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光伏风电水电超级能源网,中美欧谁能建成?

2024-03-28 20:29:09 来源:蓝琛资讯网作者:时尚 点击:231次
【文/观察者网专栏作者 陈经】

在新能源领域,光伏欧洲是风电真的急了。

以致于欧洲太阳能行业直接发出了“破产警告”:大量低价的水电唯一修仙路中国进口产品已将一些欧洲制造商推向破产边缘,不利于欧盟推动本土的超级成绿色技术产业。

这不是源能建危言耸听,欧洲凭借能源革命实现了工业化的网中腾飞,并由此保持上百年的美欧发展优势。中国后来居上,光伏眼看在新能源领域要弯道超车,风电甚至要改变全球格局,水电欧洲不急才奇怪。超级成

一、源能建全球能源转型逻辑

目前全球能源消费由化石能源主导,网中占比80%以上,美欧处于绝对优势。光伏即使是长期推进绿色能源政策的欧盟,2021年水风光也只占能源消费总量的18%。从2010-2021年,中国水风光能源占比从7.5%稳步上涨到15%,美国和日本只有11%。虽然都有意增加绿色能源占比,但成本高要强撑着靠补贴,做不到太高。欧盟补贴最狠、最有想法,现在回头看方向是找准了。

虽然光伏风电新能源在全球很火,但还在能源转型的早期。但水风光能源没有碳排放,必然要成为主力能源,而且从自然中来,无成本可再生,比不可再生的化石能源强。特别是随着全球变暖问题的加剧,新能源逐渐成了“新宠儿”。

但全球变暖说了多少年了,一说减少碳排放就卡住了,还得靠化石能源。发达国家工业生产外迁,能源消耗减少,说碳排放在减少(绝对值还是很高),让发展中国家定减排计划。欧盟甚至搞起了碳交易、碳关税,想用绿色环保优势占据经济发展先机,拉了岛国卖力表演。发展中国家就讲历史、讲人均,不能你们大搞碳排放发展起来了,我们想发展就不行。

技术的发展让争论声变小。光伏成本从2009年的每度电0.359美元降成了0.036美元,只有原来的十分之一。风电成本从每度电0.135美元降到了0.038美元。相比之下,燃气轮机(CCGT)、煤电、核电成本改进不大。2022年后光伏风电成本有所上升,是需求爆增,产能上来价格又会降下去。

这里不得不说,光伏风电成本大降,主要是中国企业的贡献。发改委2022年6月发布的《“十四五”可再生能源发展规划》的说法是:

水电具备百万千瓦级水轮机组自主设计制造能力,特高坝和大型地下洞室设计施工能力世界领先。陆上低风速风电技术国际一流,海上大容量风电机组技术保持国际同步。光伏技术快速迭代,多次刷新电池转换效率世界纪录,量产单晶硅、多晶硅电池平均转换效率分别达到22.8%和20.8%。唯一修仙路水电产业优势明显,我国已成为全球水电建设的中坚力量。风电产业链完整,7家风电整机制造企业位列全球前十。光伏产业占据全球主导地位,多晶硅、硅片、电池片和组件分别占全球产量的76%、96%、83%和76%。全产业链集成制造有力推动我国可再生能源装备制造成本持续下降、国际竞争力持续增强。

2021年清洁能源制造技术方面,中国公司在光伏产业绝对领先。电动汽车卡车与动力电池产业是中国优势,就连地热和电解绿氢产业都是如此。稍有差距的是风电,海上风电欧洲实力还可以,陆上风电北美有点实力了,但欧美也在担心风电变成光伏的格局。

技术进步证明,欧洲大搞绿色经济的想法很正确。欧洲探索,中国突破,人类社会能源转型、文明形态革命的条件具备了。

从上面讨论可知,全球能源转型的路线已经有了,无非是两个大方向:多发电,提高电力在最终消费中的占比,少直接用碳排放高的化石能源;多用水风光清洁能源发电,少用化石能源发电。

