1200亿度工业超额用电,哪里来的?

全社会用电量增速高于GDP增速,特别是工业用电量增速高于规模以上工业增加值增速的现象,近十余年较为罕见

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

文 | 盛中明

编辑 | 潘潘

2023年全社会用电量增速6.8%,高于GDP增速1.6个百分点;同时,工业用电增速(6.6%)也显著高于规模以上工业增加值增速(4.6%)

全社会用电量增速高于GDP增速,特别是工业用电量增速高于规模以上工业增加值增速的现象,在近十余年中都是较为罕见的。

本文研究发现,2023年可能存在约1200亿度的工业“超额用电”,这部分“超额用电量”可能主要来自新能源产品生产耗电;而在第三产业和居民生活领域,新能源车充电可能也对用电量产生了重要影响。

本文的研究清晰显示了我国用电格局的一些变化,也为我们理解新能源产业、经济增长和能源需求等问题带来了新的启示。

2023年可能存在

约1200亿度的工业“超额用电”

电力在现代社会中被广泛运用,用电量是观察经济运行状态的重要指标。2023年的用电量有着较为特殊的表现——全社会用电和工业用电增速同时较大幅地高于对应的增加值增速:全社会用电量9.2万亿度(kWh),较上年增加5869亿度,增速6.8%,比GDP增速(5.2%)高出1.6个百分点;同时,6.6%的工业用电增速也显著高于规模以上工业增加值增速(4.6%)2.0个百分点。

此前,这一现象在近十余年间仅在2018年出现过(图1、2),但2018年全社会用电和工业用电的同步相对高增主要是因为“煤改电”等工作集中开展。根据中国电力企业联合会披露的数据,2018年“以电代煤、以电代油”产生的电能替代总量约1500亿度,拉动全社会用电增长超过2.3个百分点,这一因素基本可以解释2018年全社会用电增速超过GDP增速的部分。

2021年,虽然全社会用电增速也较大幅地高于GDP增速,但主要是因为第三产业用电的恢复性反弹(增速18%),当年9.1%的工业用电增速依然要低于工业增加值增速(9.6%)

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数据来源:Wind

2023年工业用电增速显著高于历史水平(图3)。2023年,工业用电近6万亿度,较上年增加约3700亿度,增速6.6%(用第二产业用电增速代替)。这一增速较2015-2019年的平均增速高出2.4个百分点,也较2020-2022年的平均增速高出2.1个百分点。

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数据来源:Wind

工业用电量的相对高增情况如此罕见,我们猜想,工业行业在2023年或许存在着超出工业增加值增长所能解释的“超额用电量”:

工业超额用电量=工业用电实际值-基于工业增加值和工业用电间的相关关系计算的工业用电拟合值

本文采用三种不同的、可相互验证的方法,测算结果均显示:2023年存在着约1200亿度的工业超额用电量。

方法一:利用2012-2022年工业用电量和增加值增速的年度数据,建立以各行业用电量增速为因变量、各行业规模以上工业增加值增速为解释变量的回归模型,并根据38个工业行业生成对应的虚拟变量。

根据回归结果,可得各行业基于增加值增速的用电增速拟合值,进一步计算可得整体工业用电量拟合值。结果表明,2023年工业用电量的拟合值约为5.8万亿度,用电增速拟合值为4.4%;即2023年6.6%的实际工业用电增速高于增速拟合值2.2个百分点,存在约1212亿度的超额用电量。

方法二:继续使用方法一中的回归模型,但将数据换成2019-2022年工业用电量和增加值的当月同比增速数据,也可得到工业用电的增速拟合值。结果显示:2023年工业用电量拟合值为4.3%,存在约1280亿度的超额用电量。

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:Wind、作者自行测算

方法三:采用一个更简单的方法,计算工业用电的增加值弹性=工业用电增速/规模以上工业增加值增速。可见除2022年外,2015年供给侧改革以后,历年的工业用电弹性基本稳定。2016-2021年的用电量弹性均值为0.93(即工业增加值每增长1个百分点,用电量增长0.93个百分点)

以此为基准计算,2023年4.6%的工业增加值增速,对应着4.3%的工业用电增速和5.84亿度的用电量。与工业实际用电量比较,显示2023年存在着约1291亿度的超额用电量。

