1.美国电网升级改造或将徐徐展开
电力设备老化、电力需求增长与能源结构性转型对美国电力系统造成冲击，美国电网面临安全和稳定性问题，亟待升级改造。美国电网承载能力不足，互联请求容量激增，大量新增的可再生能源对传统电网的稳定性产生冲击；美国制造业回流、电动汽车市场份额的提升、数据中心、加密货币和人工智能 （AI）的发展对电力需求量大增，叠加美国电网的老化问题，美国电网亟待升级改造。宏观层面，美国政策对于电力投资的支持力度不断加大，中观层面，美国公用事业公司的电力投资预算不断提升，宏观、中观相互印证，美国电网升级改造或正在徐徐展开。
2.中国铜、铝、钢在全球需求中占比较大，为重点关注区域
铜：总量上，中国铜消耗量最大，新增量中，中国占主要影响。2022年全球铜消耗量为2584万吨，新增量为107万吨，中国电网消耗量为530万吨，占比20.5%，新增量为84万吨，新增占比79%；美国电网铜消耗量为140万吨，占比5.4%，新增量为-31万吨，对全球铜消耗新增量形成拖累。铜消耗主要在输配电侧，其次为发电侧；输配电侧中，主要为线路用铜，其次为变压器用铜。
铝：2022年全球铝消耗量为6805万吨，新增量为-42万吨，中国电网消耗量为918万吨，占比13.5%；美国电网铝消耗量为231万吨，占比3.4%，新增量为-50万吨，对全球铝消耗新增量形成拖累。细分项看，铝消耗主要在输配电侧，其次为发电侧；输配电侧中，主要为变电站用铝，其次为线路用铝。
钢：我们预测，2023年中国电网钢铁消耗量为8128万吨（新增3740万吨）当年粗钢产量为10.19亿吨，占比8.0%；美国电网钢铁消耗量为985万吨（新增45万吨）当年粗钢产量为8066万吨，占比12.2%。细分项看，钢铁消耗主要在发电侧，其次为输配电侧。
3.中美电网投资周期共振，或将对铜、铝需求形成明显拉动
我们认为，中国电力装机容量将维持稳定增长，而当下美国可以类比2000-2003年，在新旧矛盾转换期，基础设施建设先行，叠加美国电网老化与人工智能、数据中心对电力需求的拉动，美国的电网升级改造将徐徐展开，中美电网投资周期共振，或将对铜铝需求形成明显拉动。推荐标的：紫金矿业、洛阳钼业、中国宏桥、云铝股份；受益标的：金诚信、天山铝业、南山铝业。
铜：经过计算，我们预计2030年中国电网铜消耗量为468万吨，2023-2030年均复合增长率-5%，美国电网铜消耗量年度为535万吨，2023-2030年均复合增长率18%，2030年全球铜的消耗在3584万吨左右。
铝：经过计算，我们预计2030年中国电网铝消耗量为814万吨，2023-2030年均复合增长率-3%，美国电网铝消耗量年度为903万吨，2023-2030年均复合增长率19%， 2030年全球铝的消耗在9541万吨左右。
4.风险提示：假设参数偏差，预测数据偏差。
报告正文
1、美国电力系统面临稳定性问题
1.1、 美国电力系统由互连和平衡机构组成
发电厂产生的电力经过由变电站、电力线和配电变压器组成的复杂网络到达客户。美国电力系统由 7300 多座发电厂、近160,000英里的高压电力线以及数百万条低压电力线和配电变压器组成，服务1.45 亿客户。
美国本地电网相互连接，以实现稳定性和商业目的。美国48个州的电力系统由三个主要的互连组成，东部互联主要以煤炭发电为主，西部互联以水电为主，德克萨斯互联以天然气发电为主，联邦能源监管委员会（FERC）负责监管以上互联。
（1）东部互连（FRCC）包括落基山脉以东的地区和德克萨斯州北部的一部分。东部互联由36个平衡机构组成：美国31个，加拿大5个。
（2）西部互连（WECC）包括落基山脉以西的地区，由37个平衡机构组成：美国34个，加拿大2个，墨西哥1个。