普通人可能没意识到能源转型规模有多大。全球多国都制定了2030-2050年行动计划,国际社会一起行动的力度空前。80年代以来全球产业最大的事是IT业崛起,现在出现了另一个大事,能源转型。

能源和电力是全球经济的基础。从规划来看,电力要从占最终能源消费的20%,升到70%以上。化石能源占比,要从80%以上降到20%以下,光伏与风电是关键。转型涉及的经济价值极为巨大,光是原油2022年市场价值就有2.1万亿美元,超过前10大金属市场价值总和的两倍。2022年全球发电量约30万亿度,市场价值3万亿美元以上,还在不断增长。

还有一个相关的大动作,要建起智能电网,消纳不稳定的光伏与风电。中国规划了相当于日本全部发电能力的抽蓄产能,来支持光伏风电并网。以特高压输电为代表的智能电网技术,中国也是国际领先。各种替代储能方案都在尝试,如空气储能、熔盐电站。

另外一个大动作是全电化,燃油车改电动车,各产业都来“以电代煤”、“以电代油”。远期还有绿氢产业的设想,光伏风电分解水生产氢气,作为工业动力与原材料。

近来国际国内唱衰中国经济的声浪,到了多年来的高点,这是目光短浅。中国站在全球能源转型的绝对制高点,掌握了几乎所有关键技术,产业优势极大,历史机遇极好。这是工业革命、生态文明级别的超级大利好,一些人从内心拒绝相信。如果是欧美掌握了新能源技术与产业优势,不知道会吹成什么样?

欧美有两个希望,一个是钙钛矿太阳能电池,光电转换效率超过30%,比多晶硅指标好,可能弯道超车。一个是固态电池,比锂电池技术指标好,但成本太高。目前,全球业界主要还是担忧中国技术与产业优势太大,美国对中国光伏产品加50%-250%的关税都挡不住。

转型才刚开始,巨大的规模只露出一个尖。2022年新能源车还只占全球汽车销量的13%,中国以外不到7%。中国光伏出口开始暴增,但绝对规模还不算大。2022年光伏产品出口大增80%,但只有512亿美元,占总出口额的1.4%,风电设备出口只有10亿美元。

今年出口行业有“新三样”的说法,电动载人汽车、锂电池、太阳能电池,上半年增长61.6%,但只拉动整体出口增长1.8%,绝对规模只占整体出口的约3%。整体还是觉得外贸压力大,外部需求不景气。如果新能源产业出口增长持续发力,规模再大一些效果就会大得多。

从能源消费规模来说,中国、美国、欧洲三家绝对领先。上图前十中只有德国是欧洲国家(能源意义上的欧洲不包括俄罗斯、白俄罗斯等独联体国家),但欧洲国家合计能源消费量是79.81艾焦(其中欧盟58.18艾焦)。全球能源消费是604.04艾焦,相当于168万亿度电(1艾焦是10的18次方焦耳,1度电等于360万焦耳),是中国2022年发电量8.85万亿度的约19倍。

中美欧三家都拉开架势要转向新能源,它们的起点如何,执行起来会怎么样?

二、主要经济体能源转型数据

从能源消费来源看,经济总量高的经济体里,欧洲在非化石能源方面有明显优势,核能、水电、可再生(光伏风电生物质地热海洋能等等)三项都不弱,合计占比高达28.9%,化石能源只占71.1%。美国三项合计占比18.94%,核能与可再生强一些。中国三项合计占比18.37%,和美国接近,核电弱一些,水电是优势,可再生追上来了。日本三项合计占比15.13%,可再生方面还行,但是核能遭受打击。俄罗斯三项合计占比13.68%,靠核能水电吃老本,对可再生能源没兴趣。印度三项合计占比11.55%,处于发展早期,对可再生能源兴趣不小。