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数据来源:Wind

工业“超额用电”

主要来自新能源产品生产

前文在采用方法一计算工业整体超额用电量的过程中,也得到了各工业行业的超额用电量(图6)。超额用电情况最突出的是非金属矿物制造业、电气机械和器材制造业,这两个行业的超额用电量占到全部工业超额用电量的60%。

而这两个行业均与近年表现亮眼的新能源产业有着密切关联:新能源汽车所用的动力电池、储能电池以及光伏设备的制造均属于电气机械和器材制造业;电池、光伏产品制造所需的石墨、光伏玻璃的产业链则涉及非金属矿物制造业。

基于这一现象,可以进一步猜想:工业“超额用电量”可能主要来自新能源产品生产耗电。为了验证这一猜想,下文估算了动力和储能电池、光伏产品和新能源汽车这三类主要新能源产品的用电,发现这些主要新能源产品的全流程生产过程合计耗电较上年增长约1197亿度,基本可以解释前文测算的工业超额用电量。

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:作者自行测算

  • 动力和储能电池生产用电

随着电动汽车的快速发展以及电能储存需求的扩大,中国动力和储能电池的产量在近年也快速扩张(图7),2023年达到778Gwh(1Gwh=100万Kwh),较上年增长42.5%,是2019年产量的9倍有余。

目前的动力和储能电池基本都是锂离子电池,电池的正极材料是含锂化合物、负极材料多使用石墨。我国生产的动力和储能电池目前主要有磷酸铁锂电池和三元材料电池,前者以磷酸铁锂作为正极材料,后者正极材料是镍、钴、锰(或铝)三种金属元素的聚合物,二者在2023年的产量占比分别为68.3%和31.5%。

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数据来源:Wind

锂离子电池的生产过程较为耗电,电极涂布后的烘干过程和干燥间的干燥机组运行耗用了大量电力。根据已有研究(见附录1),规模化锂离子电池生产过程的单位耗电量约在35-50kWh/kWh,若取中间值42.5 kWh/kWh(即每生产1kWh的电池耗用42.5度电)计算,2023年我国动力和储能电池生产过程耗电约331亿度,较上年增加约99亿度。

此外,电池正、负极材料以及电解液的生产也较为耗电。以磷酸铁锂电池为例,根据业内企业披露数据,生产1GWh磷酸铁锂电池需要磷酸铁锂正极材料约2500吨、电解液耗用量约1550吨、石墨1400吨。再根据磷酸铁锂生产单位综合电耗行业准入值为5600度/吨,电解液生产单位综合电耗约191度/吨,石墨生产单位综合电耗约1.3万度/吨,估算出2023年我国动力和储能电池生产所需原材料的生产耗电约583亿度,较上年增长174亿度。

  • 光伏发电组件生产耗电

2021-2023年,我国光伏电池产量保持每年50%左右的增速(图8),2023年产量达到54116万千瓦。光伏制造主要包括晶硅提纯、硅锭硅片、光伏电池和光伏组件四个环节。晶硅提纯从工业硅粉中提取太阳能级晶硅,然后将硅晶体切割加工、刻蚀清洗、印刷电极制成光伏电池片,再由电池片封装制成最终的光伏组件。其中,晶硅提纯需要在高温条件下完成,要消耗大量的电能。

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数据来源:Wind

2016年,中国光伏行业协会在《关于光伏行业所谓的“高耗能”》一文中以原料硅砂为起点,测算了光伏产品从硅石到可发电系统的总单位电耗为1.52度/瓦。但行业节能进展较快,2023年光伏企业隆基绿能创始人李振国披露,目前从石英矿开始到产出光伏组件,单位电耗约0.4度/瓦。按照0.4度/瓦的单位电耗测算,2023年我国光伏发电组件全过程生产耗电约2165亿度,较上年增长790亿度。

  • 新能源汽车生产用电

新能源汽车产量在2020年后连续高速增长(图9),2023年产量达到944万辆,较上年增长30.8%,是2019年产量的近8倍。汽车行业车均生产用电在近年来稳定在2400度/辆左右的水平(图10),假设新能源车生产阶段的车均耗电与汽车行业整体情况一致,则可估算2023年新能源车生产耗电约249亿度,较上年增长70亿度。

