理、挖掘需求侧灵活性资源已成为构建新型电力系统的迫切任务。从宏观看，2015年至2022年间全社会用电量年复合增长率达6.1%，最大用电负荷增速更高，年复合增长率为7.1%，负荷侧呈现出更大的波动性。从局部看，供需矛盾已经在部分地区凸显：2022年7、8月迎峰度夏期 间，全国有21个省级电网用电负荷创新高，华东、华中区域电力保供形势严峻。除了传统的夏季负荷高峰外，随着消费结构和产业结构调整升级，华东、华中和南方区域负荷已呈现夏季和冬季双峰现象：2022年2月迎峰度冬期间，江西、湖南、四川、重庆、上海、贵州等地部分时段电力供需平衡偏紧。可见，相比于电量平衡，电力负荷平衡的挑战更加严峻，亟需优化升级需求侧管理手段助力缓解供需矛盾。 从现状来看，我国需求侧管理仍以有序用电为主，尚未形成完善的市场化运作机制，用户侧负荷调节技术储备不足、主动响应能力开发程度较低。2023年国家发展改革委组织修订了《电力需求侧管理办法》，首次新增需求响应章节，强调按照市场化、常态化、聚合化、可靠化方向推进需求响应工作，到2025年各省需求响应能力达到最大用电负荷的3%—5%，同时明确有序用电与需求响应的边界、要求精细化开展有序用电工作。 无论是精细化有序用电还是市场化需求响应，摸底用户负荷调节的技术可行性和建立可调节资源库都是必须的基础工作。在各类用户中，我国工业用户用电量达到57001亿千瓦时，在全社会用电量占比高达65%，而且我国工业体系完整、负荷结构丰富，理论上具备较大的需求侧灵活性挖掘潜力。此外，工业用户由于单体用电量大、沟通成本低等因素是当前有序用电实践中优先考虑的负荷资源。深入调研不同工业类别、不同企业间的负荷调节能力有助于制定更加合理的电力需求侧管理方案。 基于以上背景，落基山研究所需求侧灵活性系列报告首先将重点放在工业部门，本篇综述报告及后续的细分行业子报告将着重探讨开发工业需求侧灵活性的技术层面核心问题，即各类工业生产环节的负荷可调节潜力。本篇报告将立足中国工业需求侧灵活性的发展现状，结合国内外现有研究和实践，识别工业需求侧灵活性的主要来源和潜力，探讨工业需求侧灵活性开发的技术、经济和管理挑战，从而助力工业需求侧灵活性在新型电力系统建设中发挥重要作用。 一、工业需求侧灵活性含义及其发展历程 1.1保障新型电力系统安全稳定亟待需求侧灵活性发挥重要作用 3 电力系统灵活性是指在一定经济成本约束下电力系统快速响应供需两侧大幅度功率与电能波动的能力。在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标下，中国可再生能源装机迅速增加、发电比重快速增长。2021年10月，国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》指出，“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统”，“到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右”，“到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右”1。截至2022年底，我国风电、光伏在电力系统中装机占比29.6%，发电量占比13.7%。2023年6月，国家能源局组织发布的《新型电力系统发展蓝皮书》指出，要在建设新型电力系统的加速转型期（当前至2030年）推动新能源成为发电量增量主体，并达到装机占比超过40%、发电量占比超过20%的目标，还要在总体形成期（2030年至2045年）、巩固完善期（2045年至2060年）推动非化石能源发电逐步转变为装机主体和电量主体2。建设新型电力系统的阶段性目标层层推进，意味着未来以风电、光伏为代表的可再生能源电力渗透率将继续快速提升，加剧电源侧出力的波动性和不确定性，再叠加需求侧的波动性，电力系统未来将会面临更为严峻的供需平衡挑战。因此，电力系统的灵活性亟待提升，以保障电网运行的可靠性、稳定性和安全性。 电力系统灵活性的提升难以依靠单种技术或单一路径实现，必须在电力系统的多个环节深挖潜力、共同发挥作用。目前，我国的电力系统灵活性主要来自于灵活性改造后的煤电机组、常规水电、抽水蓄能、电化学储能、气电机组等。