总体来说,主要经济体要么依赖煤,要么依赖石油、天然气,化石能源占比不低,转型任务都不轻。美欧日比中印领先的,是天然气多煤少,污染较轻,另外可再生能源有较长时间的补贴投资历史,核能也有历史积累。欧洲发展新能源有领跑优势,在主要经济体里率先将石化能源降到80%以下。

俄罗斯由于地理原因和巨大的资源优势,依赖能源出口,脱离世界大势。印度能源消费相对人口规模还较小,未来选择很重要。虽然印度的口号是要绿色能源,但对化石能源的依赖可能会加深。中国油气资源少,历史上极度依赖煤,虽然一路降了十几个百分点仍然高达55%,历史包袱较重,但通过发展水风光发电,情况改善了很多。

2022年主要经济体化石能源生产与消费

2022年主要经济体化石能源生产与消费

主要经济体的化石能源生产,也各有特色(图中全球生产消费有差异,是因为有库存、替代产品)。俄罗斯三项都富余,依赖能源出口。美国资源优势非常好,天然气与原煤都足够,石油产量也是世界最高了,虽然仍不够用,但从加拿大进口就能补上不少。日本什么能源都缺,全部需要进口。欧洲也缺少能源,石油和天然气生产一半以上靠挪威。印度除了煤好点,什么都缺。中国煤不缺,石油和天然气比欧洲、印度情况好点,就是煤的消费量太大。

从能源消费结构、政策力度看,中国、欧洲、美国是较为认真地在能源转型。2022年三家合计能源消费335.11艾焦,占全球的55.5%。水电、核能、可再生能源,三家合计分别为19.92、17.75、32.79艾焦,占全球49.1%、73.6%、72.6%。因此,能源转型要上量,还得靠中美欧三家,别国增长率再高暂时规模也不大。

主要经济体碳排放(二氧化碳吨数)数据

主要经济体碳排放(二氧化碳吨数)数据

2022年8个主要经济体占了全球碳排放的73.4%。中国碳排放占比30.69%,能源消费占比是26.4%,减排压力最大。印度占比7.55%,虽然不算高,但是10年增加了42.2%,增长不低。欧洲和日本10年碳排放减了约17%,有一定成效,美国也减了一些。中国比10年前排放增加17.5%,但是增速趋缓,2022年碳排放还降了0.1%。

从化石能源消费缺口来看,中国、印度、日本和欧洲,会较有动力发展可再生能源,俄罗斯没有动力(还不如中东土豪有想法)。美国民主党出于环保理念注重气候变化,但也向欧洲出口天然气替代俄罗斯供应,共和党更注重能源工业,喜欢挖油采气,有时和俄罗斯态度接近,比如特朗普在任期内悍然退出了巴黎气候协定。

综合能源生产、消费、碳排放的情况,中国与欧洲对可再生能源态度最积极,也最有能力。日本占全球各项数据的比例越来越小,欠缺活力。俄罗斯只想靠能源优势搞国际贸易。印度很需要可再生能源,但发展水平较低。美国资源丰富,发展可再生能源的动力不如中欧,有可能来回摇晃。

再考虑到中国的新能源技术与产能优势,建成光伏风电水电超级能源网希望最大。如果还有其它地区也能建成超级能源网的话,应该是欧洲。再就是美国,但可能性小一些。也有可能欧美都搞不成,因为投资太大、技术落后、政策纷争等原因干得不顺。

定性地看,中国将会在可再生能源占比指标上赶超欧洲,成为全球绿色能源事业的主力和先锋,发力冲击新的生态文明。

这一点,我们可以通过主要经济体光伏风电装机与发电数据,对这个过程建立认识。中国与全球的规划真的有可行性,也有时间节点。

三、可再生能源发电数据与时间表

中国在电力消费方面有优势,而且会越来越明显。根据中电联《中国电气化年度发展报告2022》,2021年中国电力占终端能源消费的26.9%,比上年提升1.4个百分点;发电能源占一次能源消费的45.8%,比上年提升0.7个百分点。工业部门电气化率26.2%,建筑部门电气化率44.9%;交通部门电气化率3.9%,已形成全球最大规模充电网络;农业农村电气化率35.2%,用电条件明显改善,农机电气化设备得到广泛推广应用。

