清华大学电机系康重庆、郭鸿业团队提出高耗能工业用户市场化网荷互动新范式

近日，清华大学电机系康重庆教授、郭鸿业副研究员所在智慧能源课题组EILAB在高耗能工业用户与电网互动研究领域取得新进展。团队提出，在碳中和电力系统中，高耗能工业可利用自身适度富余产能和产品存储能力，为电力系统提供跨季节灵活性，从而形成一种面向高比例新能源电力系统的新型网荷互动范式。

在“双碳”目标推动下，风电、光伏等可再生能源在电力系统中的占比持续提升。新能源发电具有明显的季节性和波动性，这意味着未来电力系统需要多个时间尺度的源网荷储协同互动，以确保电力系统的长期安全稳定运行。长期以来，工业负荷因规模大、管理水平高，被认为是优质的需求侧灵活性资源。然而，在传统需求响应模式下，高耗能工业用户的实际参与空间并不充足。一方面，许多高耗能生产过程追求稳定、连续运行。频繁的小时级或日内负荷调节，可能带来生产效率下降、设备热疲劳、工艺风险增加等问题。另一方面，企业通常倾向于满负荷利用既有产能，以降低单位固定成本、提高经营收益。然而，钢铁、水泥、电解铝等传统高耗能行业在产业转型升级过程中，长期面临一定比例的产能富余。过去，产能过剩往往被视为产业运行中的问题，而在高比例新能源电力系统中，适度富余产能也可能转化为一种新的调节资源。这一变化反而为工业用户参与网荷互动提供了全新的机会，意味着高耗能工业用户可以在不违背自身生产目标的前提下，通过调节开工率来实现与电力系统的深度匹配。

图1.中国电解铝需求预测情况：红色虚线（已有产能）和黄色区域（未来需求）之差是铝冶炼厂的过剩产能

研究团队以电解铝行业为典型对象，构建了高耗能工业生产线精细化模型，通过电力市场机制与电力系统运行相耦合，使用自研的基于迭代分解算法的集成优化框架进行高效求解，并基于我国未来电力系统与高耗能工业用户的规划数据开展测算。结果表明，在极高比例新能源渗透的未来电力系统中，高耗能工业用户可通过“长周期、季节性运行”参与网荷互动。具体而言，未来高耗能行业可以利用普遍存在的自身过剩产能，在风光充足、电价低廉的季节满负荷生产并囤积产品，而在冬季电力供应紧张、电价高昂时主动“冬眠”停产（图2）。通过电解铝用户与电力系统的多周期尺度的协同互动，可以既不违反高耗能工业用户的生产约束，还能在长时间尺度上帮助新型电力系统更好实现供需平衡。

图2. 2050年场景下电解铝用户最优运行情况：考虑不同的电解槽灵活性程度

经测算，在“双碳”目标下的2050年中国低碳电力系统中，适度保留电解铝富余产能有望带来显著的系统级收益。在电网侧，通过削减冬季电力供应紧张时段的负荷，电解铝行业季节性运行每年可为电力系统节省230-320亿元人民币的投资运行成本，相当于电解铝行业总产值的11%-15%。在企业侧，虽然季节性运行会带来一定的产能闲置折旧、电解槽重启、仓储和资金成本，但由于企业能够更多消费低成本绿色电能，综合测算后，铝厂每生产一吨铝的总成本依然能降低1500元以上，相当于当前电解铝生产成本的10%（图3）。

图3.碳中和场景下维持不同过剩产能对应的电解铝平准化成本

在社会层面，这一模式还可能为跨行业劳动力调配提供新思路。冬季火电厂通常运行负荷较高，而电解铝厂可在冬季策略性停产或降负荷运行。两类行业的季节性用工需求具有一定互补性，理论上可将两个行业的整体就业波动率降低25%，缓解能源转型过程中的部分社会冲击。

图4.2050年铝冶炼厂和燃煤/燃气电厂的预计月度劳动力需求：分别考虑铝冶炼产能过剩与未考虑产能过剩的情况

从新型电力系统的长远发展来看，支撑高比例新能源消纳的关键之一，在于打破传统发电与用电之间相对割裂的运行模式。未来，工业生产不再只是被动消耗电能，也可以通过适当的电力市场机制和生产组织优化，主动参与电力系统调节。本研究揭示了一个新的可能性：当廉价但波动的风光电力逐步成为能源主体，部分高耗能行业的适度富余产能可以成为电力系统季节性调节的“蓄水池”（图5）。它既能帮助电力系统应对跨季节供需错配，也能为企业降低能源成本、提升绿色竞争力提供新的路径。以电解铝为起点，这一思路也为钢铁、水泥等其他高耗能行业参与电力系统转型提供了启发。未来，随着电力市场机制进一步完善、工业生产数字化水平不断提升，高耗能工业用户有望从传统意义上的耗能耗碳大户，转变为新型电力系统中的重要灵活性资源。

图5.高耗能工业季节性运行范式

研究成果以“工业产能过剩可以实现电力使用的季节性灵活性”（Industrial Overcapacity Can Enable Seasonal Flexibility in Electricity Use）为题，于6月12日发表于《自然·能源》（Nature Energy）。

清华大学电机系2021级博士生吕睿可为论文第一作者，康重庆、郭鸿业为论文通讯作者。其他合作者包括普林斯顿大学副教授杰西·詹金斯（Jesse D. Jenkins），普林斯顿大学博士生李逍（Anna Li）、博士后罗弘熙，北京大学副研究员王剑晓，清华大学低碳能源实验室副研究员杜尔顺、电机系2025级博士生沈炎等。

研究得到国家自然科学基金、“碳中和与能源智联”项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-026-02073-y

供稿：电机系

编辑：李华山

审核：郭玲