（3）德克萨斯州电力可靠性委员会 （ERCOT） 覆盖了德克萨斯州的大部分地区，仅由一个单一的平衡机构组成。
这三个互连线通过少量低容量直流 （DC） 输电线路相互连接，有助于保持电力系统的可靠性和稳定性，有助于防止输电线路或发电厂故障导致的电力服务中断。电力系统的实际运行由称为平衡机构的实体管理。大多数平衡机构是电力公司，承担了电力系统特定部分的平衡责任。
1.2、美国电力系统面临稳定性问题
美国停电次数更加频繁，停电持续时间更长。美国能源部的数据显示，与2000年至2010年相比，2011 年至 2021 年期间重大停电（影响50000名或更多客户）增加了64%。停电的持续时间会更长，美国能源部数据显示，从 2013 年到 2021 年，停电的平均持续时间增加了一倍多，从约 3.5 小时增加到超过7小时。更多的停电次数与更长的停电时间表明美国电力系统正面临问题，我们认为主要原因有三，分别为电网设备老化与承载能力不足、电力需求增加、可再生能源对传统电网的稳定性产生冲击。
2、电力设备老化、电力需求增长与能源结构性转型对美国电力系统造成冲击
2.1、电网设备老化与承载能力不足
美国电网老化拖累运行效率。美国电网的大部分是在 20世纪 60-70年代设计和安装的，设备的使用寿命通常约为50年，目前美国大部分电网已经超过了其使用寿命，这使得点线缆的弹性较差，更容易发生损坏，并且在损坏发生后难以恢复。
电网承载能力不足，互联请求容量激增。根据劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的最新研究，2023 年美国各地寻求输电连接的新发电和储能项目积压再次增加，目前有约2600 GW的发电和储能容量寻求电网互连。在过去十年中，美国互连队列的活跃容量增加了近八倍，目前是美国现有发电厂总装机容量的两倍多，其中太阳能、电池存储和风能合计占所有活跃新增产能的95%以上。
由于各种原因队列中的大部分容量最终不会建成，但是运营商已经提出解决方案。由于各种原因，2000 年到 2018 年提交互连请求的项目中，只有 19%（以及容量的 14%）到 2023 年底达到商业运营。大量积压的队列容量增加了运营商的成本，2023年7月，FERC通过了2023号令，要求对互联程序进行重大改革，例如利用集群（先准备、先服务）而不是串行（先到先服务）方式，设置更高的押金和准备要求进入队列，设置更严格的时限和处罚等。并且MISO、CAISO、PJM 和 ERCOT 等多个区域电网运营商已经实施或提出了超出2023号令要求的其他改革。
2.2、可再生能源对传统电网的稳定性产生冲击
电力终端需求是动态的，需求会随着时段、季节、天气等的变化而变化，为保持稳定且充足的电力供应，美国电网运营商会利用电网储存多余电力以备后用。在传统能源电力供应结构中，电网运营商根据需求波动而增加或减少运行的化石燃料发电机组可以有效的应对需求的波动。但是随着电力供给转向可再生能源，例如风能和太阳能等间歇性发电能源，电力供应变得更加波动。间歇性能源的运行能力会受到运行条件、天气条件、一天中的时间的影响。2021年，可再生资源占美国发电结构的20%，预计从2021年到2050 年，其份额将增加一倍以上（EIA 2022c; 2022b）。根据美国能源信息署（EIA）的数据，2022年可再生能源发电量超过了核能和煤炭，其中大部分增长由风能和太阳能贡献（EIA 2022c）。
2.3、电力需求或将进入快速增长阶段
