德國(guó)電力系統(tǒng)中的靈活性技術(shù)和措施

1、分析報(bào)告 德國(guó)電力系統(tǒng)中的靈活性技術(shù)和措施中德能源轉(zhuǎn)型研究項(xiàng)目 目錄 HYPERLINK l _bookmark0 執(zhí)行摘要 HYPERLINK l _bookmark0 4 HYPERLINK l _bookmark1 背景、定義和歷史概述 HYPERLINK l _bookmark1 5 HYPERLINK l _bookmark2 什么是電力系統(tǒng)的靈活性？靈活性為什么具有重要意義？ HYPERLINK l _bookmark2 5 HYPERLINK l _bookmark5 德國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展以及靈活性在系統(tǒng)中的融合 HYPERLINK l _bookmark5 6 HYPERLINK

2、 l _bookmark11 提高德國(guó)電力系統(tǒng)靈活性的里程碑和措施 HYPERLINK l _bookmark11 9 HYPERLINK l _bookmark13 技術(shù)靈活性選項(xiàng) HYPERLINK l _bookmark13 11 HYPERLINK l _bookmark14 傳統(tǒng)電廠 HYPERLINK l _bookmark14 11 HYPERLINK l _bookmark19 生物質(zhì)和沼氣電廠 HYPERLINK l _bookmark19 14 HYPERLINK l _bookmark20 抽水蓄能電站 HYPERLINK l _bookmark20 15 HYPERLI

3、NK l _bookmark22 2.4 電池 HYPERLINK l _bookmark22 15 HYPERLINK l _bookmark25 2.5 電力多元轉(zhuǎn)換（PtX） HYPERLINK l _bookmark25 18 HYPERLINK l _bookmark26 需求側(cè)靈活性選項(xiàng) HYPERLINK l _bookmark26 20 HYPERLINK l _bookmark27 工業(yè)和商業(yè)需求側(cè)靈活性 HYPERLINK l _bookmark27 20 HYPERLINK l _bookmark29 居民需求側(cè)靈活性 HYPERLINK l _bookmark29 22

4、 HYPERLINK l _bookmark30 系統(tǒng)運(yùn)行靈活性 HYPERLINK l _bookmark30 23 HYPERLINK l _bookmark31 二次調(diào)度和可再生能源限電 HYPERLINK l _bookmark31 23 HYPERLINK l _bookmark32 先進(jìn)的可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè) HYPERLINK l _bookmark32 23 HYPERLINK l _bookmark33 現(xiàn)有電網(wǎng)的更高利用率 HYPERLINK l _bookmark33 23 HYPERLINK l _bookmark34 配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之間的合作 HYPER

5、LINK l _bookmark34 24 HYPERLINK l _bookmark35 輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之間的合作與協(xié)調(diào) HYPERLINK l _bookmark35 24 HYPERLINK l _bookmark36 跨境電力交易 HYPERLINK l _bookmark36 24 HYPERLINK l _bookmark37 市場(chǎng)設(shè)計(jì)靈活性 HYPERLINK l _bookmark37 26 HYPERLINK l _bookmark39 與日俱增的電力市場(chǎng)顆粒度 HYPERLINK l _bookmark39 29 HYPERLINK l _bookmark40 輔助服務(wù) H

6、YPERLINK l _bookmark40 30 HYPERLINK l _bookmark45 支持計(jì)劃：可再生能源和電網(wǎng)費(fèi)用 HYPERLINK l _bookmark45 32 HYPERLINK l _bookmark46 附件 1. 德國(guó)的可用容量和不同靈活性選項(xiàng)的已完成的與預(yù)估的量預(yù)估 HYPERLINK l _bookmark46 33 HYPERLINK l _bookmark48 附件 2. 德國(guó)已選定靈活性方案的靈活性潛力 HYPERLINK l _bookmark48 35 HYPERLINK l _bookmark50 縮略詞表 HYPERLINK l _bookma

7、rk50 36 HYPERLINK l _bookmark51 圖 HYPERLINK l _bookmark51 37 HYPERLINK l _bookmark52 表 HYPERLINK l _bookmark52 38 HYPERLINK l _bookmark53 參考書(shū)目 HYPERLINK l _bookmark53 39執(zhí)行摘要 德國(guó)的氣候中和目標(biāo)迫在眉睫。為了在 2045 年之前達(dá)成氣候中和目標(biāo)，德國(guó)需要提高其可再生能源產(chǎn)量，并同時(shí)提高電力系統(tǒng)靈活性。過(guò)去幾十年間，德國(guó)制定并落實(shí)了多種解決方案，例如建立推動(dòng)不同靈活性措施之間競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)規(guī)則， 同時(shí)采用技術(shù)中和方式，以確保技術(shù)和

