中国经济发展的新能源抓手_风闻
汪涛_纯科学-自由撰稿人-纯科学创始人，致力于将完善的科学方法引入社会领域07-10 14:18
本文谈另一个对中国未来经济发展特别重大的抓手——新能源发电，尤其是光伏。
一、光伏里程碑式的突破
最近在参加2022年度云铝股份股东大会时，有一个非常惊喜的发现：太阳能被规模化地用于电解铝生产了。据我了解，这个不仅在业界是首次，而且其采用的直流技术方案也是在业界首次应用。这种方案是直接使用直流的太阳能，只经过简单变压，省掉了将直流的太阳能通过逆变器转成标准的220伏交流，使用时再转成直流的过程。因为太阳能电池组件输出电压一般为18伏到48伏，而生产电解铝的电解槽电压需求为3.6至4.2伏。这个直接进行匹配，相比直流逆变成220伏交流再整流成直流的现行方案，不仅实现起来更容易，而且成本更低，体积更小，中间匹配转换的损耗更低。
整个光伏项目2021年就启动了。直流接入方案是2022年10月就试验成功。
云铝股份的张正基董事长告诉我，最初采用交流方案建设时，国内光伏建设量极大，逆变器等到货很慢。他就对相关人员说，电解铝本来就是直流应用，为什么要用逆变器，把光伏的直流直接用于电解铝不就得了吗？这个思路业界过去也有，但得有实际需求方具体提出来才好去发展。在云铝率先获得这个技术的突破，确实是有各方面良好条件支撑的。
云铝每年对电能的需求量极大，并且主要就是直流应用，有需求的强大牵引。具体用电量是多大呢？根据云铝2022年的公开年报显示，2022年云铝电解铝产量是259.67万吨。电解铝的耗电量根据互联网上公开的信息显示，一般在每吨1.3万-1.4万度电。因为云铝并不仅仅是生产电解铝，还有其他很多产品也需要耗电，因此采用1.4万度/吨来估算作为参考是合理的。
这么一算，年耗电量是364亿度电（特别提醒，这个是我按照完全公开资料的保守估算，不是实际数字，仅供参考。实际数字是属于公司的商业机密信息）。而2022年云南全省总的发电量为3747.94亿千瓦时，同比增长9.13%；其中水力发电量3038.82亿千瓦时，同比增长11.87%，占比81.08%；火力发电量459.14亿千瓦时，同比增长1.54%，和2021年的452.17亿千瓦基本持平，占比12.25%。云铝股份一家企业用电量居然占了整个云南省发电量的约10%，这个比例之大着实把我吓了一跳。因为云南水电发电量较多，云铝使用水电的比例与全省水电比例有高度相关性，甚至占比更高一些。因此，云铝被称为业内绿色铝业的标杆。
可是，由于气候的原因，云南近年干旱天气较多，水库来水量较少，发电量不足。另外，因为云南水电的开发较为充分，未来增加水电的潜力也已经不大。因此，云铝大力发展太阳能等新型绿色能源就是很自然的内在动力需求。当然，目前的建设规划是在云铝各厂区自己的地盘上进行，全部建设完成后，年光伏发电量在3亿度电左右。这个数量对于一般的社区生活应用来说相当大了，但对云铝来说，占比可能也就不到1%。未来的发展空间太大了。
我问过张董事长采用的商业模式是什么，他说是第三方投资的，云铝向投运方买电。2020年开始，光伏的发电成本已经低于火电。分布式光伏本地消纳是光伏运营中成本最低的。一般来说，电网对光伏等波动较大的能源承受力在10%以上。现在云铝光伏发电占比很小，因此，即使云铝的分布式光伏容量在目前计划全部完工的基础上再增加一个数量级，增加到年发电量30多亿度的水平，也根本不需要建储能装置。这又是光伏应用成本最低的模式。
二、光伏直流工业应用的重大战略意义
