电力需求侧灵活性系列：电解铝行业灵活性潜力概述

电力需求侧灵活性系列：电解铝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：陈宋宋，宫飞翔，王京菊 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：李德智，李建锋 感谢落基山研究所的李抒苡和闫榕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，宫飞翔等. 电力需求侧灵活性系列：电解铝行业灵活性潜力概述，落基山研究所，2023，https：//rmi.org.cn/insights/dsf-aluminum/ 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。 万达中铝科学技术研究院有限公司李军徽东北电力大学王顺江国网辽宁省电力有限公司张海静国网山东省电力公司营销服务中心（计量中心）赵文扬合肥领航磐云信息科技有限公司 特别感谢Climate Imperative Foundation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 电解铝工业电力消费占比高且灵活性调节理论空间大 一、电解铝是工业需求侧灵活性的重要来源 1.1 电解铝工业电力消费占比高且灵活性调节理论空间大 铝被广泛应用于国民经济各个领域，不仅是制造业的主要基础材料，也是高新技术和国防建设领域关键的新材料，是用途最广的有色金属。目前，中国铝产品在全球市场占有率快速上升，已成为全球最大的原铝和氧化铝生产国。铝产业链包含铝土矿开采、氧化铝精炼、金属铝冶炼、铝合金生产、铝材以及终端产品制造六个产业环节。其中，通过电解从氧化铝中提炼出金属铝的过程被称为电解铝，是整个铝产业链最重要且耗电量最大的生产环节。据同花顺数据库显示，2022 年我国电解铝产量约为 4021 万吨，总建成年产能累计 4526 万吨，主要分布在山东（802 万吨，17.7%）、内蒙古（661 万吨，14.6%）、新疆（618 万吨，13.7%）、云南（562 万吨，12.4%）、甘肃（307万吨，6.8%）、青海（294 万吨，6.5%）等省份。随着“ 双碳 ”目标的推进，电解铝厂为实现低碳转型，置换产能逐渐向水电丰富的西南地区和风光资源丰富的西北地区转移。 23电解铝行业是主要的工业电力消费用户，其需求侧灵活性的挖掘对于保障电力系统稳定运行十分重要。一方面，“ 十四五 ”期间随着双碳战略推进和新型电力系统建设，电力供需面临新形势，电网的平衡调节越发关键。夏季冬季电力负荷“ 双高峰 ”特征更加显著，新能源并网规模不断扩大，局部地区电力供需矛盾依然突出，电力供需平衡压力和新能源消纳困难叠加并长期存在，亟需进一步发挥电力需求响应在保平衡、促消纳中的重要作用。根据中国电力科学研究院的测算，预计到 2025 年，不考虑需求侧资源互动，极端情况下，全国将面临约 5.62 亿千瓦的平衡缺口。随着新能源装机比重增加，西部地区新能源利用率将从 95% 降到 90% 以下。依据当前高耗能工业负荷规模估算，全国高耗能工业蕴含的可调潜力约 1.08 亿千瓦，占电力平衡缺口的 19.3%，是重要的电网平衡调节资源。另一方面，电解铝的用电占比较高，蕴含可观的灵活性调节电量基数。2021 年，我国电解铝全年用电量占工业总用电量的 10% 以上，占全社会用电量约 7%（图表 1）。对于电解铝产业较为发达的省份，该占比更高。例如，新疆和青海 2021 年度有色金属冶炼与压延业用电量占全社会总用电量比例分别高达 58.5% 和 45% ，其中铝业是有色金属冶炼中电力消费占比最高的细分部门，电解铝又是铝生产中耗电最高的环节；“ 十四五 ”时期，云南电解铝平均年用电量预计将超过 600 亿千瓦时，接近云南省年用电量的 25% 。因此，在上述背景下，若能充分挖掘电解铝的需求侧灵活性潜力，将会对保障电力系统安全稳定起到重要作用。1 1.2 绿色低碳转型亟需电解铝需求侧灵活性挖掘 目前，在双碳目标及欧盟碳关税政策的推动下，电解铝行业亟需完成用电结构转型。