8、參與者的廣泛融合。 在打造完全基于可再生能源的電力系統(tǒng)的過(guò)程中，傳統(tǒng)的發(fā)電廠尤其是燃?xì)怆姀S將繼續(xù)發(fā)揮作用。目前，燃煤和燃?xì)怆姀S是德國(guó)最重要的靈活性來(lái)源。但是，要達(dá)成最晚在 2038 年之前淘汰燃煤電廠以及在 2022 年之前淘汰核電的目標(biāo)，勢(shì)必要增加其他靈活性選項(xiàng)的應(yīng)用。大型電池是適合提供一次調(diào)頻輔助服務(wù)并應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的解決方案，小型電池則可為私人住宅提供用戶相關(guān)靈活性。這兩者都將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 其次，生物質(zhì)發(fā)電廠和沼氣電廠以及抽水蓄能電站也是靈活性的重要來(lái)源。它們將在未來(lái)持續(xù)為電力系統(tǒng)的靈活性提供- 支持。此外，技術(shù)的發(fā)展以及融資和監(jiān)管障礙的逐步消除， 尤其是要求運(yùn)營(yíng)商支付兩次消費(fèi)

9、稅的雙重負(fù)擔(dān)，可能會(huì)促成目前尚未在德國(guó)廣泛部署的電力多元轉(zhuǎn)換（PtX）技術(shù)的更加廣泛的使用。 批發(fā)市場(chǎng)上的價(jià)格信號(hào)可能會(huì)觸發(fā)工業(yè)和中小企業(yè)更高的需求側(cè)靈活性。隨著智能計(jì)量系統(tǒng)（智能電表）及其他數(shù)字技術(shù)的逐步引進(jìn)，居民需求側(cè)靈活性將發(fā)揮更加重要的作用。 最后但同樣重要的是，需要調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)規(guī)程以提高電網(wǎng)靈活性。 此報(bào)告詳細(xì)概述了德國(guó)電力系統(tǒng)中的主要靈活性技術(shù)和措施。在反映現(xiàn)狀的同時(shí)，報(bào)告也指出了發(fā)展電力系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)氣候 中和的需求，為持續(xù)進(jìn)行的政策辯論提供了寶貴的信息依據(jù)。 背景、定義和歷史概述 什么是電力系統(tǒng)的靈活性？靈活性為什么具有重要意義？ 電力系統(tǒng)的靈活性指的是一種通過(guò)增加或減少發(fā)電量和負(fù)

10、荷從而輕易修正或應(yīng)變的能力。該概念適用于電力系統(tǒng)的不同要素、各要素提供的服務(wù)或者整個(gè)電力系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組以及輸配電網(wǎng)可靈活運(yùn)行，為電網(wǎng)和電力系統(tǒng)提供靈活性。工業(yè)、電動(dòng)汽車或居民等電力消費(fèi)者也可以調(diào)整其電力需求，以為 電力系統(tǒng)服務(wù)。監(jiān)管措施和市場(chǎng)規(guī)則的設(shè)計(jì)可以加強(qiáng)或妨礙 電力系統(tǒng)要素或整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。 隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏（PV）等波動(dòng)性可再生能源（RE）在能源結(jié)構(gòu)中所占比重的增長(zhǎng)，靈活性措施將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。德國(guó)的目標(biāo)是在 2045 年之前實(shí)現(xiàn)氣候中和。這就需要推動(dòng)可再生能源的進(jìn)一步增長(zhǎng)。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)不可避免地要提高對(duì)靈活性的需求，這主要是因?yàn)榕c日俱增的發(fā)電量的波動(dòng)性（vol

11、atility）或可變性(variability) 以及由此導(dǎo)致的剩余負(fù)荷（residual load, 即耗電量減去波動(dòng)性波動(dòng)性可再生能源發(fā)電量）的不斷增長(zhǎng)。德國(guó)電力系統(tǒng)的剩余負(fù)荷可以頻繁地減至大致零負(fù)荷，然后在短期內(nèi)（幾天或者幾個(gè)小時(shí)）大幅增加。1因此，系統(tǒng)層面上的靈活性可描述為一個(gè)由發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷組成的聚合園對(duì)剩余負(fù)荷可變性做出反應(yīng)的能力。2為了應(yīng)對(duì)這種發(fā)展，必須對(duì)電廠機(jī)組、需求側(cè)響應(yīng)、市場(chǎng)規(guī)則和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行改變。3 圖 1. 高比例可再生能源的靈活性要求德國(guó)冬季兩周的負(fù)荷曲線實(shí)例 a）負(fù)荷b）剩余負(fù)荷（可再生能源為40時(shí)）小時(shí)小時(shí) 來(lái)源： Prognos in: Agora Energ

