电力需求侧灵活性系列报告

电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述 2023.12 电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述/ 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：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，宫飞翔 感谢落基山研究所的李抒苡和薛雨军在报告撰写过程中给与的宝贵建议 刘雨菁，yujingliu@rmi.org 版权与引用 刘子屹，谢俊，刘雨菁，李德智等.电力需求侧灵活性系列：钢铁行业灵活性潜力概述，落基山研究所，2023,http://rmi.org.cn/insights/dsf-steel/ 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。 孙文强东北大学 曾永生上海佰能工程技术有限公司林科鞍钢股份有限公司 王顺江国网辽宁省电力有限公司童流川腾讯SSV碳中和实验室 孙冲国网河北省电力有限公司营销服务中心孙钢国网浙江省电力有限公司营销服务中心 张海静国网山东省电力公司营销服务中心（计量中心） 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。 1.1低碳政策促进钢铁行业绿色转型升级 1.2钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升 2.1钢铁生产工艺流程 2.2钢铁生产负荷特征 2.2.1负荷分类特征 2.2.2负荷曲线特征 2.3钢铁需求侧灵活性来源 2.3.1可中断负荷调节 2.3.2可削减负荷调节 2.3.3可转移负荷调节 2.3.4自备电厂或副产气发电 2.4钢铁企业各生产环节灵活性来源及潜力 3.1荷兰塔塔长流程钢铁厂需求响应实践 3.2德国短流程钢厂灵活性潜力评估与仿真 3.3浙江万泰特钢公司参与电网供需互动 3.4华东某短流程钢铁企业负荷管理时间 4.1技术层面 4.1.1生产过程的负荷建模、调节能力预测及协同优化 4.1.2钢铁生产过程解耦以发挥负荷调节潜力 4.2市场层面 一、钢铁行业是工业需求侧灵活性的重要来源 1.1低碳政策促进钢铁行业绿色转型升级 钢铁行业是我国主要碳排放部门之一，其绿色转型升级是实现碳达峰碳中和的重要抓手。作为国民经济的重要基础产业，中国钢铁行业GDP占总GDP的5%左右。中国是世界最大的钢铁生产国和消费国，2022年，中国生产粗钢10.2亿吨，消费成品钢消费9.2亿吨，分别占全球产量的54.0%和51.7%。同时作为能源密集型行业，2022年，钢铁行业的能源消费总量占全国比重在10%以上，碳排放总量约为18亿吨，占全国总排放的约15%，是碳排放占比最高的制造业类别。因此，钢铁行业的零碳转型于全经济领域实现碳中和目标至关重要，其作为国民经济发展的重要支撑也决定了下游产业是否能够实现全生命周期脱碳。 在此背景下，提升钢铁生产能效、实现绿色低碳转型已成为政府和钢铁企业共同关注的焦点。从能效上看，过去十年钢铁行业的能效有明显提升。我国大中型钢铁企业的吨钢综合能耗从0.669tce/t下降到0.551tce/t，下降率16.64%，且各生产工序能耗均有不同程度的下降1。钢铁行业能效总体实现了7.5%的提升，预计未来30年能效提升可达10% ～15%。然而，为进一步实现行业深度脱碳，钢铁行业将在产品结构、能耗结构和生产工艺等方面出现巨大变化，短流程电炉炼钢将取代长流程炼钢成为中国钢铁产能的主力2。相比长流程炼钢，短流程炼钢的能耗更低。长流程炼钢的能耗以煤炭为主，吨钢综合能耗约为550千克标准煤，而短流程炼钢以电力为主要能源来源，吨钢电耗约为500千瓦时，吨钢碳排放约为0.6吨二氧化碳，为长流程的1/3以下。2020年，我国长流程粗钢产量占比仍高达约90%，远高于同期欧盟的57.6%、美国的29.4%的水平。相比之下，美国、印度、欧洲的短流程电炉钢占比分别达到了70%、56%和41%左右。 