電是人類追求光明的產(chǎn)物，電能的應(yīng)用開啟了人類文明演進(jìn)的嶄新時(shí)代。電能是當(dāng)今人類重要的終端能源形式，對于電能的認(rèn)識(shí)、掌握和使用是人類社會(huì)由工業(yè)文明向電氣化文明轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源只有轉(zhuǎn)化為電力才能大規(guī)模開發(fā)利用，電將成為未來清潔能源系統(tǒng)的核心。電也是不同品種、不同類型能量間相互轉(zhuǎn)換的媒介，可以無限分割、光速傳輸、精準(zhǔn)控制，能夠高效地轉(zhuǎn)換為光能、熱能、機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式能源加以利用。如今，電能已經(jīng)廣泛而深入地改變了人類的生產(chǎn)和生活，電與陽光、空氣和水一樣不可或缺。隨著化石能源不斷減少、氣候變化形勢日益嚴(yán)峻、環(huán)境污染情況不斷加劇，人類對于能源利用的可靠性、環(huán)保性及可持續(xù)性提出了更高要求，其核心是在能源生產(chǎn)側(cè)實(shí)現(xiàn)清潔替代，在能源消費(fèi)側(cè)進(jìn)行電能替代。
用電技術(shù)進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)消費(fèi)側(cè)電能替代的關(guān)鍵。未來，隨著用電技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，電的應(yīng)用將突破傳統(tǒng)用電領(lǐng)域限制，逐漸實(shí)現(xiàn)電能替代、間接電能替代（即電制燃料）和電的非能利用（即電制原材料），加速形成以電為中心，清潔、高效的能源服務(wù)體系。經(jīng)過百余年的發(fā)展，用電技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步，當(dāng)前電照明技術(shù)、電力拖動(dòng)技術(shù)、信息用電技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用，電加熱、電化學(xué)等具有較好的電能替代潛力。
用電技術(shù)進(jìn)步將促進(jìn)供應(yīng)側(cè)的清潔替代。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，用電負(fù)荷將更加智能、靈活、可控，成為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中重要的靈活性來源，提供從秒級(jí)到月級(jí)等不同時(shí)間尺度的調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)源隨荷動(dòng)模式向新型源荷互動(dòng)模式的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)更高比例、更大范圍的可再生能源高效利用和消納，推動(dòng)能源供應(yīng)側(cè)的全面清潔替代。
報(bào)告共7章，按照光能、機(jī)械能、熱能、化學(xué)能等不同終端能源利用形式，分章節(jié)介紹電照明、電力拖動(dòng)、電制熱（冷）、電化學(xué)、信息用電等5大類用電技術(shù)，主要內(nèi)容包括用電技術(shù)基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢�；�于不同用電技術(shù)類型，從各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、特性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，重點(diǎn)分析各用能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)電能替代的可行性，研判用電規(guī)模趨勢；基于用戶行為和用電技術(shù)特性，以秒級(jí)、小時(shí)級(jí)和周月等不同時(shí)間尺度，分析和研究各類用電技術(shù)為電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)能力的發(fā)展?jié)摿Α?br />報(bào)告是全球能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)系列成果之一，旨在幫助讀者了解主要用電技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為行業(yè)內(nèi)外人士，特別是政策制定者提供重要參考。研究成果對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，進(jìn)一步提升終端用能電氣化水平，實(shí)現(xiàn)世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
本報(bào)告集合了全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織對用電技術(shù)的相關(guān)研究成果，在研究和編寫過程中走訪調(diào)研了山東大學(xué)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國網(wǎng)電動(dòng)汽車公司、國家能源集團(tuán)等單位，以及合作組織智庫聯(lián)盟、大學(xué)聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)，得到了電氣工程、能源與動(dòng)力工程、化學(xué)工程、信息與通信工程等領(lǐng)域的多位專家學(xué)者及合作組織咨詢（顧問）委員會(huì)和技術(shù)（學(xué)術(shù)）委員會(huì)專家的幫助和支持，在此表示衷心感謝。受數(shù)據(jù)資料和編寫時(shí)間所限，內(nèi)容難免存在不足，歡迎讀者批評(píng)指正。
