电力大变局:特高压、储能与智能电网

锦缎

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· 10月12日

这才是真正被我们忽略掉的"大棋"。

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电力大变局:特高压、储能与智能电网

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图片来源@视觉中国

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文 | 锦缎

今年9月以来,从资本市场到街头巷尾,最火的话题“电”。

开宗明义:本次限电的底层逻辑是传统电力供需平衡在能源革命新进程中遭遇挑战。

作为世界上最大的煤炭消费和生产国,煤炭已深植于中国的能源体系,绿电替换煤炭是一项艰巨而又长期的任务。过去十余年,中国风电、光伏发电容量大幅增长,毫无疑问该大势已定;在能源革命下,我们越发看到发展新型电力系统的紧迫性与重要性,可能这才是真正被我们忽略掉的大棋。

回顾历史变迁,不管是工业革命还是能源革命,每一次变革都带来了各个新兴领域的投资机会。针对限电现象和保煤炭政策,我们不能只是停留在表面现象,甚至被带节奏,而应该透视到能源革命背后越来越多的行业正在被重构。

01 能源革命的大潮

  • 能源从转型到革命

从煤炭代替柴薪火,再到油气代替煤炭,当今世界能源格局正在经历第三次能源转型,低碳清洁的可再生能源担当本次的主角。自本世纪初以来,我国就积极鼓励可再生能源的开发和利用,持续推动风电、光伏等新能源的发展,同时逐步减少化石能源的供给。政策的大力扶持,使得我国可再生能源发展引领世界。

能源除了转型外,更为重要的是革命,提升能源利用效率是核心诉求。

从2014年开始,我国又提出能源消费、能源供给、能源技术和能源体制四方面的“革命”,旨在控制能源总量和提高能源使用效率。整体来看,我国单位GDP的能耗呈下降趋势,但离发达国家还有很大的提升空间。根据2020年数据,中国的单位GDP能耗大约是美国的2倍,日本的3倍,英国的4倍。未来我国需要加快提升能源利用效率,降低对能源消耗的依赖程度,其核心就是大力发展可再生能源。

图:中国单位GDP能耗远高于欧美日韩发达国家,资料来源:Wind,BP,申万宏源

其次,能源安全直接关乎国家的生存和发展。而我国石油和天然气对外依存度一直居高不下,原油对外依存度超过70%,天然气对外依存度超过40%。经济发展对油气的巨大需求和油气依赖进口之间的矛盾早已成为能源安全隐患,发展可再生能源来替代传统化石能源迫在眉睫。

最后,为了应对气候变化,实现碳中和已经是全球共识,去年我国正式提出2030年前达到碳达峰,2060年前实现碳中和的“双碳目标”。综合来讲,能源革命的方向很明确,要求我国将以化石燃料为主导的能源体系转变为可再生能源为主导的能源体系。这是一举多得的事情,不仅解决了能源自给自足的问题,也可以提高能源使用效率,还能同时实现低碳发展的国家战略。

  • 电力部门是能源革命的主战场

讲起能源革命,必然会涉及到各行各业,包括电力、工业、交通、农业等众多行业。从碳排放源头分析,2020年我国能源相关CO2排放占72.7%,具体到行业,电力行业的碳排放占比高达40%,是第一大碳排放大户。

为什么电力行业的碳排放这么高呢?这是我国多煤少气的资源禀赋决定的,咱们的总发电量中,大约70%都来自于火力发电,而火力发电又主要是煤电,中国的煤电总装机容量约为1050GW,比其他所有国家的煤电装机总和还要大,这就不难理解我国的碳排放量占全球碳排放量的比重高达30%。

图:2020年我国温室气体排放来源,资料来源:清华气候院,信达证券

这时候有人会想,既然火电厂是碳排放的罪魁祸首,正好我们拥有世界最大的光伏、风电产能,把煤电厂关停,一股脑儿发展风电、光伏产业不就可以了吗?