国家陆续颁布一系列政策目标，在产能治理、能源环保和提高废钢使用方面提出了严格的要求（图表1）。2021年12月，工信部、科学技术部和自然资源部共同发布了《“十四五”原材料工业发展规划》，明确到2025年，钢铁、有色金属、建材等重点行业能源消耗总量、碳排放总量控制取得阶段性成果，钢铁行业吨钢综合能耗降低2%。2022年，钢铁行业低碳工作推进委员会发布了《钢铁行业碳中和愿景和低碳技术路线图》，明确了中国钢铁工业“双碳”六大技术路线，即系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新、冶炼工艺突破、产品迭代升级、捕集封存利用。2022年6月，生态环境部等七部门发布《减污降碳协同增效实施方案》，提出逐步减少独立烧结、热轧企业数量，大力支持电炉短流程工艺发展。2025年和2030年，全国短流程炼钢占比分别提升至15%、20%以上。从政策内容上看，除了降低各生产环节的能效之外，政策也在逐步引导未来钢铁生产从长流程向短流程转移，部分省份也专门发布了促进钢铁短流程生产技术的相关政策目标（图表2）。 图表1近年钢铁行业低碳相关政策 时间发布单位 政策名称 钢铁相关内容 2021.10 发改委等十部门 《“十四五”全国清洁生产推行方案》 钢铁行业完成5.3亿吨钢铁产能超低排放改造、4.6亿吨焦化产能清洁生产改造 2021.10 国务院 《2030年前碳达峰行动方案》 深化钢铁行业供给侧结构性改革，严格执行产能置换，严禁新增产能，推进存量优化，淘汰落后产能。促进钢铁行业结构优化和清洁能源替代，大力推进非高炉炼铁技术示范，提升废钢资源回收利用水平，推行全废钢电炉工艺 2021.11 工信部 《“十四五”工业绿色发展规划》 到2025年，钢铁等重点行业碳排放总量控制取得阶段性成果。制定工业领域和钢铁等重点行业碳达峰实施方案，明确主要碳排放生产工序或子行业，提出降碳和碳达峰实施路径 2021.12 工信部、科学技术部、自然资源部 《“十四五”原材料工业发展规划》 明确到2025年，钢铁、有色金属、建材等重点行业能源消耗总量、碳排放总量控制取得阶段性成果。钢铁行业吨钢综合能耗降低2% 2022.01 国务院 《“十四五”节能减排综合工作方案》 以钢铁、有色金属等行业为重点，推进节能改造和污染物深度治理。到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁等重点行业产能和数据中心达到能效标杆水平的比例超过30% 2022.01 发改委、国家能源局 《“十四五”现代能源体系规划》 严格控制钢铁、化工、水泥等主要用煤行业煤炭消费 2022.01 工信部、发改委、生态环境部 《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》 力争到2025年，钢铁工业基本形成布局结构合理、资源供应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，确保2030年前碳达峰 2022.02 发改委、工信部、 生态环境部、国家能源局 《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》 到2025年，钢铁行业炼铁、炼钢工序能效标杆水平以上产能比例达到30%，能效基准水平以下产能基本清零，行业节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅提高 2022.06 生态环境部等七部门 《减污降碳协同增效实施方案》 研究建立大气环境容量约束下的钢铁、焦化等行业去产能长效机制，逐步减少独立烧结、热轧企业数量。大力支持电炉短流程工艺发展。