多年前曾传出巴菲特对太阳能等技术持谨慎态度的消息，原因是当时还没显示出这类新能源可用于炼钢等工业化的应用。网上也有很多巴菲特为什么没有重仓光伏能源的分析，准确地说，巴菲特的伯克希尔公司很早就关注并投资于新能源，并且有多个投资建设光伏发电的项目。例如2019年在内华达州投资10多亿美元建设579兆瓦的光伏发电厂。2022年1月，伯克希尔旗下中美能源公司宣布投资39亿美元，在爱荷华州建设2042兆瓦风能和50兆瓦的太阳能发电项目Wind Prime，这可能成为美国可再生能源行业最大的项目之一。
过去光伏主要应用于路灯、家用照明、家电等非工业化的应用。但能源消费以及碳排放的最大头是工业应用、尤其是冶金行业的应用。显然，从中低能源消耗的生活用能，进入到大规模耗能的冶金行业，光伏等新能源将迈入一个全新的台阶。关于这种应用前景很早就有人在讨论和研究。例如，早在2010年就有报道，北京科技大学李士琦、宋建新等人进行了太阳能光伏炼钢实验。这个说起来原理也非常简单，就是用蓄电池模拟太阳能，用作电弧炉炼钢的电源。
电能用于冶金行业等大规模能源应用是有很多的。除了电解铝之外，光伏本身的原材料单晶硅和多晶硅的生产也是耗电大户，并且是其主要成本。另外，铜的生产也是用电的。目前在炼钢行业，废钢的冶炼主要用就是采用电弧炉炼钢技术。2022年中国电弧炉炼钢占粗钢总产量的9.7%，远低于世界30%的平均占比。中国计划到2035年，使电弧炉炼钢占比提升到世界平均水平的30%。即使目前9.7%占比，每年也是上亿吨。所有这些冶金行业的电能应用，基本都是直流。因此，云铝直流接入电解铝应用的成功，所具有的意义是极其重大的。以下表格我们总结了相关行业采用直接接入光伏的应用潜力。
2022年全年，全国所有光伏发电量为4272.7亿度，即使全部用于上述冶金行业也还有很大缺口。在东部地区，因为受到耕地和其他建设用地的约束，大规模发展太阳能的空间是受限的。但在西北地区，这个约束基本不存在。我在“中国如何领导世界？（一）——以太阳能为引爆点的西部大开发”以及“以太阳能再造一个中国大战略的补充”等文章中，系统地提出了以太阳能为突破口，全面开发大西北，再造一个中国的大战略。云铝光伏项目的突破，可以说为这一战略展现了技术和应用上的良好前景。
这类高耗电企业对电费的价格是极为敏感的。以云铝为例，因为每年用电量300至400亿度，每度电价格只要降低1分钱，就会带来3到4个亿的净利润，非常可观。对整个电解铝行业来说，如果能将度电价格降低1分，可增加56亿的净利。因此可以预见，各种高耗电企业未来采用这种直流方式的光伏积极性会越来越高。并且将高耗能产业向西北地区转移的积极性也会越来越高。以太阳能为突破口，在大西北再造一个中国的大战略，现在可以说已经近在眼前、触手可得了。
三、光伏宏观发展情况
对于光伏发展的宏观数据，人们都可以从国家能源局等权威网站获取。
但是，作为科学研究的态度，看数据一定要理解到其源头。目前不仅是网上，而且一些专家出来说话时，也都是简单地说中国现在光伏、火电、风电、水电等装机量为多少。一看表面数据，2022年全年中国风光发电新增装机突破1.2亿千瓦。但是要知道，真正重要的是最终发的电有多少，而不是表面上装机量是多少。表我们以2022年的不同发电装机量与实际发电量的数据进行分析计算表明，不同发电技术的装机量与实际发电量的比例相差是很大的，不能简单拿来进行对比。下表最后一列是以火电为归一化的等效基数，比较了不同发电技术。
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从表中可见，水电的等效系数为1.35，其含义就是1.35千瓦水电装机量，实际发电量与1千瓦火电装机量是一样的。光伏为4.06，表明大约4千瓦光伏装机量实际发出的电，与1千瓦火电装机量发出的电是一样的。这就意味着，要想替代1亿千瓦火电装机量，需要增加约4亿千瓦的光伏装机量才可以。
