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（来源：电能革新）

日，电机系康重庆教授与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领域取得研究进展。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。相关研究成果以“Industrial Overcapacity Can Enable Seasonal Flexibility in Electricity Use”为题，发表在国际学术期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。

新机遇：新能源波动性与工业产能过剩

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

产能过剩赋能大工业用户灵活用电的新机会

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

高耗能网荷互动的系统级经济与社会效益

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

结语与展望

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

论文信息

电机系2021级博士生吕睿可为论文的第一作者，电机系康重庆教授与郭鸿业副研究员为论文通讯作者。论文的共同合作者包括普林斯顿大学杰西·詹金斯（Jesse D. Jenkins）副教授、普林斯顿大学博士研究生李逍（Anna Li）、普林斯顿大学博士后研究员罗弘熙博士、北京大学王剑晓副研究员、清华大学低碳能源实验室杜尔顺副研究员、电机系2025级博士生沈炎等。本论文的工作受到国家自然科学基金及清华大学碳中和与能源智联大科学项目的资助。

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

主要作者简介

吕睿可（第一作者）：电机系2021级博士生，2025年3月至2026年2月在美国普林斯顿大学联合培养。研究聚焦适应海量工业用户市场化网荷互动的建模和优化决策方法，包括计算高效的用能机理建模、适应低频量测的模型参数辨识、数据驱动的调节可行域聚合等，曾获IEEE PES博士论文竞赛最佳展示奖（每年全球两位）。

个人网页：https://rick10119.github.io/

郭鸿业（通讯作者）：电机系副研究员、电力系统研究所副所长。主要研究方向：电力市场、需求灵活性、人工智能在电力系统的应用。担任中英电力市场改革咨询小组专家、中国能源研究会青年工作委员会委员、IEEE PES 电力市场机制设计系统建模任务组联合主席，担任IEEE Transactions on Smart Grid、iEnergy等期刊AE。

康重庆（通讯作者）：电机系教授、系主任，IEEE Fellow，IET Fellow，中国电机工程学会会士、中国电工学会会士。主要研究方向：电力系统规划与优化运行、可再生能源、低碳电力技术等。出版中英文专著7部，发表论文600余篇，引用42000余次，入选科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔高被引学者。担任IEEE PES PCCC主席、IEEE PES 长期战略委员会委员、Cigre SC C1战略委员会委员。

团队介绍

清华大学电机系智慧能源课题组（Energy Intelligence Laboratory, EILAB）面向能源电力行业发展转型的重大机遇，围绕“电力市场及能源智库”“能源系统调度运营与交易决策”“低碳电力规划、运行模拟与碳计量”等方向开展研究。团队获省部级科技奖励10余项，中国电力科学技术奖等行业奖励20余项，中国专利奖1项。近五年，团队发表论文300余篇，其中SCI论文180余篇，15篇论文被评为ESI热点/高被引论文；授权发明专利40余项。团队深度参与我国电力体制改革进程，为国家发改委、国家能源局、国务院研究室、国资委等相关部门提供了重要的咨询参考与决策支撑。

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