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摘 要



當(dāng)前，全球化石能源資源逐漸枯竭、氣候變化形勢日益嚴(yán)峻、環(huán)境污染情況不斷加劇，能源系統(tǒng)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展已成為全球共識(shí)，其核心在于能源供應(yīng)側(cè)實(shí)現(xiàn)清潔替代，能源消費(fèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)電能替代。用電技術(shù)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)電能替代、促進(jìn)能源系統(tǒng)清潔轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。通過構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)用電技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，提高終端用能的電氣化水平，推動(dòng)能源消費(fèi)清潔化、低碳化，終實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展。
報(bào)告按照終端光能、機(jī)械能、熱能、化學(xué)能等用能形式的不同，聚焦電照明、電力拖動(dòng)、電制熱（冷）、電化學(xué)和信息用電等5大類32種用電技術(shù)，回顧發(fā)展歷程，分析技術(shù)原理，調(diào)研規(guī)模存量，提出攻關(guān)方向，對各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了研判，并結(jié)合能源清潔轉(zhuǎn)型趨勢，重點(diǎn)對未來各類用電技術(shù)的用電需求和靈活性調(diào)節(jié)潛力進(jìn)行了研究。
從技術(shù)進(jìn)步角度來看，各類用電技術(shù)將更加節(jié)能、高效、智能、可控。電照明技術(shù)未來將向更高的光效、更長的壽命、更好的顯色效果以及智能化控制方向發(fā)展。電照明將電能轉(zhuǎn)化為光能，是人類早開發(fā)的電力應(yīng)用領(lǐng)域之一，其發(fā)展歷經(jīng)白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、發(fā)光二極管（LED）等四個(gè)階段，以LED燈為代表的電子光源逐漸成為主流。主要研發(fā)方向包括陶瓷金鹵燈電弧管技術(shù)、大功率高透光球形熒光燈技術(shù)、LED光源技術(shù)以及智慧照明技術(shù)等。
電力拖動(dòng)技術(shù)將向高效節(jié)能、小型化、高可靠性、智能化方向發(fā)展。電力拖動(dòng)技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于拖動(dòng)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，又稱電力傳動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的效率、功率密度和壽命是三大核心指標(biāo)。直流電機(jī)將成為主流，主要研發(fā)方向包括無刷直流電機(jī)無位置傳感器技術(shù)、基于數(shù)字信號(hào)處理器的控制技術(shù)、基于雙閉環(huán)控制的調(diào)速技術(shù)等；交流電機(jī)方面的研發(fā)重點(diǎn)包括調(diào)速技術(shù)、啟動(dòng)及制動(dòng)技術(shù)等。
電制熱（冷）技術(shù)總體朝提高熱效率、降低能耗、提高能效比、提高溫度控制精確性和換熱效率方向發(fā)展，并不斷延長壽命提升工程經(jīng)濟(jì)性。電制熱（冷）是消耗電能直接或間接獲取熱能的加熱方式，有兩類技術(shù)路線，一是電能在電路、電熱器具中轉(zhuǎn)化為熱能，二是電能驅(qū)動(dòng)熱泵傳導(dǎo)熱能。對于各類電加熱爐，研發(fā)方向包括提高電阻爐溫控精度和自動(dòng)化控制水平、超高功率電弧爐技術(shù)、精確溫控感應(yīng)加熱系統(tǒng)、大型微波加熱技術(shù)等；在熱泵、空調(diào)方面，研發(fā)方向包括提高氣候適應(yīng)性、降低運(yùn)行噪聲、研發(fā)環(huán)保冷媒以及研發(fā)用于數(shù)據(jù)中心的非傳統(tǒng)空調(diào)等。
電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用潛力巨大，特別是以電制氫為代表的電制燃料和原材料（P2X）是未來間接提高終端用能電氣化水平的重要技術(shù)。電能在電化學(xué)方面的應(yīng)用利用了電能與化學(xué)能間的相互轉(zhuǎn)化，典型的傳統(tǒng)電化工有電解鋁、氯堿工業(yè)等，可實(shí)現(xiàn)脫碳、負(fù)碳的P2X技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向。當(dāng)前P2X尚有部分關(guān)鍵技術(shù)有待突破，轉(zhuǎn)化效率、選擇性、經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵指標(biāo)有待提升。電制氫方面，研發(fā)方向包括高效大功率堿性電解技術(shù)、低成本質(zhì)子交換膜電解技術(shù)、
