電是人類追求光明的產物，電能的應用開啟了人類文明演進的嶄新時代。電能是當今人類重要的終端能源形式，對于電能的認識、掌握和使用是人類社會由工業(yè)文明向電氣化文明轉變的重要標志。水能、風能、太陽能等清潔能源只有轉化為電力才能大規(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換的媒介，可以無限分割、光速傳輸、精準控制，能夠高效地轉換為光能、熱能、機械能、化學能等其他形式能源加以利用。如今，電能已經廣泛而深入地改變了人類的生產和生活，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側實現(xiàn)清潔替代，在能源消費側進行電能替代。
用電技術進步是實現(xiàn)消費側電能替代的關鍵。未來，隨著用電技術發(fā)展進步，電的應用將突破傳統(tǒng)用電領域限制，逐漸實現(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、高效的能源服務體系。經過百余年的發(fā)展，用電技術已經取得長足進步，當前電照明技術、電力拖動技術、信息用電技術已經成熟并實現(xiàn)規(guī)�；瘧�用，電加熱、電化學等具有較好的電能替代潛力。
用電技術進步將促進供應側的清潔替代。隨著技術的不斷進步，用電負荷將更加智能、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，提供從秒級到月級等不同時間尺度的調節(jié)能力，實現(xiàn)傳統(tǒng)源隨荷動模式向新型源荷互動模式的轉變，促進更高比例、更大范圍的可再生能源高效利用和消納，推動能源供應側的全面清潔替代。
報告共7章，按照光能、機械能、熱能、化學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、電制熱（冷）、電化學、信息用電等5大類用電技術，主要內容包括用電技術基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、技術難點及未來發(fā)展趨勢�；�于不同用電技術類型，從各項技術發(fā)展現(xiàn)狀、特性和經濟性出發(fā)，重點分析各用能領域實現(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特性，以秒級、小時級和周月等不同時間尺度，分析和研究各類用電技術為電力系統(tǒng)提供靈活調節(jié)能力的發(fā)展?jié)摿Α?br />報告是全球能源互聯(lián)網關鍵技術系列成果之一，旨在幫助讀者了解主要用電技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為行業(yè)內外人士，特別是政策制定者提供重要參考。研究成果對實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，進一步提升終端用能電氣化水平，實現(xiàn)世界經濟、社會、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
本報告集合了全球能源互聯(lián)網發(fā)展合作組織對用電技術的相關研究成果，在研究和編寫過程中走訪調研了山東大學、清華大學、華北電力大學、北京航空航天大學、國網電動汽車公司、國家能源集團等單位，以及合作組織智庫聯(lián)盟、大學聯(lián)盟等機構，得到了電氣工程、能源與動力工程、化學工程、信息與通信工程等領域的多位專家學者及合作組織咨詢（顧問）委員會和技術（學術）委員會專家的幫助和支持，在此表示衷心感謝。受數(shù)據(jù)資料和編寫時間所限，內容難免存在不足，歡迎讀者批評指正。
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摘 要



當前，全球化石能源資源逐漸枯竭、氣候變化形勢日益嚴峻、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，其核心在于能源供應側實現(xiàn)清潔替代，能源消費側實現(xiàn)電能替代。用電技術發(fā)展是實現(xiàn)電能替代、促進能源系統(tǒng)清潔轉型的關鍵。通過構建全球能源互聯(lián)網，促進用電技術不斷發(fā)展和進步，提高終端用能的電氣化水平，推動能源消費清潔化、低碳化，終實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展。
報告按照終端光能、機械能、熱能、化學能等用能形式的不同，聚焦電照明、電力拖動、電制熱（冷）、電化學和信息用電等5大類32種用電技術，回顧發(fā)展歷程，分析技術原理，調研規(guī)模存量，提出攻關方向，對各項技術的發(fā)展趨勢進行了研判，并結合能源清潔轉型趨勢，重點對未來各類用電技術的用電需求和靈活性調節(jié)潛力進行了研究。
從技術進步角度來看，各類用電技術將更加節(jié)能、高效、智能、可控。電照明技術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。電照明將電能轉化為光能，是人類早開發(fā)的電力應用領域之一，其發(fā)展歷經白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、發(fā)光二極管（LED）等四個階段，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、大功率高透光球形熒光燈技術、LED光源技術以及智慧照明技術等。
電力拖動技術將向高效節(jié)能、小型化、高可靠性、智能化方向發(fā)展。電力拖動技術將電能轉化為機械能，用于拖動設備進行機械運動，又稱電力傳動。電動機的效率、功率密度和壽命是三大核心指標。直流電機將成為主流，主要研發(fā)方向包括無刷直流電機無位置傳感器技術、基于數(shù)字信號處理器的控制技術、基于雙閉環(huán)控制的調速技術等；交流電機方面的研發(fā)重點包括調速技術、啟動及制動技術等。