12、iewende 2017a, 第 24 頁(yè)下表總結(jié)了德國(guó)的靈活性選項(xiàng)及其作用。 在德國(guó)，為了應(yīng)對(duì)更高靈活性需求所作出的市場(chǎng)規(guī)則的變化改變了電廠機(jī)組以及發(fā)電模式，且在較小程度上，改變了系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)。4 因此，德國(guó)電力系統(tǒng)的靈活性措施主要為市場(chǎng)相關(guān)功能服務(wù)。市場(chǎng)相關(guān)功能主要是為電網(wǎng)服務(wù)，為電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)和穩(wěn)定性做出貢獻(xiàn)。一個(gè)例外情況是，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商自行采用靈活性措施。此種情況下，電網(wǎng)服務(wù)功能與市場(chǎng)無(wú)關(guān)。因?yàn)榉植鹨?guī)則（unbundling rules），電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)法擁有發(fā)電資產(chǎn)，因此，無(wú)法參與電力交易。分拆是歐盟單一電力市場(chǎng)的規(guī)則，規(guī)定輸配電網(wǎng)必須由發(fā)電廠以外的實(shí)體運(yùn)營(yíng)。德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局規(guī)定， 所謂的“

13、電網(wǎng)助推器” （ 德語(yǔ)： Netzbooster），例如大型電池，可免于遵守此規(guī)定。根據(jù)2019 年電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（TSO）可在試點(diǎn)項(xiàng)目中運(yùn)行電網(wǎng)助推器。表 1.靈活性選項(xiàng)及其在德國(guó)背景下的意義 服務(wù)提供方 服務(wù)接受方 措施和技術(shù) 系統(tǒng)中的功能 消費(fèi)者或電廠運(yùn)營(yíng)商 平衡集團(tuán)管理人（BRPs）、配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（DSOs）或者輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（TSO） 技術(shù)靈活性選項(xiàng) 傳統(tǒng)發(fā)電廠的改造，包括廢熱發(fā)電（熱電聯(lián)產(chǎn)電廠） 生物質(zhì)和沼氣發(fā)電廠的改造抽水蓄能系統(tǒng) 電池 電力多元轉(zhuǎn)換（PtX） 用戶相關(guān)功能 市場(chǎng)相關(guān)功能 服務(wù)電網(wǎng)的市場(chǎng)相關(guān)功能 服務(wù)電網(wǎng)的功能 需求側(cè)靈活性（DSF）選項(xiàng) 工業(yè) 中

14、小企業(yè) 居民 配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商或者輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，單方面或者合作 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng) 電網(wǎng)擴(kuò)建二次調(diào)度 可再生能源限電 先進(jìn)的可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè) 現(xiàn)有電網(wǎng)的更高利用率 配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之間的合作 輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之間的合作與協(xié)調(diào) 跨境電力交易 監(jiān)管機(jī)構(gòu)和立法者 消費(fèi)者、平衡集團(tuán)、配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商或者輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商 市場(chǎng)設(shè)計(jì) 持續(xù)增加的電力市場(chǎng)顆粒度輔助服務(wù) 支持計(jì)劃 來(lái)源：自我表述。德國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展以及靈活性在系統(tǒng)中的融合 在此章節(jié)中，我們將探討德國(guó)各種類型的靈活性需求?？梢圆渴鹫鹿?jié) 1.2 到 1.5 中描述的各種靈活性選項(xiàng)，以滿足不同類型的靈活性需求。 對(duì)技術(shù)靈活性的需求 對(duì)技術(shù)靈活性的需

15、求是由剩余負(fù)荷梯度或者爬坡率所決定的。多種因素都可以影響電力系統(tǒng)的剩余負(fù)荷爬坡率：可再生能 源尤其是太陽(yáng)能光伏的比重越高，就能提供更高的剩余負(fù)荷爬坡率，從而加大對(duì)靈活性的需求。相反，高風(fēng)電接入電網(wǎng)區(qū)域的面積越大、電網(wǎng)區(qū)域間的聯(lián)網(wǎng)線路越多，剩余負(fù)荷梯度就越低，從而降低對(duì)靈活性的需求。5 剩余負(fù)荷的高變化率需要具有高爬坡率的可調(diào)度技術(shù)的饋入， 例如儲(chǔ)能或者傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，即燃煤和燃?xì)獍l(fā)電廠。6 當(dāng)可再生能源比重超過(guò) 30%，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電的比重在 20% 到 30%之間時(shí)，剩余負(fù)荷梯度會(huì)超過(guò)最高需求曲線斜坡。7這主要是因?yàn)榘l(fā)電峰值的數(shù)量增多，并且太陽(yáng)能光伏提供了某天或者某時(shí)的用電需求中的一大部