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经过以上等效系数的调整后，2022年底光伏的公布装机量为3.926亿千瓦，但等效装机量应该为0.97亿千瓦。公布的装机量占比为15.3%，但等效装机量占比应该为4.83%。等效装机量占比与实际发电量占比的数字是一样的。
以上等效系数并不是绝对的，会与很多因素有关。但火电、核电等可以一直持续稳定地的发电，而光伏注定在本质上只能受限于太阳光照情况。从上面表格中可见，火电的13亿千瓦装机量假设要全部被光伏取代，大致需要增加52亿千瓦光伏装机量。
2023年1-4月，中国火电装机新增1266万千瓦，光伏新增装机量为4831万千瓦，换算成等效装机量为1190万千瓦，还没有火电装机量多。当然，光伏装机量的增长率是极高的，同比为增长186.21%。全年估计在1亿千瓦，等效装机量为2500万千瓦左右。全球光伏装机量预计为3.5亿千瓦。到2024年，中国的火电预计就会进入稳定下降的通道。当然，火电中的投资并非都是传统的煤电，新增较多的是天然气发电。
中国光伏行业协会理事长、阳光电源董事长曹仁贤在5月23日开幕的SNEC第十六届（2023）国际太阳能光伏与智慧能源（上海）大会上表示，预计2023年，我国光伏累计装机将首次超过水电，成为第一非化石能源发电来源。当然，这个超过只是表面上的装机量数字，等效装机量，也就是实际发电量要超过水电，还需要光伏装机量增加至少4倍。这个看起来很大，但以目前的光伏三位数增长势头，实现起来也就是两、三年的事情。
2022年中国多晶硅产量为81.1万吨，同比增长60%。
光伏发电因为其受制于阳光照射情况，因此储能技术有较大影响。传统储能技术以抽水蓄能等为主。但这种技术受到地理条件的深度制约。作为光伏这种可以高度灵活和分散的能源形式，最适宜的匹配储能技术是化学储能。截止2022年底，中国储能总装机规模达到5940万千瓦、同比增长37.2%，当年新增1610万千瓦，同比增长109.1%，增长速度大幅度领先全球平均水平。新型储能装机量大爆发，超过前十年的总和，传统的抽水蓄能装机量占比已经低于80%。在新型储能技术中，锂离子电池储能技术占比达94.2%，处于绝对主导地位，新增压缩空气储能、液流电池储能技术占比分别达3.4%、2.3%。此外，飞轮、重力、钠离子等多种储能技术也已进入工程化示范阶段。
另外，今年3月20日，国家能源局发布《关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》提出，结合沙漠、戈壁、荒漠地区新能源基地建设，尽快落地一批光热发电项目。力争“十四五”期间，全国光热发电每年新增开工规模达到300万千瓦左右。光热发电是兼具调峰电源和储能的双重功能的。现在各种光伏技术和配套的储能技术已经全面进入大发展阶段。这再次展示了中国式“穷尽法创新”模式的威力：本来创新最大的难题是对技术方向的判断，但中国“比较笨”，没能力去判断，所以索性就不去进行这种判断了，利用自己的海量市场规模为基础，穷尽一切可能的技术方向，让实际市场运行的最后结果来说话。所有这些技术全都尝试，肯定不会每一个都能大规模应用成功的。但那有什么关系，只要有一、两个实际应用中的技术能成功大规模商用就足够了。