其中，煤电机组灵活性改造率仍较低，“十三五”煤电灵活性改造实际完成不到6000万千瓦，而且爬坡速度较慢、启停时间较长、煤耗升高等问题也使得煤电机组无法成为理想的调节手段。常规水电具有明显的地域限制和季节性限制，其调节能力也受到流域内梯级调度、农业水利等影响。此外，发展气电受到国内气源不足的能源安全约束，抽水蓄能地域限制明显且建设周期较长，电化学储能也面临着调节时间较短、成本较高等问题。截至2022年底，具备快速调节能力的抽水蓄能、电化学储能、燃气发电仅占电力系统总装机的6.6%。因此，仅靠发电侧灵活性无法满足电力系统的稳定性和可靠性需求。电网侧的灵活性也受到线路输电能力、区域协调、电力市场等多个因素影响，调整较为复杂。而需求侧的灵活性分布广泛，可快速响应电力供需变化、实现多时间尺度负荷调节，同时调用成本较低，在提高电力系统灵活性方面具有明显的优势。因此，开发需求侧灵活性成为了保障电网安全稳定运行的迫切需求。 1.2需求侧灵活性的含义及其发展历程 1.2.1需求侧灵活性的含义及相关概念辨析 需求侧灵活性（Demand-sideFlexibility,DSF）通常是指电力用户可以根据电力系统运行的需求而调整自身用电行为的能力，是电力需求侧管理的重要组成部分。2023年发布的《电力需求侧管理办法（征求意见稿）》指出，需求侧管理是指加强全社会用电管理，综合采取合理可行的技术、经济和管理措施，优化配置电力资源，在用电环节实施需求响应、节约用电、电能替代、绿色用电、智能用电、有序用电，推动电力系统安全降碳、提效降耗4。其中，绿色用电要求需求侧提供灵活性以促进可再生能源消纳，实现能源绿色转型；而智能用电则是通过信息通信技术与用电技术的融合，来帮助电力用户挖掘需求侧灵活性资源。 需求侧灵活性潜力主要通过需求响应的方式得以应用。需求响应（Demand-sideResponse，DR）是指用户根据电力系统运行的需求自愿调整用电行为。通过需求响应可以实现削峰填谷，提高电力系统灵活性，保障电力系统安全稳定运行，促进可再生能源电力消纳5。区别于有序用电，用户需求响应是一种主动参与用电调整的行为，是需求侧管理的重要技术手段。需求侧管理、需求侧灵活性以及需求响应之间的关系如图表1所示。 图表1需求侧管理及需求侧灵活性的含义及分类 为用户进 一步节约用能成本 提高需求侧灵活性 挖掘的电量基数 促进可再 生能源电力消纳 先进技术助力需求 侧灵活性资源开发 通过信息通信技术与用电技术的融合应用，提升电力需求侧管理智能化水平 促进绿色电力供需协同互动，提高可再生能源消纳利用水平，激发全社会绿电消费潜力 在终端消费环节实施以电代煤/油等措施，通过市场化、智能化等手段实现绿色用能替代 促进用户提高能效，实现用电环节电力电量节约 引导电力用户根据电力系统运行的需求自愿调整用电行为 需求侧管理 智能用电 绿色用电 电能替代 节约用电 需求响应 直接释放需求侧活性 分时电价 基于激励的响应 需求侧灵活性 基于价格的响应 实时/动态电价 尖峰电价等 直接负荷控制 可中断/削减负荷 紧急需求响应 辅助服务 容量机制等 资料来源：2023年《电力需求侧管理办法（征求意见稿）》，落基山研究所 1.2.2我国需求侧管理发展历程 自2011年《电力需求侧管理办法》实施以来，我国开始着力推动市场化需求响应、促进节能降耗、扩大绿电消费、保障电力安全等需求侧管理实践。 2015年，中共中央、国务院印发《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，明确提出积极开展需求侧管理和实施需求响应。 2016年，《国家能源生产和消费革命战略（2016-2030）》也明确提出开展工业领域的电力需求侧管理专项行动。工业和信息化部也印发《工业领域电力需求侧管理专项行动计划（2016-2020）》，提出建设电力需求侧管理平台，通过制定工作指南等重点任务，组织钢铁、有色、化工等重点行业开展示范推广，全面提升工业领域用能效率和需求响应能力。 2017年，国家发展改革委员会（国家发改委）等六部委联合印发《电力需求侧管理办法（修订版）》，强调 要总结推广需求响应试点经验，并提出了“建立需求响应与可再生能源电力消纳协调互动”的经济激励机制。 202