但现实情况是,光伏、风电的综合发电成本仍然高于传统火电,并且要想可再生能源的发电量满足国家对电能的庞大需求,还要配置相应的大量储能,这些不是短期能够实现的。再者,火电厂的初始建设成本高,火电机组的设计使用年限通常超过30年,从经济角度讲,也不能一下就完全放弃火电。

那么未来怎么能既让火电“后退”,又满足持续增长的能源需求呢?在“碳中和”的长期政策指引下,火电的规模会逐渐减少,释放的容量份额逐步被光伏、风电等可再生能源替代,这是个长期的过程。这时候问题也出现了,在这个能源转型的过程中,由于光伏、风能发电的闲歇性和不稳定性,传统电力系统将面临巨大的考验。

图:我国未来各电源发电量预测(万亿千瓦时),资料来源:中电联,申万宏源

02 电力系统正面临前所未有挑战

  • 电力供需平衡难度剧增

过去这些年,我国一直将调整电力供应结构作为电力系统优化的工作重点,逐步减少火力发电量的比例,并增加可再生能源装机,电力供需平衡悄然被重塑。

图:中国火力发电量占全国发电量的比例逐步减少,资料来源:中电联,国家统计局

理论上讲,用可再生能源能源弥补火电发电量的减少不是什么难事。但是光伏、风电是间歇性能源,往往光伏、风电的出力高峰与用电高峰是不一样的,结果就是,弃风弃光一直是风电、光伏行业的痛点,再加上风电、光伏的长期缺乏价格优势,各地主动消纳意愿不足,根据2014年的数据,当时东北部分地区的弃风率甚至超过10%。

图:光伏功率曲线与负载功率曲线不匹配,资料来源:户用光伏网,长江证券

图:2014年部分地区的弃风情况,资料来源:长江证券

  •  电气化场景加速

不被大众所了解的是,我国的电气化起步虽然大大落后欧美发达国家,但是发展速度惊人,今天我国电能占终端能源消费比重从2000年的不足12%提高到了2020年的27%左右,远超全球平均水平的19%。

未来电气化的场景还将会越来越丰富,包括工业领域电气化、电动汽车、电动工具、智能家居、5G基站等等。根据全球能源互联网发展合作组织预测,到2060年,电能占终端用能的比重有望达到66%,电能将成为最主要的能源消费品种。

电气化场景加速对电力系统主要会有两方面的影响,一是显著增加对电力的需求;二是电气化场景复杂之后对电网的调节能力可是一大考验。

图:电能占终端用能比重逐渐提高,资料来源:全球能源互联网发展合作组织

以大家熟悉的电动汽车为例,随着电动汽车保有量的增长,私人充电桩的保有量也在快速增加,但是私人充电桩一般都是在晚上进行充电从而满足白天的用车需求,这将导致以往用电的低谷期将会变成用电高峰期,进而产生调峰的需求。

  • 终端用户需求的增长

我国经济还处在快速发展过程中,人们生活水平还在逐步提高,自然对电的需求同步增多,包括家庭中的电子设备产品快速增长;冬季高峰期取暖用电用气需求不断攀升,都加大了调峰保供的难度。以美国作为参照,美国居民用电量在全社会用电量的占比是中国的三倍之多,中国的人均用电量增长潜力还很大。

图:中国和美国的居民用电量对比,资料来源:中银国际

03 大变局:发展新型电力系统是必由之路

  • 短期的限电难以彻底解决

相比发达国家目前大约1%-2%的平均经济增速,中国超过5%的经济增速还将维持较长时间,叠加电气化驱动和“双碳目标”,全社会用电量增速将显著高于GDP增速。

但从供应端来看,在严控煤电装机背景下,新增装机减少,又要面临老旧机组逐步淘汰,煤电的供应显然无法满足用电量的增长,水电资源受到地理因素限制,难以继续大规模发展。毫无疑问未来的电力增量落在风电、光伏头上,与此同时,风电、光伏还要更进一步替代煤电的市场份额。

前文已经论述过风电、光伏是间歇性能源:光伏一碰到雨雪天气就无法出力、风电在没风的时候也转不起来,它们是典型的“靠天吃饭”。截止2020年,风电、光伏的装机占比已经达到24.3%,但是去年全年的发电量占比只有9.5%,相反火电是可以24小时开机。显而易见,用不稳定的电力代替稳定成熟的电力,很难做到平稳过渡,一旦前者发生点意外,就会再次出现东北拉闸限电的情况。

纵观全球能源转型过程,缺电、电力系统安全稳定等问题不是个别现象。离我们最近的案例便是德国:由于弃核脱煤政策使得其对于可再生能源的依赖大幅上升,但由于恶劣天气的影响风电和光伏发电存在明显的供需缺口,因此导致德国的电价大幅抬升,同时电力进口量也大幅抬升。