从能效角度来说，近年来电解铝生产能耗指标持续改善，全国平均铝液综合交流电耗从 2004 年的 14795 千瓦时 / 吨降至 2020 年的 13543 千瓦时/ 吨，降幅超过 1200 千瓦时 。然而，目前我国电解铝生产的电力供应仍以火电为主。据中国有色金属工业信息中心主导成立的安泰科公司统计，截止 2019 年底，我国电解铝用电中火电占 86%（其中自备电为 65%，网电为 21%），水电占 10%，风电占 2%，太阳能与核电各占 1%。到 2021 年，火电占比降为 82%，水电占比上升到 16% ，核电及其他可再生能源占比仍较少，高火电占比使得电解铝行业依然面临着严峻的减排压力。 在此背景下，电解铝工业的绿色转型需要从电网清洁化和自备电清洁化两方面共同着手，这均对充分开发电解铝负荷的灵活性提出了迫切需求。一方面，随着未来电力供给侧会纳入更多波动性、间歇性可再生能源，电力系统面临着供需两侧的不确定性风险，加大了对系统灵活性的需求。电解铝工业作为电力消费大户且具备可观的理论调节潜力，如果可以通过负荷调节响应电网削峰填谷、调频等需求，将会助力电力系统更加安全稳定地运行。另一方面，伴随着电解铝企业向风、光、水等资源丰富的西部地区转移，企业可以通过投资光伏、风电、小水电等分布式资源进行自产自用，以替代自备火电厂的使用、实现自备电清洁化。但由于这些分布式资源发电波动性强、储能配置成本也较高，电解铝负荷的灵活性将影响分布式供电的可行性和经济性。因此，电解铝行业需求侧灵活性的发展，对于促进行业自身以及整个电力系统的低碳转型都至关重要。 1.3 电解铝行业需求侧灵活性相关目标及政策 近年来，国家陆续推行了相关政策并制定了行业发展目标，直接或间接地促进电解铝的绿色升级和需求侧灵活性发展。2021 年 10 月，国家发改委等五部门联合印发《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，对钢铁、电解铝、水泥等重点行业和数据中心节能降碳及绿色低碳转型提出明确目标任务，到 2025 年，通过实施节能降碳行动，重点行业达到标杆水平的产能比例超过 30%，深挖节能降碳技术潜力；2021 年 12 月，工信部等三部门发布的《“ 十四五 ”原材料工业发展规划》提出到 2025 年电解铝行业碳排放总量下降 5%，并促进电解铝行业布局由“ 煤 - 电 - 铝 ”向“ 水电、风电等清洁能源 - 铝 ”转移，推广高电流密度低能耗铝电解等措施；2022 年 2 月，发改委发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022 年版）》提出，到 2025 年电解铝产能达到能效标杆水平的比例超过 30%；2022 年 11 月，工信部等发布《有色金属行业碳达峰实施方案》，提出“ 十五五 ”期间有色金属行业用能结构大幅改善，电解铝使用可再生能源比例达到 30% 以上，以确保 2030 年前有色金属行业实现碳达峰；2022 年《“ 十四五 ”现代能源体系规划》明确提出电力需求侧响应能力达到最大用电负荷的 3% ～ 5%，引导大工业负荷参与辅助服务市场，鼓励电解铝、铁合金、多晶硅等电价敏感型高载能负荷改善生产工艺和流程，发挥可中断负荷、可控负荷等功能。2023 年，国家发改委修订发布了《电力需求侧管理办法（2023 年版）》《电力负荷管理办法（2023 年版）》，指出加强高耗能、高排放企业使用绿电的刚性约束，并依据高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平，优先限制能效水平低于基准水平的企业用电需求；首次新增需求响应章节，强调按照市场化、常态化、聚合化、可靠化方向推进需求响应工作。此外，国家发改委等部门也发布了《工业重点领域能效标杆水平和基准水平（2023 年版）》，修订了电解铝行业能效标杆水平和基准水平。从省份来看，许多省份也制定或进一步完善了大工业分时电价以及尖峰电价政策，以鼓励和引导企业错峰生产，由此为包括电解铝在内的工业提供主动挖掘需求侧灵活性的经济激励。