用电技术发展与展望_全球能源互联网发展合作组织_9787519856625

报告共7章，按照光能、机械能、热能、化学能等不同终端能源利用形式，分章节介绍电照明、电力拖动、电加热（冷）、电化学、信息用电等5大类用电技术，主要内容包括用电技术基本原理，用电技术发展现状，用电技术难点以及未来发展趋势。基于不同用电技术类型，从各项技术发展现状、技术和经济性出发，重点分析各用能领域实现电能替代的可行性，研判用电规模趋势；基于用户行为和用电技术特性，以秒级、小时级和周月等不同时间尺度，分析和研究各类用电技术为电力系统提供灵活调节能力的发展潜力。

电是人类追求光明的产物，电能的应用开启了人类文明演进的崭新时代。电能是当今人类重要的终端能源形式，对于电能的认识、掌握和使用是人类社会由工业文明向电气化文明转变的重要标志。水能、风能、太阳能等清洁能源只有转化为电力才能大规模开发利用，电将成为未来清洁能源系统的核心。电也是不同品种、不同类型能量间相互转换的媒介，可以无限分割、光速传输、精准控制，能够高效地转换为光能、热能、机械能、化学能等其他形式能源加以利用。如今，电能已经广泛而深入地改变了人类的生产和生活，电与阳光、空气和水一样不可或缺。随着化石能源不断减少、气候变化形势日益严峻、环境污染情况不断加剧，人类对于能源利用的可靠性、环保性及可持续性提出了更高要求，其核心是在能源生产侧实现清洁替代，在能源消费侧进行电能替代。
用电技术进步是实现消费侧电能替代的关键。未来，随着用电技术发展进步，电的应用将突破传统用电领域限制，逐渐实现电能替代、间接电能替代（即电制燃料）和电的非能利用（即电制原材料），加速形成以电为中心，清洁、高效的能源服务体系。经过百余年的发展，用电技术已经取得长足进步，当前电照明技术、电力拖动技术、信息用电技术已经成熟并实现规模化应用，电加热、电化学等具有较好的电能替代潜力。
用电技术进步将促进供应侧的清洁替代。随着技术的不断进步，用电负荷将更加智能、灵活、可控，成为以新能源为主体的新型电力系统中重要的灵活性来源，提供从秒级到月级等不同时间尺度的调节能力，实现传统源随荷动模式向新型源荷互动模式的转变，促进更高比例、更大范围的可再生能源高效利用和消纳，推动能源供应侧的全面清洁替代。
报告共7章，按照光能、机械能、热能、化学能等不同终端能源利用形式，分章节介绍电照明、电力拖动、电制热（冷）、电化学、信息用电等5大类用电技术，主要内容包括用电技术基本原理、发展现状、技术难点及未来发展趋势。基于不同用电技术类型，从各项技术发展现状、特性和经济性出发，重点分析各用能领域实现电能替代的可行性，研判用电规模趋势；基于用户行为和用电技术特性，以秒级、小时级和周月等不同时间尺度，分析和研究各类用电技术为电力系统提供灵活调节能力的发展潜力。
报告是全球能源互联网关键技术系列成果之一，旨在帮助读者了解主要用电技术的现状和发展趋势，为行业内外人士，特别是政策制定者提供重要参考。研究成果对实现碳达峰、碳中和目标，进一步提升终端用能电气化水平，实现世界经济、社会、环境可持续发展具有重要意义。
本报告集合了全球能源互联网发展合作组织对用电技术的相关研究成果，在研究和编写过程中走访调研了山东大学、清华大学、华北电力大学、北京航空航天大学、国网电动汽车公司、国家能源集团等单位，以及合作组织智库联盟、大学联盟等机构，得到了电气工程、能源与动力工程、化学工程、信息与通信工程等领域的多位专家学者及合作组织咨询（顾问）委员会和技术（学术）委员会专家的帮助和支持，在此表示衷心感谢。受数据资料和编写时间所限，内容难免存在不足，欢迎读者批评指正。
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摘要