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:Wind

此外,还可以计算生产新能源车所需的铜、铝、钢等主要金属的生产用电。由于新能源车有电力传导系统且有着更高的轻量化要求,所以新能源车的用铜量、用铝量高于燃油车,这些有色金属制造过程耗电较高,也就使得新能源车原材料的生产较燃油车可能更为耗电。

根据已有研究,新能源车均用铜约106kg;根据国际铝协数据,2020 年中国纯电动和混动新能源乘用车单车用铝分别为158kg和198kg,取其平均值178 kg作为测算依据。考虑新能源车轻量化趋势后,有研究计算新能源乘用车的单车用钢量为890kg。结合上述三类金属的生产单位电耗,2023年生产新能源车所需的铜、铝、钢等主要金属耗用电力合计约274亿度,较上年增加65亿度。

综合上述测算(表1),动力和储能电池、光伏发电组件、新能源汽车这三类主要新能源产品在2023年耗用电力约3602亿度,较上年增加1197亿度,基本可以解释前文测算的约1200亿度的工业超额用电量。

表1:主要新能源产品生产用电量
1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:作者自行测算

如果剔除上述主要新能源产品生产的用电,2023年的工业用电增速将下降1.9个百分点至4.7%,与2023年规模以上工业增加值的增速基本吻合(图11)。这说明,新能源产品的高增长态势及其更高的单位耗电量,可以成为解释2023年工业用电增速高于增加值增速的主要原因。

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:Wind

2023年新能源车

充电也耗用了近700亿度电力

既然在工业领域,新能源产品生产带来了更高的用电量;那么,在第三产业和居民生活领域,新能源车充电也可能会对用电量产生重要影响。

到2023年底,我国新能源汽车保有量已达2041万辆,保有量增速连续三年超过50%。与此同时,充电设施也同步扩张,2023年公共充电桩和私人充电桩保有量分别达到273万和587万台,是2020年的3.4和6.7倍。

在电力领域,新能源汽车到公共充电桩充电所耗用的电量会被计入“批发零售业”下属的“充换电服务业”用电;新能源汽车在私人充电桩充电则在大部分地区执行居民生活用电价格,其耗电应属于居民生活用电。

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数据来源:Wind

本文使用两种不同的方法测算了新能源汽车充电耗用电力,交叉验证后两种方法的结果基本一致(表2)。2023年新能源汽车充电耗用电力约692亿度,较上年增加278亿度。

表2:新能源汽车充电耗用电力测算
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数据来源:作者自行测算

方法一通过公共和私人充电桩充电数据测算得到:

  • 假设私人充电桩与新能源汽车按1:1比例配建,且配建了私人充电桩的汽车不会到公共充电桩充电;
  • 每年到公共充电桩充电的新能源汽车数量=新能源汽车总保有量-私人充电桩数量;
  • 假设公共充电桩耗用电力等于“充换电服务业”用电,则到公共充电桩充电的新能源汽车年均耗电=“充换电服务业”用电/到公共充电桩充电的新能源汽车数量。
  • 以近三年到公共充电桩充电的新能源汽车年均耗电均值,为私人桩桩均耗电值(3317度),私人桩耗电=私人桩数量*私人桩桩均耗电值。

方法二则基于新能源汽车保有量,根据行业调查获得的汽车年均行驶里程和百公里电耗得到:根据汽车之家研究院联合新能源汽车国家大数据联盟发布报告中的数据,新能源营运汽车年均行驶约7.2万公里、非营运汽车年均行驶约1.5万公里,新能源汽车百公里电耗约17度。由表2可见,两种方法测算得到的新能源车充电耗电量在近年基本吻合,下文分析中采用方法一得到的结果。

剔除新能源车充电因素后,第三产业+居民生活合计用电的增速在2023年为6.2%,较剔除前的增速低了0.9个百分点。

1200亿度工业超额用电,哪里来的?

数据来源:作者自行测算

(本报告的完整版请前往微信公众号“中国金融四十人论坛”索取)