2023年美国总用电量约为4.00万亿千瓦时，环比2022年下降1.6%，是 1950 年用电量的14 倍。1950-2007年，电力需求随经济发展快速增加，其中仅有3年用电量有所下滑，2007-2023年，美国整体电力需求增速有所放缓，其中有9年用电量环比转负。其间，全球化进入新发展，美国制造业加速向全球其他地区转移；受到全球变暖的影响，居民端采暖用电量下滑；另外美国对能源效率的日益重视有效地抵消了不断增长的需求。尽管美国短期电力需求可能会因天气的逐年变化而波动，但长期需求趋势往往是由经济增长推动的。我们预计随着制造业回流、新能源汽车、人工智能和数据中心的发展，美国用电需求量或将重新进入快速增长阶段。
美国制造业回流提振电力设备需求。美国制造业先后经历了工业化—去工业化—制造业回流三个阶段，制造业回流自奥巴马执政时期便已开始布局，拜登政府接力高端制造业回流。电气设备制造业的大量投资是电力需求好转的主要推动力，2 月份制造业的建筑支出同比增加32%，与新冠疫情前的水平相比增长了181%，刺激了对基础设备的更大需求。《通货膨胀削减法案》(IRA) 以及《芯片与科学法案》这两项法案有力地推动了制造业投资的上升，并且将投资引导到关键能源转型组件的制造领域。
电动汽车（EV）市场份额的提升有望增加电力需求。2023年，美国电动汽车的销量同比增长了51%，销量超过140万辆，占所有轻型汽车销量的9.5%，市场份额比2022年增加了2.5个百分点。根据Edison Electric Institute（EEI）预测数据，到 2030 年，美国道路上将有 2640 万辆电动汽车（占新车的 25%），随着电动汽车数量的快速增长，对拉动对电力的需求。
数据中心、加密货币和人工智能 （AI）增加电力需求。2022 年全球数据中心、加密货币和人工智能 （AI） 消耗了约 460 TWh 的电力，几乎占全球总电力需求的 2%。数据中心是支持数字化的基础设施的关键部分，也是为其提供动力的电力基础设施。数据中心的电力需求主要来自两个程序，算力占数据中心电力需求的40%左右，冷却占40%左右，其他相关的 IT 设备占比20%左右。
截至2022年底，全球有8000个数据中心，其中约33%位于美国，16%位于欧洲，近10%位于中国。预计未来几年美国数据中心的用电量将快速增长，从 2022 年的约 200 TWh（占美国电力需求的4%左右）增加到 2026年的近260 TWh，占总电力需求的6%左右。
3、美国电网投资已然开启，可持续性较强
美国政府对电力投资予以支持。2020年新冠疫情以来，美国先后通过了《基础设施投资和就业法案》 (IIJA)、《通货膨胀削减法案》(IRA)，刺激电力基础设施投资，2024年4月16日，美国能源部 (DOE)宣布提供 3400 万美元投资用于电力项目，根据Berkeley Lab研究，自IRA法案通过以来，超过1100 GW的太阳能、储能和风能项目提交了互连请求，有力的刺激了电网投资。
2024年-2025年美国公用事业公司电力资本开支预计将会出现较大幅度增长。根据Edison Electric Institute（EEI）统计的全美公用事业上市公司电力资本开支数据，预计2023年全美公用事业公司电力资本开支计划1678亿美元，同比2022年计划增长8.5%，其中用于发电机组建设、输配电网建设的资金有较为明显的增长，而输配电侧投资侧重于线路的维修与替换。根据EEI的说明，在行业层面，资本支出往往在第一年的预测中被高估，而在接下来的两年中被低估。我们预计，在考虑到高估和低估的历史趋势后，2024-2025年美国电网资本支出将继续上升。
4、中、美电网铜、铝、钢的需求测算
4.1、物质流模型的方法论介绍
4.1.1、 发电侧