实际运行中锂离子储能电池出现一些火灾事故。2011年至2022年，全球共发生36起电化学储能事故，其中26起来自三元锂电池，6起来自锂电池。因此，业界倾向于逐步停止锂离电池用作储能。大量替代锂离子电池的产品技术也迅速进入大规模商用化阶段。如全钒液流、铁铬液流、钠离子电池等，都在这两年进入市场并出现大爆发的势头。在锂离子电池之外的新型储能技术中，会很快冲出一种或少数几种主流技术出来。从任何产业发展角度来看，要形成规模总得需要一定时间，3到5年是很正常的。个人认为液流和钠离子更有发展前景。因为它们与光伏的匹配性是最好的。
光伏的原材料多晶硅价格在过去两年经历了一个很大的波动。2019年底时价格最低时达到每公斤5美元左右。因为2020年光伏发电的度电成本已经低于煤电，光伏装机开始大爆发，刺激了多晶硅价格急剧反弹，最高在2022年底时达到每公斤40美元。但在这个过程中，硅片的价格却上升极小。这表明了技术进步等带来的光伏对原材料成本消化能力不断增加的结果。
四、建议
尽管现在政府和产业界的人士经常在谈双碳，但我一直在各种场合提醒中国人一定要特别注意一点：对于中国来说，双碳纯属一个国际政治口号，千万别太当真。
原因是两点，一个是全球温度升高真正产生致命影响的主要是欧洲，这个我在很多场合与文章中都谈到，此处不再详谈。
更重要的是第二个原因，无论对双碳本身如何理解，因为中国新能源产业的超速发展，它根本就不需要另外考虑去解决，中国要实现的双碳目标——2030年碳达峰，2060年碳中和，事实上在2040年前就会实现碳中和。并且有可能到这个时间点上，全球都可能实现碳中和。因为光伏在未来成本还会急剧下降，因此2024年，火力发电装机量就会开始显著下降。从现在起最多10年内（2033年）中国的煤炭发电将基本上可以被完全淘汰。2035年燃油车也将基本归零。大量消耗煤炭的炼钢产业将会有30%以上的比例转成电弧炉炼钢。这些都会以非常快的速度使中国的双碳目标大大提前实现。
为了使中国的光伏等新能源以最快的速度增长，应当大力建设西北新能源基地和新能源特区。从目前整个产业链技术状况来看，先通过光伏、风电、天然气互补，西北地区本来就是煤炭集中的产地，有大量坑口电厂。因此，通过现有基础大力发展光伏，并先将晶硅等光伏相关产业链向西北能源产地集中，再将电弧炉炼钢、电解铝、电解精炼铜等产业向西北地区转移，以此本地消纳海量新增的风光等新能源。东中部地区的高耗能产业西迁后，发电量需求就会下降，可按序关停老的火电。
这个过程也需要个3、5年。在此过程中，电化学储能可顺势大发展，待其成熟后，可以使西北地区获得海量的稳定风光供电。再考虑大规模建设特高压输变电，将西北地区更进一步增加的风光送往中东部地区。最多5年之内，中国每年新增的光伏装机量会超过4亿千瓦，等效装机量为1亿千瓦。此后还会大幅度地增长，每年替代的煤炭发电量会越来越多。从而使双碳目标极大地提前实现。
我们不能仅仅依靠纯经济学家们提出的抽象建议来作为发展的政策。例如双循环，具体怎么个双循环法呢？得有实际的具体抓手，否则这种政策就是空洞的想象。事实上，纯电动车与光伏为代表的新能源就是最好的双循环抓手。在此同时，燃油车和煤炭发电却需要进入死循环，尽快让他们退出市场。以太阳能开发大西北再造一个中国，就可形成一个极为庞大的内循环增量，同时整个新能源产业在全球又具有极为强大的竞争力，谁都挡不住地向外超高增长地外循环。而成功开发大西北，又可使进一步中国冶金行业的整体成本下降一个巨大的台阶，从根本上增强整体冶金行业的全球竞争力。这才是中国走出当前困境的，清晰明了的大战略。
延伸阅读：（见纯科学公众号）
“中国如何领导世界？（一）——以太阳能为引爆点的西部大开发”
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