2025年和2030年，全国短流程炼钢占比分别提升至15%、20%以上 2022.06 工信部等六部门 《工业能效提升行动计划》 到2025年，钢铁、石化化工等行业重点产品能效达到国际先进水平，规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5% 2022.07 工信部、发改委、生态环境部 《工业领域碳达峰实施方案》 推动钢铁等行业企业实施节能、节水、节材、减污、降碳等系统性清洁生产改造 资料来源：各部委官网，落基山研究所整理 图表2部分省份推动钢铁行业向短流程发展相关政策目标 省份 文件名 具体内容 吉林省 《吉林省碳达峰实施方案》 2025年和2030年，全省短流程炼钢占比分别提升至15%、20%以上 四川省 《关于开展电炉短流程炼钢高质量发展引领工程的实施方案（征求意见稿）》 目标到2025年电炉短流程炼钢产量占比达到40%，超低排放改造率达到100% 上海市 《上海市碳达峰实施方案》 加快发展以废钢为原料的电炉短流程工艺，到2025年，废钢比力争达到15%以上，到2030年，废钢比提升至30% 福建省 《福建省钢铁工业高质量发展实施意见》 力争到2025年，产业结构不断优化。持续推进工艺结构优化调整，电炉钢产量占全省钢产量比重达20%以上 浙江省 《浙江省推动钢铁行业高质量发展的行动方案》 力争到2025年，产业结构不断优化。电炉钢产量占粗钢总产量比例的40%以上 山东省 《山东省钢铁产业“十四五”发展规划》 力争“十四五”时期，短流程炼钢占比达到20%左右，废钢在钢铁原料中占比达到30％左右 辽宁省 《辽宁省“十四五”节能减排综合工作方案的通知》 鼓励将高炉—转炉长流程炼钢转型发展为电炉短流程炼钢 江西省 《江西省碳达峰实施方案》 开展非高炉炼铁技术示范，完善废钢资源回收利用体系，推进废钢铁利用产业一体化，积极发展全废钢冶炼 湖南省 《湖南省碳达峰实施方案》 大力发展短流程电炉炼钢和废钢炼钢，加快建立废钢资源循环利用体系 广西省 《广西“十四五”节能减排综合实施方案的通知》 鼓励将高炉—转炉长流程炼钢转型为电炉短流程炼钢 资料来源：各省政府官网，落基山研究所整理 虽然中国钢铁产业已走过高速发展期，且即将进入总需求长期下降的发展阶段，但全社会钢铁蓄积量仍不断增长，这为短流程生产技术所需的废钢供应能力的持续提升创造了条件。伴随着我国基础设施建设速度逐步放缓，预计全国钢铁需求量在2025年左右达峰并进入下降阶段。但2020年，我国人均粗钢消费量约730千克，人均钢铁蓄积量接 3 近8.3吨，已经超过了欧美等国的历史消费量峰值。伴随着早期进入消费环节的钢铁逐渐达到使用年限，将加速释放 出越来越多的废钢资源。预计中国社会废钢资源产生量2030年达到4.0亿吨，2050年达到5.0亿吨，推动短流程 电炉钢产量占比从2020年的10%左右提高到2050年的60%左右（图表3）2。 图表3可供钢铁行业的废钢供给量、电炉钢产量和占比变化 670% 60% 5 50% 4 亿吨 40% 3 30% 2 20% 1 10% 0 2020 2030 电炉钢产量废钢资源量 电炉钢占比 0% 2050 数据来源：落基山研究所 1.2钢铁柔性负荷助力新型电力系统灵活性提升 4 1 5 图表42021年不同工业用电量占比 5% 13% 45% 13% 11% 3%3% 7% 采矿业 非金属矿物 有色金属冶炼纺织业 黑色金属冶炼化工 石化其他 数据来源：中国能源统计年鉴，落基山研究所 在电力市场机制逐步完善的背景下，需求侧灵活性挖掘与高效利用将会为钢铁行业带来新的降本增效机遇。近年来，由于全国钢铁需求量收紧，叠加燃料价格上涨等因素，钢铁行业广泛开展降本增效措施以提高盈利能力。据国家统计局数据，2022年我国粗钢产量已连续两年下降，黑色金属冶炼和压延加工业实现利润总额365.5亿元，是自2003年来的新低6。而工业企业生产运作与综合用能过程的联合优化技术的发展，可帮助钢铁企业参考分时电价或现货市场的价格信号来调整用电负荷，从而进一步降低用电成本、提升企业效益。同时，伴随着国家发展改革委与国家能源局《电力需求侧管理办法（2023年版）》、《电力负荷管理办法（2023年版）》等新政策的出台，传统高耗能工业负荷等能够响应调度指令的用户可调节负荷已纳入为电力辅助服务的提供主体，钢铁企业电力负荷的灵活调节能力可通过参与有偿电力辅助服务或专门的需求响应机制来获取补贴。这些激励也将为钢铁行业开发需求侧灵活性带来新的机遇。 此外，工业互