流入为每年美国的新增装机容量；根据S.Deetman等假设的不同技术发电设备使用寿命，计算得到每年发电机组退役量，进而得流出量，库存采用公式计算得到。我们统计了每种发电技术所用的钢铁、铜、铝的密度（S.Deetman等，2021），通过美国在运行机组发电量，计算得到每年铜、铝、钢的物质流模型，考虑到开关、接插件、母线等电厂附属设备也会使用铜材料，我们假设发电厂附属设备耗铜量占比为20%。库存公式如下：
式中，为t时刻库存量、流入量和流出量，为t-1时刻的库存量。
4.1.2、 输配电侧
方法论：输配电侧分为电线、变压器和变电站，输电和配电网的规模可以使用当前高压（HV）电网规模的估计值和基于装机容量的增长系数来计算，如等式所示。
式中，表示t时刻的发电量，表示t时刻的高压线路长度，根据Arderne的研究，2016年全美国高压线路647700KM，我们以2016年作为基数计算其他年份的高压线路长度。
电线可以分为高压线、中压线和低压线，高压线路获取较为容易，但是很多中低压线路埋藏于地下，我们通过高压线路和中低压线路的比率得到中低压线路长度（我们假设这个比例是衡定的）。我们借鉴S.Deetman等人（2021）统计的世界主要地区的高压线长度/中压线长度和高压线长度/低压线长度的平均值。
式中，HV表示高压线路长度，MV表示中压线路长度，LV表示低压线路长度。
以上为全部电线的长度，但是地上和地下线路所用材料密度不同，因此需要区分二者长度，参考Eurelectric，2013《欧洲电力分布报告》中关于地上和地下的比例，我们假设美国的比例与欧洲相同。
输配电侧还需要考虑变压器和变电站，两者数量和输送电线的长度呈正相关，我们根据 S.Deetman 等人（2021）的研究假设线路和变压器、变电站之间的关系计算得到变压器和变电站的数量，如表所示：
建立物质流模型，流入为根据发电侧计算得到的电线、变压器和变电站的数量，流出需要考虑电线、变压器和变电站的寿命，我们采用S.Deetman 等人（2021）的假设，寿命分别为40年、30年、40年，同发电侧库存公式，计算得到每年的库存。最后我们根据市场信息以及S.Deetman 等人（2021）的数据假设，得到不同压力线路和变压器、变电站的材料单耗，计算得到铜、铝、钢的消耗量。
4.1.3、 储电侧
方法论：流入为每年美国的新增储电量；根据S.Deetman等假设的不同技术储电设备使用寿命，计算得到储电设备的退役量，进而得流出量；库存采用公式计算得到。进一步的，我们统计了压缩空气储能、锂电池储能、抽水蓄能等不同技术设备的材料单耗，计算得到储电侧铜、铝、钢的使用量。
4.2、我们预测2023年中国电网铜消耗量为647万吨，美国电网铜消耗量为164万吨，线路为主要用铜领域
总量上，中国铜消耗量最大，新增量中，中国占主要影响。为了找到电网中影响铜消耗的主要矛盾区域，我们同时分析了中国、美国的电网投资。预测结果显示，2023年中国铜消耗量为647万吨，新增消耗量为100万吨，美国铜消耗量为164万吨，新增消耗量28万吨。鉴于暂无2023年全球铜消耗数据，我们用2022年数据看影响程度，2022年全球铜消耗量为2584万吨，新增量为107万吨，中国消耗量为530万吨，占比20.5%，新增量为84万吨，新增占比79%；美国铜消耗量为140万吨，占比5.4%，新增量为-31万吨，对全球铜消耗新增量形成拖累。
细分项看，铜消耗主要在输配电侧，其次为发电侧；输配电侧中，主要为线路用铜，其次为变压器用铜。以美国为例，预测数据显示，2023年输配电侧、发电侧用铜量分别为138万吨、27万吨，占比分别为84%、16%；输配电侧中，线路、变压器用铜量分别为113万吨、24万吨，占比分别为82%、18%。
4.3、我们预测2023年中国电网铝消耗量为1031万吨，美国电网铝消耗量为274万吨，变电站为主要用铝领域