图表来自John Mathews等人的论文《Greening of China’s Electric Power System》

图表来自John Mathews等人的论文《Greening of China’s Electric Power System》

中国电气化率在主要国家中位居前列,因为电力技术世界领先。预计到2025年,中国电力占最终能源消费比例将达到31.2%。长期预期是,电能占终端能源消费比重在2025年、2035年、2050年、2060年分别达到约32%、45%、60%、70%。有些学者的预测更为激进,认为2060年占比要达到90%。目前中国2060年的能源转型目标通常用“70/80/90”来代表,即电能占终端能源消费70%以上,非化石能源占能源消费比重80%以上,清洁能源发电占比90%以上。

中国WWS(Water、Wind、Sun)装机与发电占比,1990-2021

中国WWS(Water、Wind、Sun)装机与发电占比,1990-2021

如前所述,中国的问题是严重依赖煤炭。2021年之前10年,中国已经明显有向水风光发电转型的动作。但是到2021年,水风光发电量占比仍然只有28%,增速不算太高,虽然在新装机中的占比上行到了43%。这是因为从功率角度看,风电和光伏装机占比高,但是发电时间远少于火电,实际产出的电力占比低。光伏发电是时间利用率最差的,风电也不高。

中电联《2023年上半年全国电力供需形势分析预测报告》称,上半年各类电源利用小时数为:水电1239小时,同比降低452小时;火电2142小时,同比提高84小时;核电3770小时,同比提高97小时。并网风电1237小时,同比提高83小时;并网太阳能发电658小时,同比降低32小时。

由于风电和太阳能还有不并网的,光伏发电平均利用小时数大约只有火电的四分之一到五分之一,风电是光伏的两倍,也不算好。因此,光伏风电实际发电量涨得比较慢。给人的印象是,轰轰烈烈上了很多光伏板和风机,发电量却没多少。

2022年,光伏发电量只占全球发电量的4.5%。中国光伏发电量4276亿度,同比增长30.8%,仍只占全国发电量的4.9%,风电多一点占9%,水电占15%。中国光伏风电合计占比约14%,2010年时这个数据是1%,基本可以忽略不计,2015年时只有4%,增速算可以,绝对规模还不大,现在算是打基础,未发全力。

从每年全球各大地区的光伏新增装机量来看,中国较为突出,但是有几个阶段。2011年之前是欧洲主导,之后中国入场。2013、2016年中国都加大了力度,新增装机占比达到了全球一半。但2018-2021年就没什么增长,新增装机全球占比跌到了三分之一,当时主要是对电网的消纳能力有疑虑,光伏被称为“垃圾电”。2022年后,各地区都开始加速,中国新增占比回到40%。

但是中国累计光伏装机全球占比到2021年仍只有34%,和2018年持平,在三分之一晃荡了好几年。其它几个存量占比较高的国家是,美国12%、日本7%、印度7%、德国6%、澳大利亚3%、西班牙2%。

在基建领域,这是罕见的,一般的节奏是中国发力之后,全球占比持续上升。其中有两个原因,一是光伏装机相对容易操办,买些板子来安装比别的能源设备要方便,不少国家在大力投资。再一个是中国自己政策有些犹豫,电网怎么办没想好,直到2022年决定走抽水蓄能路线,才真正开始发力。

这次发力是个什么级别的?2022年中国累计光伏装机容量是392GW。三峡电站装机容量是2250万千瓦,就是22.5GW,累计光伏装机相当于17个三峡,但发电量只相当于约5个三峡。2022年开始大幅发力,光伏装机新增87.4GW,比上年的54.93GW增长了59%。