電制熱（冷）技術總體朝提高熱效率、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濟性。電制熱（冷）是消耗電能直接或間接獲取熱能的加熱方式，有兩類技術路線，一是電能在電路、電熱器具中轉化為熱能，二是電能驅動熱泵傳導熱能。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化控制水平、超高功率電弧爐技術、精確溫控感應加熱系統(tǒng)、大型微波加熱技術等；在熱泵、空調方面，研發(fā)方向包括提高氣候適應性、降低運行噪聲、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)空調等。
電化學技術應用潛力巨大，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。電能在電化學方面的應用利用了電能與化學能間的相互轉化，典型的傳統(tǒng)電化工有電解鋁、氯堿工業(yè)等，可實現(xiàn)脫碳、負碳的P2X技術是未來的重要發(fā)展方向。當前P2X尚有部分關鍵技術有待突破，轉化效率、選擇性、經濟性等關鍵指標有待提升。電制氫方面，研發(fā)方向包括高效大功率堿性電解技術、低成本質子交換膜電解技術、
長壽命高溫固體氧化物電解技術等；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兩套系統(tǒng)的集成與配合、加強熱管理、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催化劑，完善甲醇化輔機設備，增加反應余熱回收利用等。
信息技術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的主要發(fā)展方向。信息技術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、轉化、傳送和發(fā)布等信息處理過程都伴隨著電能的消耗。信息技術用電主要包括數(shù)據(jù)中心、通信基站以及消費電子產品等。隨著第五代移動通信技術（5G）、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的規(guī)�；瘧�用，信息產業(yè)相關設備的用電規(guī)模穩(wěn)步攀升，成為不可忽視的重要用電領域。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價指標。
在用電需求研究方面，報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層次，結合各行業(yè)生產或消費需求預測，基于用電技術發(fā)展趨勢研判，分析各用能領域電能替代的可行性，根據(jù)不同的場景提出了遠期用電規(guī)模的技術性判斷。
2018年，全球用電量23.4萬億kWh，其中照明用電17%，電力拖動用電48%，電制熱（冷）20%，電化學5%，信息用電10%。預計到2050年，全球用電量將達到70萬億～91萬億kWh，其中，中國用電量將達到14.6萬億～19.3萬億kWh。除傳統(tǒng)用電增長外，電制熱（冷）技術和以電動汽車為主的電力拖動技術帶來的電能替代有望成為近中期用電需求的主要增長點；電化學技術，特別是以電制氫為代表的P2X在遠期帶來的間接電能替代和電的非能利用將進一步擴展用電領域，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br />具體而言，電照明方面，照明領域已經基本實現(xiàn)電氣化，屬于典型的傳統(tǒng)用電領域，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。電力拖動方面，工業(yè)用電機等屬于傳統(tǒng)用電領域，電氣化軌道交通已有一定程度的普及，電動汽車、港口岸電、機場APU等屬于主要的新增電能替代領域，預計電力拖動用電規(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)模的用電負荷。電制熱（冷）方面，未來主要的用電增長點是工業(yè)電爐、居民及商業(yè)電采暖、電炊事等領域的電能替代，預計用電規(guī)模15萬億～19萬億kWh，占總用電量的21%左右。電化學方面，電制燃料和原材料技術的廣泛應用是實現(xiàn)部分終端用能領域深度電能替代并進一步擴展電的應用范圍的關鍵所在，預計用電規(guī)模10萬億～20萬億kWh，在不同預測場景下的占比從14%到22%不等。信息用電方面，隨著數(shù)字經濟的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心和通信基站用電量提升顯著，預計用電規(guī)模7萬億～9萬億kWh，占總用電量的比例在10%左右。
在靈活性調節(jié)潛力研究方面，基于各類用電規(guī)模的分析結果，從技術可調性和用戶行為約束兩個方面開展分析。技術可調性影響可調深度，用戶行為約束則主要影響用戶參與度。綜合可調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)報告研究，在積極樂觀的技術進步場景下，預計到2050年，全球各類用電技術可提供瞬時尺度（秒級）調節(jié)能力5億kW，占負荷的3%左右，主要來源于可調LED光源、電動汽車車網互動（V2G）和質子交換膜電解裝置等；短時尺度（小時級）調節(jié)能力44億kW，占負荷的29%左右，主要由電動汽車V2G、蓄熱型電采暖、各類電解設備、裝備UPS的數(shù)據(jù)中心和通信基站等提供；長時間尺度（周、月）下，電化工技術可以為電力系統(tǒng)提供大容量長期調節(jié)能力，達13億kW，占負荷的8%左右，儲電量占年用電量的6%。靈活用電負荷與源、網、儲等環(huán)節(jié)的靈活性資源實現(xiàn)高效互動，共同支撐構建清潔、堅強、智能、柔性的全球能源互聯(lián)網。