長壽命高溫固體氧化物電解技術(shù)等；電制甲烷方面，研發(fā)方向包括優(yōu)化電解水和甲烷化反應(yīng)兩套系統(tǒng)的集成與配合、加強(qiáng)熱管理、增加余熱回收以及開發(fā)二氧化碳直接電還原制甲烷催化劑等；電制甲醇方面，研發(fā)方向包括開發(fā)高效、穩(wěn)定、高選擇性二氧化碳甲醇化反應(yīng)催化劑，完善甲醇化輔機(jī)設(shè)備，增加反應(yīng)余熱回收利用等。
信息技術(shù)用電是一種快速增長、相對新興的用電類型，提高電能利用效率（PUE）是未來信息用電技術(shù)的主要發(fā)展方向。信息技術(shù)自第三次科技革命以來影響著人們生活的方方面面，信息的接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化、傳送和發(fā)布等信息處理過程都伴隨著電能的消耗。信息技術(shù)用電主要包括數(shù)據(jù)中心、通信基站以及消費(fèi)電子產(chǎn)品等。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)設(shè)備的用電規(guī)模穩(wěn)步攀升，成為不可忽視的重要用電領(lǐng)域。電能利用效率是衡量數(shù)據(jù)中心、通信基站能源效率的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在用電需求研究方面，報(bào)告將用電需求劃分為傳統(tǒng)用電、電能替代、間接電能替代和電的非能利用等四個(gè)層次，結(jié)合各行業(yè)生產(chǎn)或消費(fèi)需求預(yù)測，基于用電技術(shù)發(fā)展趨勢研判，分析各用能領(lǐng)域電能替代的可行性，根據(jù)不同的場景提出了遠(yuǎn)期用電規(guī)模的技術(shù)性判斷。
2018年，全球用電量23.4萬億kWh，其中照明用電17%，電力拖動(dòng)用電48%，電制熱（冷）20%，電化學(xué)5%，信息用電10%。預(yù)計(jì)到2050年，全球用電量將達(dá)到70萬億～91萬億kWh，其中，中國用電量將達(dá)到14.6萬億～19.3萬億kWh。除傳統(tǒng)用電增長外，電制熱（冷）技術(shù)和以電動(dòng)汽車為主的電力拖動(dòng)技術(shù)帶來的電能替代有望成為近中期用電需求的主要增長點(diǎn)；電化學(xué)技術(shù)，特別是以電制氫為代表的P2X在遠(yuǎn)期帶來的間接電能替代和電的非能利用將進(jìn)一步擴(kuò)展用電領(lǐng)域，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br />具體而言，電照明方面，照明領(lǐng)域已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)電氣化，屬于典型的傳統(tǒng)用電領(lǐng)域，未來用電規(guī)模的變化主要受需求增加、能效提升以及無電人口減少等因素影響，照明用電規(guī)模7萬億～8萬億kWh，占總用電量的比重下降至10%左右。電力拖動(dòng)方面，工業(yè)用電機(jī)等屬于傳統(tǒng)用電領(lǐng)域，電氣化軌道交通已有一定程度的普及，電動(dòng)汽車、港口岸電、機(jī)場APU等屬于主要的新增電能替代領(lǐng)域，預(yù)計(jì)電力拖動(dòng)用電規(guī)模30萬億～35萬億kWh，占總用電量的比例下降至44%以下，仍將是規(guī)模的用電負(fù)荷。電制熱（冷）方面，未來主要的用電增長點(diǎn)是工業(yè)電爐、居民及商業(yè)電采暖、電炊事等領(lǐng)域的電能替代，預(yù)計(jì)用電規(guī)模15萬億～19萬億kWh，占總用電量的21%左右。電化學(xué)方面，電制燃料和原材料技術(shù)的廣泛應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)部分終端用能領(lǐng)域深度電能替代并進(jìn)一步擴(kuò)展電的應(yīng)用范圍的關(guān)鍵所在，預(yù)計(jì)用電規(guī)模10萬億～20萬億kWh，在不同預(yù)測場景下的占比從14%到22%不等。信息用電方面，隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心和通信基站用電量提升顯著，預(yù)計(jì)用電規(guī)模7萬億～9萬億kWh，占總用電量的比例在10%左右。
在靈活性調(diào)節(jié)潛力研究方面，基于各類用電規(guī)模的分析結(jié)果，從技術(shù)可調(diào)性和用戶行為約束兩個(gè)方面開展分析。技術(shù)可調(diào)性影響可調(diào)深度，用戶行為約束則主要影響用戶參與度。綜合可調(diào)深度和參與度的不同水平，分場景提出用電靈活性潛力。


根據(jù)報(bào)告研究，在積極樂觀的技術(shù)進(jìn)步場景下，預(yù)計(jì)到2050年，全球各類用電技術(shù)可提供瞬時(shí)尺度（秒級(jí)）調(diào)節(jié)能力5億kW，占負(fù)荷的3%左右，主要來源于可調(diào)LED光源、電動(dòng)汽車車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）和質(zhì)子交換膜電解裝置等；短時(shí)尺度（小時(shí)級(jí)）調(diào)節(jié)能力44億kW，占負(fù)荷的29%左右，主要由電動(dòng)汽車V2G、蓄熱型電采暖、各類電解設(shè)備、裝備UPS的數(shù)據(jù)中心和通信基站等提供；長時(shí)間尺度（周、月）下，電化工技術(shù)可以為電力系統(tǒng)提供大容量長期調(diào)節(jié)能力，達(dá)13億kW，占負(fù)荷的8%左右，儲(chǔ)電量占年用電量的6%。靈活用電負(fù)荷與源、網(wǎng)、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的靈活性資源實(shí)現(xiàn)高效互動(dòng)，共同支撐構(gòu)建清潔、堅(jiān)強(qiáng)、智能、柔性的全球能源互聯(lián)網(wǎng)。