进入2023年,光伏真正发力了。2023年上半年新增光伏装机78.42GW,同比增长154%!仅光伏装机就占全部新增电源装机的56%。7月,中国光伏协会将2023年预计装机量由95-120GW上调至120-140GW。下半年光伏装机通常远多于上半年,140GW应该打不住。从中国各地的建设热情来看,光伏很可能超预期发展。

上图为主要经济体2022年的发电量及来源,单位TWh等于10亿度电。中国与印度是煤电主打,美国和俄罗斯是天然气发电为主,日本是天然气与煤电相当。加拿大与巴西水电占到了60%以上,巴西化石能源发电只占10.15%了,低碳做得非常好。

欧洲比较均衡,可再生能源发电占比26.66%已经是最高的一个类别了。欧洲化石能源发电占比只有37.7%了,中美印俄日都超过60%,欧洲在发电领域的绿色低碳确实做得不错。因此,目前中国还在追赶欧洲,不能因为中国新能源技术领先就盲目自大乐观。中国的优势是可再生能源发电总量已经上来了,超过了欧洲,占比虽然没超过,但是发力后有赶超的希望,光伏风电装机增速较高。

具体看可再生能源发电数据,主要是风电与光伏发电,还有生物质、地热、海洋能发电等等。中国、欧洲、美国、加拿大、巴西主要靠风电,风电占了全球可再生能源发电的一半。风电占比高的原因是,在中国大幅降低光伏成本之前,风电成本比光伏发电要低,而且利用小时数有一倍的优势。日本是政策问题,风电设备落后于美欧,就不想发展风电,导致越来越跟不上,需要补课。美欧日还发展了其它可再生能源,欧洲较为积极。

但是等光伏成本降下来之后,就显示出了场地适应性强、安装简单的优势了。后发的印度就是光伏发电比风电多了。从国际能源署的规划来看,光伏发电量长期来说要追近、赶超风电。

从光伏风电累计装机及10年平均增速来看,光伏的发展速明显要高,增长潜力大。中国光伏与风电累计装机占全球约37%-40%,绝对规模都是全球第一,2022年分别增长28%与11.2%,增速领先欧美。

2023年上半年,中国风电累计装机升至3.89亿千瓦,同比增13.7%,风电发电量4628亿度,同比增长20%。再结合上半年光伏新装机同比增长154%的情况,光伏风电装机都在加速。这是在累计装机全球最高的情况下再次加速,展示了新能源工业体系的绝对力量,欧美建设速度难以跟上。

国际能源署发电路线图,APC是指各国宣布的计划

国际能源署发电路线图,APC是指各国宣布的计划

2021年10月国际能源署(IEA)发布的《全球能源行业2050净零排放路线图》中,2030年是重要节点,水电、光伏和风电发电量要接近煤电、天然气发电,五条线先后交叉。到2050年,光伏与风电成为遥遥领先的两大发电主力,光伏发电量相比2022年翻10倍,风电翻6倍,可再生能源发电占比达70%。再加上化石能源发电配上CCUS碳捕集技术,能实现碳中和。

IEA这个规划看似很远期,其实并不遥远,2030年基本能看出趋势了。规划到2050年全球发电量是约50万亿度,而2022年就有约30万亿度了,发电量本身增长不是太多,更多是从化石能源向可再生能源发电转型。参考中国更为系统的规划,可以印证IEA路线图的可行性。

中国2020年9月提出“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标后,随着形势的变化,很有可能提前实现目标。重要时间节点如下:

1.2025年前后,终端能源需求达到峰值37亿吨标准煤。电源装机30亿千瓦,电力需求9.8万亿度,电能占终端能源需求的32%。化石能源占能源需求比例降至78%,碳排放达峰105亿吨。

