能源转型背景下电网的金属需求

（2024年11月19日） •研究员-马芸•mayun@cmschina.com.cn•联系电话：18682466799•资格证号：Z0018708 2024年11月19日 全球电网升级改造趋势01 不同能源目标下线路金属需求测算02 更广泛的能源规划视角与落地可能性03 海外电网升级改造趋势 电网基础设施 电网结构与分类 组件分类 关键公司 •电缆（架空/地下）•变压器•开关设备（断路器等）•变速驱动器 电网分为不同电压等级。低压线路为住宅和商业用户供电，中压线路为村庄和中小型工业场地供电；这两级电网线路均与分布式发电相连通。这些线路共同构成配电网。高压电网连通公用事业规模发电厂、配电网和大型工业用户，与用于远距离输电的超高压和特高压（UHV）线路共同构成输电网。 •Prysmian•ABB•中天科技•General Electric•Schneider Electric.•Mitsubishi Electric•Siemens.•Hitachi Energy•Eaton•Havells .•Hubbell.•Fuji Electric•Sumitomo Electric.•Hyundai Electric &EnergySystemsCo..•Toshiba Energy Systems&Solutions.•Southwire Company 资料来源：IEA、招商期货 电网发展概况 电网扩建逐年提速 截至2024年，全球电网线路总长度约为8600万公里，其中输电网约600万公里的高压线路（超过70KV）组成，配电网由约800万公里的中压（10-70KV）线路以及约7200万公里的低压（低于10KV）线路组成。 输电侧：输电网约占总长的7%。过去十年间，仅中国的输电网扩建就占全球扩建量的三分之一以上，巴西印度等国也有显著增量。发达经济体的输电网增长率则较低，仅为9%。可能由于容量更大的单线线路取代了旧的并行线路。 配电侧：配电网约占总长的93%，扩张带来的增长主要发生在配电侧。十年间，全球新修建的配电线路长度约为1500万公里，其中近1250万公里是在新兴市场和发展中经济体修建的。在发达经济体中，由于电力普及率已经接近100%，升幅较小。 后续电网建设周期与方向 电网扩建周期 建立发电和电力服务之间的电网连接涉及多个利益相关方，且时间跨度长。在发达经济体中，大型输电系统项目的审批和建造通常需要5-13年，而低电压项目和配电网项目则分别需要4-8年和4年内完成。相比之下，中国和印度由于集中决策和政府优先战略，输电线路的前导时间明显较短。美国和欧盟等发达经济体的前导时间较长，部分原因是许可和公众参与程序受到更多关注，可能导致新项目通过的延迟. 其他新兴市场中电网建设的挑战 稳定性：预计2030年，新兴市场中的意外停电事件将导致1.3万亿美元损失能效损耗：目前给全球造成的损失达0.8-1亿美元/年可得性：2023年仍有7.75亿人不能正常使用需求增加：2030年新兴市场经济体用电需求超过2600TWh 韧性：全球50%的电网平均每年有50天暴露在高自然灾害风险中可变和分布式能量：电网承载能力要求提升数据管理：2023年自动化设备将达到130亿，2030年将超过250亿新增负载和存储：2030年新兴市场电动车增至3.4亿辆 电网升级改造趋势：老旧电线现代化更新改造 现代化改造需求增加 由于更早的电气化，发达经济体的电网普遍存在老化问题，许多设施已使用超过50年，是该部分需求的主要拉动区域。同时，老旧电线设计现代化改造的需求日益增长，以提升效率、可靠性，并整合新能源。相比之下，新兴市场和发展中国家的电网较新，约 40%的电网设施是近10年内建成的，而运营超过20年的设施不足38%。 ◆美国电网：大部分建设于20世纪60-70年代，目前超过70%的电网接入和输配电设备已经超过了预期使用寿命。 ◆欧洲电网：预计约有40%的配电网已经使用超过40年。将在未来10-20年内带来大量更换需求。 *变压器超过使用年限导致绝缘材料老化，增加故障率；断路器老化后，在故障时跳闸的可靠程度可能会降低 电网升级改造趋势：电力需求增长 1.发展中国家的经济与人口增长为未来电力需求增长做出了主要贡献 2023年全球电力需求增长了2.2%，预计到2026年将以平均每年3.4%的速度增长。 大约85%的额外电力需求将来自发达经济体之外的地区。新兴经济体是全球电力需求增长的主要驱动力，其中中国、印度和东南亚国家的电力需求增长尤为显著。 中国的电力需求在2023年增长了6.4%，预计在2024年至2026年间将以平均每年4.7%至5.1%的速度增长。印度的电力需求在2023年增长了7%，预计到2026年将以年均超过6%的速度增长。东南亚国家的电力需求预计将以平均每年5%的速度增长。 数据来源：IEA、招商期货 电网升级改造趋势：电力需求增长 2.新兴技术的广泛应用驱动用电量的大幅增长 2022年，全球数据中心、人工智能和加密货币消耗了大约460太瓦时（TWh）的电力，约占全球总电力需求的2%。预计到2026年，数据相关的全球电力消耗可能在620-1050 TWh之间，其中基准情况下的需求略高于800 TWh，这相当于至少增加了一个瑞典或最多一个德国的电力消耗。数据中心 ：数据中心是支持数字化基础设施的关键部分，它们需要大量电力来处理和存储日益增长的数据量。 I.人工智能的电力需求：AI的快速发展和集成正在增加数据中心的电力需求。人工智能对电力的需求主要来自于数据中心，其中服务器、存储设备、通信设备等IT设备，以及照明、空调、冷却系统等配套设施是数据中心电力需求的主要来源。预计到2026年，AI行业的电力消耗将比2023年增长至少十倍。II.加密货币的电力需求：加密货币的挖掘和交易也需要大量的 电力，尽管其技术效率在提高，但电力需求的增长仍然存在不确定性。2022年，加密货币消耗了约110 TWh的电力，约占全球年电力需求的0.4% 数据来源：IEA、斯坦福大学研究、SemiAnalysis、招商期货 电网升级改造趋势：可再生能源整合 •可再生能源趋势 BloombergNEF的报告指出，2023年，全球超过40%的电力来自零碳源，其中风能和太阳能贡献了近14%，创下新高。2023年，几乎91%的全球净电力装机容量增加来自太阳能和风能，而化石燃料仅占6%，这是有史以来的最低水平。2024年上半年，可再生能源吸引了3130亿美元的新投资，与去年同期持平。 c要接纳申请并网的先进光伏和风电项目的巨大容量，就必须在短期内对输配电网进行大规模扩建。在2022年底已有装机容量的基础上，如果目前处于晚期阶段的太阳能和风能项目都完成部署，则意大利和美国的装机容量将增加45%以上，英国35%以上，日本近35%，墨西哥22%，巴西16%，澳大利亚、德国、印度和智利10%，哥伦比亚1%。虽然这些项目并不都能保证并网，但实现并网的项目所带来的大量新增容量将给有关市场的输配电网造成更大压力。 15亿-早期开发意向 中期内投运的可能性较小。项目可能需要额外的可行性研究，该等可行性研究可能会延长程序，增加开发商的财务负担。 02不同能源目标下线路金属需求测算 1、电力及设备发展基准情形 我们的需求 测算背 景基于国际能源署发布的《2023年世界能源展望》中包含的下述三个主要情景，并根据最新数据进行了更新。 所有情景都额外考虑了各种技术进入速度的不同国家的工业战略。 •既定政策情景(STEPS)是基于当下政策安排和考察了实际执行情况后设置推导的能源系统的发展方向。STEPS预计到2100年全球平均升温2.4°C (50%的可能性)。能源或气候目标不一定会得到满足。•宣布承诺情景(APS)假设各国政府将全面、及时地满足所有气候变化方面的要求以及相关的承诺，包括更长期的净零排放目标和在国家自主贡献(NDCs)中的承诺.APS预计按照该情形2100年有50%的可能性全球平均升温1.7°C。