当前，全球化石能源资源逐渐枯竭、气候变化形势日益严峻、环境污染情况不断加剧，能源系统绿色、低碳、可持续发展已成为全球共识，其核心在于能源供应侧实现清洁替代，能源消费侧实现电能替代。用电技术发展是实现电能替代、促进能源系统清洁转型的关键。通过构建全球能源互联网，促进用电技术不断发展和进步，提高终端用能的电气化水平，推动能源消费清洁化、低碳化，终实现人类可持续发展。
报告按照终端光能、机械能、热能、化学能等用能形式的不同，聚焦电照明、电力拖动、电制热（冷）、电化学和信息用电等5大类32种用电技术，回顾发展历程，分析技术原理，调研规模存量，提出攻关方向，对各项技术的发展趋势进行了研判，并结合能源清洁转型趋势，重点对未来各类用电技术的用电需求和灵活性调节潜力进行了研究。
从技术进步角度来看，各类用电技术将更加节能、高效、智能、可控。电照明技术未来将向更高的光效、更长的寿命、更好的显色效果以及智能化控制方向发展。电照明将电能转化为光能，是人类早开发的电力应用领域之一，其发展历经白炽灯、卤钨灯、荧光灯、发光二极管（LED）等四个阶段，以LED灯为代表的电子光源逐渐成为主流。主要研发方向包括陶瓷金卤灯电弧管技术、大功率高透光球形荧光灯技术、LED光源技术以及智慧照明技术等。
电力拖动技术将向高效节能、小型化、高可靠性、智能化方向发展。电力拖动技术将电能转化为机械能，用于拖动设备进行机械运动，又称电力传动。电动机的效率、功率密度和寿命是三大核心指标。直流电机将成为主流，主要研发方向包括无刷直流电机无位置传感器技术、基于数字信号处理器的控制技术、基于双闭环控制的调速技术等；交流电机方面的研发重点包括调速技术、启动及制动技术等。
电制热（冷）技术总体朝提高热效率、降低能耗、提高能效比、提高温度控制精确性和换热效率方向发展，并不断延长寿命提升工程经济性。电制热（冷）是消耗电能直接或间接获取热能的加热方式，有两类技术路线，一是电能在电路、电热器具中转化为热能，二是电能驱动热泵传导热能。对于各类电加热炉，研发方向包括提高电阻炉温控精度和自动化控制水平、超高功率电弧炉技术、精确温控感应加热系统、大型微波加热技术等；在热泵、空调方面，研发方向包括提高气候适应性、降低运行噪声、研发环保冷媒以及研发用于数据中心的非传统空调等。
电化学技术应用潜力巨大，特别是以电制氢为代表的电制燃料和原材料（P2X）是未来间接提高终端用能电气化水平的重要技术。电能在电化学方面的应用利用了电能与化学能间的相互转化，典型的传统电化工有电解铝、氯碱工业等，可实现脱碳、负碳的P2X技术是未来的重要发展方向。当前P2X尚有部分关键技术有待突破，转化效率、选择性、经济性等关键指标有待提升。电制氢方面，研发方向包括高效大功率碱性电解技术、低成本质子交换膜电解技术、
长寿命高温固体氧化物电解技术等；电制甲烷方面，研发方向包括优化电解水和甲烷化反应两套系统的集成与配合、加强热管理、增加余热回收以及开发二氧化碳直接电还原制甲烷催化剂等；电制甲醇方面，研发方向包括开发高效、稳定、高选择性二氧化碳甲醇化反应催化剂，完善甲醇化辅机设备，增加反应余热回收利用等。
信息技术用电是一种快速增长、相对新兴的用电类型，提高电能利用效率（PUE）是未来信息用电技术的主要发展方向。信息技术自第三次科技革命以来影响着人们生活的方方面面，信息的接收、存储、转化、传送和发布等信息处理过程都伴随着电能的消耗。信息技术用电主要包括数据中心、通信基站以及消费电子产品等。随着第五代移动通信技术（5G）、云计算、大数据、人工智能等技术的规模化应用，信息产业相关设备的用电规模稳步攀升，成为不可忽视的重要用电领域。电能利用效率是衡量数据中心、通信基站能源效率的重要评价指标。
在用电需求研究方面，报告将用电需求划分为传统用电、电能替代、间接电能替代和电的非能利用等四个层次，结合各行业生产或消费需求预测，基于用电技术发展趋势研判，分析各用能领域电能替代的可行性，根据不同的场景提出了远期用电规模的技术性判断。
2018年，全球用电量23.4万亿kWh，其中照明用电17%，电力拖动用电48%，电制热（冷）20%，电化学5%，信息用电10%。预计到2050年，全球用电量将达到70万亿～91万亿kWh，其中，中国用电量将达到14.6万亿～19.3万亿kWh。除传统用电增长外，电制热（冷）技术和以电动汽车为主的电力拖动技术带来的电能替代有望成为近中期用电需求的主要增长点；电化学技术，特别是以电制氢为代表的P2X在远期带来的间接电能替代和电的非能利用将进一步扩展用电领域，具有极大的发展潜力。
具体而言，电照明方面，照明领域已经基本实现电气化，属于典型的传统用电领域，未来用电规模的变化主要受需求增加、能效提升以及无电人口减少等因素影响，照明用电规模7万亿～8万亿kWh，占总用电量的比重下降至10%左右。电力拖动方面，工业用电机等属于传统用电领域，电气化轨道交通已有一定程度的普及，电动汽车、港口岸电、机场APU等属于主要的新增电能替代领域，预计电力拖动用电规模30万亿～35万亿kWh，占总用电量的比例下降至44%以下，仍将是规模的用电负荷。电制热（冷）方面，未来主要的用电增长点是工业电炉、居民及商业电采暖、电炊事等领域的电能替代，预计用电规模15万亿～19万亿kWh，占总用电量的21%左右。电化学方面，电制燃料和原材料技术的广泛应用是实现部分终端用能领域深度电能替代并进一步扩展电的应用范围的关键所在，预计用电规模10万亿～20万亿kWh，在不同预测场景下的占比从14%到22%不等。信息用电方面，随着数字经济的发展，数据中心和通信基站用电量提升显著，预计用电规模7万亿～9万亿kWh，占总用电量的比例在10%左右。
在灵活性调节潜力研究方面，基于各类用电规模的分析结果，从技术可调性和用户行为约束两个方面开展分析。技术可调性影响可调深度，用户行为约束则主要影响用户参与度。综合可调深度和参与度的不同水平，分场景提出用电灵活性潜力。