2.2026-2030年间,一次能源需求达到峰值57亿吨标准煤,化石能源需求峰值43亿吨标准煤。电力取代煤炭在终端能源消费的主导地位。风能、太阳能快速增长,成为主要非化石能源品种。电力部门碳排放总量达到峰值,不超过45亿吨二氧化碳。

3.2035年终端能源需求34亿吨标准煤,一次能源需求55亿吨标准煤。电源装机40亿千瓦以上,电力需求12.4万亿度,进入饱和增长,电能占终端能源需求45%。非化石能源总规模超过煤炭,占能源消费40%,碳排放开始快速下降。

4.2040年前后,非化石能源占比超过50%,单位GDP能耗达到世界先进水平。

5.2050年,终端能源需求降至28亿吨标准煤,一次能源需求51亿吨标准煤。电源装机50亿千瓦以上,电力需求14万亿度见顶,电能占终端能源消费60%。非化石能源占比70%。

6.2060年,终端能源需求降至24亿吨标准煤,一次能源需求46亿吨标准煤。电能占终端能源消费70%。非化石能源占比80%,风能占比超30%,太阳能占比超20%,风能太阳能合计占能源需求50%以上。风电光伏装机占电源60%,发电量占比45%,各类常规电源仍起到稳定电网的作用。能源消费碳排放降至6亿吨,大幅低于碳吸收能力,提前实现碳中和目标。

值得注意的是,我国相当重视智能电网消纳光伏风电的现实问题,并不一味追求新能源电力规模。这非常重要,越南快速发展光伏发电,已经碰到了电网基础设施薄弱的问题。我国光伏与风电产能全球绝对领先,实现风能与太阳能占比快速提升并不困难,但需要全面综合地考虑问题,化石能源发电对稳定电网很重要,并非可以不要。

一个可能出乎预料的结论是,全球光伏风电建设需求如此之多,实现伟大的生态文明转型,应该是很宏大的事。但中国的设备产能都没有问题,甚至会过剩,长期压制价格。全部产业链都打通了,在需求预期拉动下,中国生产商的扩产似乎没有物理限制,投资能力也足够强。新能源发电量在增长,这是累计的概念,新装机增长代表加速,而设备产能是按预期超前增长。因此,全球能源转型主要的障碍不会是设备生产,而会是对设备来源的恐慌与限制。

震撼之处在于,即使有到2050年的长期利好,中国光伏风电设备生产商的产能扩张,仍然可以把利好迅速消化,还不时因为需求的风吹草动有压力。因此,如果欧美对于绿色能源事业态度坚决,摆脱内心对中国的恐惧,把光伏风电发电能力做起来,从供给上应无困难。

另外一个全球问题是电网消纳。中国的智能电网水平全球领先,整合出了规模极大的全国电网,运营水平极高。对于消纳新能源发电,中国考虑深远,有规模极大的抽蓄配套,让光伏风电以最合适的比例融入电网中,但2060年光伏风电发电量占比也只有45%。

欧美与其它国家,如果光伏与风电发电量上来了,电网却无法承受,问题会非常不简单,可能涉及各国深层次的能源与电力体制问题。但也有些条件不错,如家庭屋顶面积大,安装分布式光伏就合适。

总体而言,中国规划细致、执行有力、技术与产能保障有力,率先实现以光伏风电水电为主的超级能源网没有问题,很快就能看到雏形。笔者预计,中国很可能会提前实现各阶段目标,超超欧洲,成为绿色能源事业的全球领头羊。

全球能源转型的意愿向好,但可能受制于各国的执行能力、技术能力、政策纷争。一些国家不可避免地会与中国发生新能源产业链主导权的斗争。对这些国家,中国仍然会支持其能源转型,提供性价比绝对优势的新能源产品。但如果有人地缘斗争思维过剩,就会损害本国与全球利益。欧洲已经因为俄乌冲突深受其害,电价暴涨数倍,希望能吸取教训,努力建成类似中国的超级能源网。

作者:时尚
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