因此,用电的供需紧张将可能是一个长期存在的矛盾。

图:2020年我国能源电力发展情况,资料来源:2021中国电力发展论坛

  • 构建以新能源为主体的新型电力系统

对于此次的缺电,市场讨论的落脚点主要还在拉闸、挖煤、进口等方向上,本质上都是治标不治本的短期权益之计,我们更应该看到重构电力系统,是更底层的抽丝剥茧。

我国的传统电力系统是围绕火电厂、水电的特性建设的,随着风电、光伏的上网比例提高,传统电力系统的抗干扰能力和稳定性很难与之匹配,以新能源为主体的新型电力系统应运而生。其实早在今年3月15日中央财经委员会第九次会议上,构建以新能源为主体的新型电力系统被重点提及,按照国家电网的规划,未来五年将投资超过2万亿元,推进电网转型升级。

而以下三个方向,又显得尤为重要:

1) 继续加快特高压建设

由于我国的火电和水电主要分布在西北和西南地区,但用电却在东部,决定了我国电力远距离跨省输送的格局。早在1999年,我国就提出西电东送,将西北地区的水电和火电输送到珠三角、长三角和京津唐等地区,不过那时候的电压等级低导致输送容量小、损耗大。

从2004年开始,国家电网提出了建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强国家电网概念。所谓特高压,是指电压等级在交流1000千伏及以上和直流±800千伏及以上的输电技术,具有输送容量大、距离远、效率高和损耗低等技术优势。

从2009年我国建成世界上首条1000千伏特高压输变电工程开始,特高压的建设一直作为电网建设的重中之重。截至2020年底,我国已建成“14交16直”共计30条在运特高压线路。按照“十四五”的规划,期间将建成7回特高压直流,500千伏及以上电网建设投资约7000亿元,特高压建设将迎来第二轮建设高峰期。

今年以来特高压指数累计涨幅达39.22%,其中特变电工(SH:600089)、四方股份(SH:601126)、思源电气(SZ:002028)等特高压概念股相继在9月初创下历史新高。

图:国家电网在建在运特高压工程示意图,资料来源:国家电网官网

2) 储能技术提升电力调节能力

由于电能即发即用,无法直接储存,建设以新能源为主体的新型电力系统核心挑战就是新能源的间歇性。电力系统的调节能力在新型电力系统中的重要性不言而喻,而这主要靠储能。

储能的形式多样,目前装机量最大的是抽水储能,占比达89.26%,其次是电化学储能,占比9.2%。与新能源发电装机相比,储能的规模还微不足道,截至2020年底,中国已投运储能项目累计装机规模为35.6GW,在构建新型电力系统的背景之下,储能行业的发展将迎来爆发。

值得一提的是,锂电储能凭借能量密度高、循环寿命长、响应时间更快、适应场景丰富等特点,已经成为新型储能的主流路线。国内锂电储能占新增电化学储能的比例从2017年51%上升到2020年的的99%。

今年7月23日,发改委下发《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,首次从国家层面提出到2025年新型储能装机规模达3000万千瓦以上的目标,未来五年装机规模将扩大10倍。今年年初,宁德时代(SZ:300750)和永福股份(SZ:300712)已经达成储能领域的深度合作;另外,隆基股份(SH:601012)、晶澳科技(SZ:002459)等光伏龙头也开始布局储能。

最后讲讲氢储能,虽说现阶段还处在商业化早期,但随着氢燃料电池成本的下降,长周期、大规模储能前景最大的可能还是氢能,比如夏季光伏出力高峰,电力充沛的时候,便可以通过光伏制氢来大量储存,待冬季雨雪天气通过燃料电池发电并入电网。

3) 提高电网智能化水平

智能化,是最容易被忽视的一点,好像电力系统就是大老粗的基础设施,没什么技术含量,但了解过国内的电力输配系统你就不会这么想,而新能源发电占比的提升,对电力智能化提出更高的要求,因为其发电端的可预测性和稳定性都会大大降低。

因此随着电网规模的不断扩大、能源革命,电力系统的复杂度将会成倍增加。这样势必要求新型电力系统具备更精准、更快速的控制能力,提升电网智能化、自动化水平势在必行。当前大家开始关注的标的包括国电南瑞(SH:600406)、许继电气(SZ:000400)、杭州柯林(SH:688611)等智能电网企业。

由于电网智能化改造仍处在早期,未来这个领域可能出现更多的新的名字,成为孕育专精特新的又一沃土,值得重点关注跟踪。

 

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