例如，江苏省发改委发布《省发展改革委关于进一步完善分时电价政策的通知》，以引导工业电力用户主动避峰、保障民生用电稳定供应、确保电力供需平稳为目标，优化 315 千伏安及以上的工业用电夏、冬两季尖峰电价。四川、重庆、山西等省份也开始执行新的峰谷电价政策。其他电解铝相关行业政策如图表 2 所示。 二、电解铝生产工艺特征及负荷调节潜力 2.1 电解铝生产工艺流程及主要设备负荷情况 2.1.1 电解铝厂的生产系统 一个典型的电解铝厂主要包括四大生产系统：动力系统、电解系统、净化系统和阳极组装系统。动力系统主要负责企业内部所有单位的生产和生活用电、用水和用风，并负责电解槽计算机控制系统的维护。电解系统负责生产出合格的铝液。净化系统负责将电解槽排出的烟气收集净化处理，将氧化铝通过浓相、净化、超浓相系统输送到电解分厂的每台电解槽。而阳极组装系统则用于残极处理和阳极组装。各生产系统之间的关系如图表 3 所示。由于铝业的需求侧灵活性主要来源于电解环节，因此下文将重点介绍电解铝生产环节的具体工艺流程。 2.1.2 电解铝生产工艺流程 电解铝的生产采用冰晶石 - 氧化铝熔盐电解法，主要是指将铝土矿转化为氧化铝，再用高温熔盐电解生产原铝的过程。整个生产过程以氧化铝为电解质原料，以冰晶石为溶剂，将氧化铝、氟化盐等原辅料分别送入电解槽内。氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，形成具有良好导电性的均匀熔体。生产采用碳素材料做阴阳两极，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应。整个过程在阳极上产生阳极气体（二氧化碳），阴极上析出液态铝，用真空抬包周期性从电解槽吸出，送铸造分厂铸重熔用铝锭。电化学反应过程中，阳极不断消耗，阳极母线不断下降，要进行阳极更换和母线提升作业，另外通过计算机控制，通过超浓相输送向电解槽定时添加氧化铝，保证生产连续平稳进行。由于在整个电解铝生产过程中需要有持续稳定的电流供应，因此电解槽负荷率通常维持在 95-98% 左右。具体生产流程如图表4 所示。 2.1.3 电解铝生产主要设备及负荷占比 电解铝生产的负荷可分为生产性负荷和非生产性负荷。生产性负荷是指铝冶炼过程中，由于生产设备驱动、电加热或者电化学过程而消耗的电力。生产性负荷又可分为三类：主要生产负荷、安全保障负荷和辅助生产负荷。其中，主要生产负荷占比最高，通常占总负荷的 75%-90%。非生产性负荷是指企业用于办公照明、办公电器、空调制冷、制热等功能的辅助性负荷，占比通常在 1%-5%。各类型负荷占比及其对应的主要设备如图表 5 所示。 2.2 电解铝需求侧灵活性来源及其潜力 根据不同时长和程度的灵活性需求，电解铝生产不同环节对应不同调节潜力和调控时间特征。图表 6 总结了不同环节主要设备对应的响应时间以及调节潜力。其中，若仅考虑电解冶炼过程，铝电解槽是负荷占比最高的生产设备，其对应负荷占比 80% 以上，理论情况下可实现的可调负荷占比可达到总体负荷 15%-23% 左右，响应时间最高可持续 2 小时。此外，多功能天车和风机也具备 2%-4% 的负荷调节潜力。非生产性负荷调节潜力较低，整体不到 1%。各个主要设备的调节潜力和调控时间如图表 6 所示。 2.3 电解铝需求侧灵活性的实施方案 电解铝需求侧灵活性潜力的挖掘主要可通过三类方法：①通过调节电解槽中整流器输出端的电压或输入功率来调整负荷；②通过切换断路器直接关闭整个电解槽线来调整负荷。其中，根据电解槽的中断时长也可再进一步分为短时中断和长时中断。短时中断是指在短期内（通常在几分钟到两小时 ）中断电解槽的运行，并在期间通过其自身的热惯性来维持生产设备的运转；长时中断是指工厂直接停槽，直到被通知可以恢复生产；③通过自备电厂，包括传统火电自备电厂、自发自用型分布式可再生电源和储能电池提供灵活性。自备电厂能够降低企业对于电网的依赖程度，可以在电网负荷较高的时候通过自身供电替代部分电网供电来提供灵活性。6 2.3.1 通过调整功率/