总量上，中国铝消耗量最大，新增量中，中国占主要影响。我们预测，2023年中国铝消耗量为1031万吨，新增消耗量为88万吨，美国铝消耗量为274万吨，新增消耗量48万吨。2022年全球铝消耗量为6805万吨，新增量为-42万吨，中国消耗量为918万吨，占比13.5%，新增量为163万吨；美国铝消耗量为231万吨，占比3.4%，新增量为-50万吨，对全球铝消耗新增量形成拖累。
细分项看，铝消耗主要在输配电侧，其次为发电侧；输配电侧中，主要为变电站用铝，其次为线路用铝。以美国为例，预测数据显示，2023年输配电侧、发电侧用铝量分别为247万吨、27万吨，占比分别为90%、10%；输配电侧中，线路、变变电站用铝量分别为108万吨、128万吨，占比分别为44%、52%。
4.4、我们预测2023年中国电网钢铁消耗量为8128万吨，美国电网钢铁消耗量为985万吨，发电侧为主要用钢领域
我们预测，2023年中国电网钢铁消耗量为8128万吨（新增3740万吨）当年粗钢产量为10.19亿吨，占比8.0%；美国电网钢铁消耗量为985万吨（新增45万吨）当年粗钢产量为8066万吨，占比12.2%。细分项看，钢铁消耗主要在发电侧，其次为输配电侧。以美国为例，预测数据显示，2023年发电侧、输配电侧用钢量分别为709万吨、276万吨，占比分别为77%、23%；输配电侧中，线路、变压器用钢量分别为127万吨、142万吨，占比分别为46%、52%。
5、中美电网投资周期共振，或将对铜、铝需求形成明显拉动
我们选取2018-2023年的CAGR值作为2024-2030年不同发电技术装机量增速的假设基础值，分为乐观1、乐观2、中性1、中性2、悲观1、悲观2六个等级，设置两阶段增长，2024-2026年为第一阶段，2027-2030年为第二阶段，考虑到美国电力需求趋势或将向上，中国电力需求趋势或将稳中向下，我们假设中国装机总量两阶段增速分别为5%、3%，美国装机总量两阶段增速分别为3%、5%。通过物质流方法论，计算得到线路以及变电站、变压器的数据，由于储电侧影响较小，我们假设维持2023年数值。我们预测2030年中国装机总量达到3827GW，其中风电光伏装机容量达到1778GW，美国装机总量达到1721GW，其中风电光伏装机容量达到829GW。
经过计算，我们预计2030年中国电网铜消耗量为468万吨，2023-2030年均复合增长率-5%，美国电网铜消耗量年度为535万吨，2023-2030年均复合增长率18%， 2022年中美电网铜消耗占比全球26%，我们假设未来占比增长并稳定至28%左右，2030年全球铜的消耗在3584万吨左右。
经过计算，我们预计2030年中国电网铝消耗量为814万吨，2023-2030年均复合增长率-3%，美国电网铝消耗量年度为903万吨，2023-2030年均复合增长率19%， 2022年中美电网铝消耗占比全球17%，我们假设未来占比增长并稳定至18%左右，2030年全球铝的消耗在9541万吨左右。
我们认为，中国电力装机容量将维持稳定增长，而当下美国可以类比2000-2003年，在新旧矛盾转换期，基础设施建设先行，叠加美国电网老化与人工智能、数据中心对电力需求的拉动，美国的电网升级改造将徐徐展开，中美电网投资周期共振，或将对铜铝需求形成明显拉动。推荐标的：紫金矿业、洛阳钼业、中国宏桥、云铝股份；受益标的：金诚信、天山铝业、南山铝业、中国铝业。
6、 风险提示
（1）假设参数偏差：在测算中我们假设了线路之间的关系，地上下路与地下线路的关系，以及许多发电、储电设备的材料单耗，若以上参数出现较大偏差可能会对结果造成影响。
（2）预测数据偏差：我们对未来的不同技术的发电量做了增速假设，若假设出现较大偏差，将会对结果造成影响。