根据报告研究，在积极乐观的技术进步场景下，预计到2050年，全球各类用电技术可提供瞬时尺度（秒级）调节能力5亿kW，占负荷的3%左右，主要来源于可调LED光源、电动汽车车网互动（V2G）和质子交换膜电解装置等；短时尺度（小时级）调节能力44亿kW，占负荷的29%左右，主要由电动汽车V2G、蓄热型电采暖、各类电解设备、装备UPS的数据中心和通信基站等提供；长时间尺度（周、月）下，电化工技术可以为电力系统提供大容量长期调节能力，达13亿kW，占负荷的8%左右，储电量占年用电量的6%。灵活用电负荷与源、网、储等环节的灵活性资源实现高效互动，共同支撑构建清洁、坚强、智能、柔性的全球能源互联网。

前言
摘要
1 发展现状与趋势?001
1.1　理论基础?002
1.2　现状与趋势?004
1.2.1　传统用电现代文明基础?004
1.2.2　电能替代清洁用能关键?005
1.2.3　间接替代改变非电用能?008
1.2.4 非能利用联通能源与物质?008
1.2.5　灵活用电与新能源高效互动?010
1.3　研究思路?012
1.3.1　用电技术分类?013
1.3.2　需求预测方法?015
1.3.3　灵活性潜力分析方法?018
2 电照明?021
2.1　技术现状?022
2.1.1　发展历程?022
2.1.2 应用现状?026

2.2　发展趋势?033
2.2.1　关键技术指标?033
2.2.2　技术发展趋势?034
2.3 研发方向?038
2.3.1　高光效光源技术?038
2.3.2　智慧照明技术?042
2.4　用电规模与灵活性潜力?044
2.4.1　用电规模分析?044
2.4.2　灵活性潜力分析?048
2.5 小结?055
3 电力拖动?057
3.1　技术现状?058
3.1.1　直流电动机?058
3.1.2　交流异步电动机?061
3.1.3　交流同步电动机?064
3.2　发展趋势?067
3.2.1　关键技术指标?067
3.2.2　技术发展趋势?068
3.3 研发方向?074
3.3.1　直流电动机?074
3.3.2　交流异步电动机?075
3.3.3　交流同步电动机?077
3.4　用电规模与灵活性潜力?079
3.4.1　用电规模分析?079
3.4.2　灵活性潜力分析?090
3.5　小结?094

4 电制热（冷）?097
4.1　技术现状?098
4.1.1　电阻加热?098
4.1.2　电弧加热?099
4.1.3　感应加热?100
4.1.4　微波加热?102
4.1.5　热泵?103
4.2　发展趋势?104
4.2.1　关键技术指标?104
4.2.2　技术发展趋势?105
4.3　研发方向?107
4.3.1　温控和材料技术?107
4.3.2　空气源热泵技术?107
4.3.3　电取暖综合优化?108
4.4　用电规模与灵活性潜力?108
4.4.1　用电规模分析?108
4.4.2　灵活性潜力分析?122
4.5　小结?124
5 电化学?125
5.1　技术现状?126
5.1.1　发展历程?126
5.1.2　应用现状?127
5.2　发展趋势?144
5.2.1　电制燃料?145
5.2.2　电制原材料?148

5.2.3　电冶金?150
5.2.4　电解加工?152
5.3　研发方向?153
5.3.1　电制燃料?153
5.3.2　电制原材料?155
5.3.3　传统电化工?155
5.4　用电规模与灵活性潜力?157
5.4.1　用电规模分析?157
5.4.2　灵活性潜力分析?170
5.5　小结?173
6 信息用电?175
6.1　技术现状?176
6.1.1　消费类电子产品?176
6.1.2　数据中心?184
6.1.3　通信基站?186
6.2　发展趋势?190
6.2.1　关键技术指标?190
6.2.2　技术发展趋势?191
6.3　研发方向?196
6.3.1　数据中心?196
6.3.2　先进通信?201
6.4　用电规模与灵活性潜力?203
6.4.1　用电规模分析?203
6.4.2　灵活性潜力分析?206
6.5　小结?210

7 发展展望?213
7.1　技术发展展望?214
7.2　用电规模展望?217
7.3　灵活性潜力展望?220

附录　缩写/定义?224

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