•到2050年实现净零排放情景(NZE)为全球能源部门到2050年实现净零二氧化碳排放量并限制全球温度在2100年比工业化前水平上升1.5°C以内指明了道路。NZE情景下还实现了与能源相关的联合国可持续发展目标(SDGs)。 下表给出了 不同假 设背景下的复合年均增长率，作为计算电网增量的重要参数。 2、假设情景下电力需求 未来的发电潜力直接决定了电网容量的规划。根据国际能源署设定的基准模型，发电量测算的基准输入参数包括各国的历史增长率和能源政策导向、能源价格与发电成本、制造业激励政策和预算、人口与经济增长等。并且在电力测算时特别关注建筑、工业、交通部门的终端用户电气化程度提升速度，特别是电动汽车，以及数据中心需求上升的驱动。 3、电网增长量测算 新兴市场电网长度计算1 电网长度的主要测算依据是电量需求与各国电网规划，表中主要展现的是中性情形（宣布承诺情形）下的新兴市场经济体电网增长量测算。新兴市场和发展中经济体的输电网投资的份额与发达经济体 相比要高得多。这些国家（例如中国）均有修建全新的高压线路和特高压走廊的计划。在新能源转型背景下，分布式光伏等能源项目以及终端电气化产品接入电网，新兴国家的配电网系统正在实现无源到有源的转变。 3、电网增长量测算 发达国家电网长度计算2 各地区经济和电气化底层发展变化不同，因此电网发展道路也不同。相比之下发达国家的电网基础更好，同时也面临着电网系统老龄化的挑战，因此旧电网的更新和智能化改造是发达国家在电网扩张的重点。需要注意的是，电网系统用铜主要集中在高压输变电和低压配电部分，包括高低压电线电缆、变电站等。这意味着在电网扩张中，无论是新建还是更换，这些部分都会对铜产生需求。另外，智能电网的建设需要更多的铜，因为它们需要更多的传感器、控制设备和通信设备，这些都会增加铜的使用。 4、电网增量带来的金属需求 •不同输电线路和系统对金属材料需求的比较分析 电网金属含量的计算方式受多种因素影响，包括线路类型、成本和技术因素。铜和铝是电网中电线和电缆的主要材料，其中铜因其优越的电导率和热导率而被视为首选材料，尽管其重量和成本高于铝。铝由于重量轻，通常用于架空电缆，并在某些情况下也用于地下和海底电缆。电网建设中对铜和铝的需求根据输电线路的类型、电压水平以及所需技术性能进行评估，以确定材料选择。预计随着电网的扩张，铜和铝的需求将显著增长，其中架空线路在长度上占较大比例，而地下和海底电缆则对单位长度的金属含量要求更高。 数据来源：IEA、招商期货 4、电网增量带来的金属需求 架空交流输电线路每兆瓦公里大约需要11千克铝（kg/MW/km），而电压低得多的架空配电线路每兆瓦公里则需要65千克铝。地下电缆输电每兆瓦公里需要101千克铜，配电每兆瓦公里需要438千克铜。高压直流输电线路所需的金属比交流输电线路少得多：架空高压直流输电线路所需的铝约为5千克/兆瓦/公里，地下电缆所需的铜约为29千克/兆瓦/公里。根据IEA的分析和制造商的环境产品申报报告，变压器的重量中铜约占12%-17%，换算成成本约占20%。在容量相同的情况下，交流线路和高压直流线路的材料需求由于无功功率而有很大不同。交流线路功率容量中，很大一部分被不做有用功的无功功率（MVAr）占用。高压直流线路则不然，它传输的全部功率都是有功功率（MW）。此外，高压直流系统通常在较高电压下运行，从而进一步减少了相同输电容量下对材料的需求。 注:需求以精炼铜为基础，不包括废料的直接使用。电动汽车需求包括电动汽车电池和电动汽车电机需求。 4、电网增量带来的金属需求 •技术更新情景下的调整电网金属含量的计算和需求可以通过技术创新和 材料选择的优化来调整。铝的增加使用可以显著减少铜的需求，具体来说，如果铝在地下和海底电缆中的使用量增加，到2040年可以减少约三分之一的铜需求，同时增加铝需求