16、分。 下表展現(xiàn)了德國(guó)剩余負(fù)荷梯度以及可再生能源比重的歷史變化和技術(shù)靈活性需求的發(fā)展過(guò)程。表 2.德國(guó)技術(shù)靈活性需求的發(fā)展 年份 波動(dòng)性可再生能源在發(fā)電中的占比 太陽(yáng)能光伏在可再生能源占比中的占比 風(fēng)能在可再生能源占比中的占比（陸上和海上） 平均剩余負(fù)荷（吉瓦） 凈裝機(jī)量總額（吉瓦） 剩余負(fù)荷變動(dòng)（吉瓦） 平均剩余負(fù)荷梯度 2014 21% (a) 22.19% (a) 36% (a) 44.83 (b) 196 (a) 10.25 (b) 1.82 (b) 2015 23.22% (a) 20.51% (a) 42.7% (a) 36.47 (b) 205 (a) 10.98 (b) 2.77

17、 (b) 2016 22.66% (a) 20.09% (a) 42.14% (a) 35.65 (b) 212 (a) 10.99 (b) 2.27 (b) 2017 26.11% (a) 18.21% (a) 48.86% (a) 34.15 (b) 218 (a) 11.73 (b) 2.28 (b) 2018 34.94% (c) 20.37% (c) 48.92% (c) 34.35 (e) 221 (c) 12.5 (f) . (g) 2019 39.74% (c) 19.13% (c) 51.9% (c) 29 (f) 226 (c) 14 (f) .(g) 2020 50.5%

18、 (d) 20.82% (d) 53.38% (d) 26 (f) 226.8 (d) 14 (f) .(g) 來(lái)源： (a) BMWi 2019. (b) Virtuelles Institut Smart Energy et al.2018, 28. (c) BMWi 2021. Fraunhofer ISE 2021. 自身基于以下內(nèi)容的粗略估計(jì)： Bundesnetzagentur/SMARD. 自身基于以下內(nèi)容的粗略估計(jì)： Fraunhofer ISE, Energy-Charts. 未估計(jì)。 從上表中描繪的發(fā)展中可以明顯看出，平均剩余負(fù)荷穩(wěn)步下降。平均剩余負(fù)荷梯度在 2014 到

19、2017 年期間有所增加。面對(duì)這種發(fā)展趨勢(shì)，所有的靈活性選項(xiàng)需要對(duì)剩余負(fù)荷的變化做出更頻繁的反應(yīng)。 在不遠(yuǎn)的將來(lái)，其他因素也可能提高對(duì)技術(shù)靈活性的需求。這些因素包括因負(fù)荷增加而導(dǎo)致的更高、更頻繁的峰值負(fù)荷或者由多種應(yīng)用同時(shí)使用引起的中低電壓水平下的負(fù)荷爬坡， 例如電動(dòng)汽車充電或者熱泵的使用。8圖 2. 消費(fèi)者變得更靈活應(yīng)用的同時(shí)使用 超高壓高壓中壓低壓現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)能電動(dòng)交通通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)的本地優(yōu)化來(lái) 緩解減少電網(wǎng)擴(kuò)建聚合靈活性潛力智能社區(qū)產(chǎn)消者電網(wǎng)助推器部門(mén)耦合來(lái)源：dena 2017a, 4-5電網(wǎng)擴(kuò)建與升級(jí)是應(yīng)對(duì)與日俱增的技術(shù)靈活性需求的解決方案。但也需使用靈活性選項(xiàng)作為補(bǔ)充，因?yàn)檫@些選項(xiàng)有助于優(yōu)

20、化電網(wǎng)擴(kuò)建，降低電力用戶的成本。為避免電網(wǎng)發(fā)展造成的成本上漲，一個(gè)尤為有用的解決方案是多用途方式（技術(shù) 應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化），即服務(wù)電網(wǎng)的靈活性使用和與市場(chǎng)相關(guān)的靈活性使用。9這種雙用途方式在充分利用靈活性選項(xiàng)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的更高效使用，并讓系統(tǒng)總成本的大幅下降。但是，服務(wù)電網(wǎng)和與市場(chǎng)相關(guān)的靈活性使用要求有適當(dāng)?shù)募?lì)措施和監(jiān)管框架。10 對(duì)隨機(jī)靈活性的需求 隨機(jī)靈活性與靈活性需求相關(guān)，但因?yàn)樘鞖?、技術(shù)故障以及不斷變化的電力需求狀況等意外或隨機(jī)的因素，而無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。因此，對(duì)隨機(jī)靈活性的需求是由對(duì)可再生能源和傳統(tǒng)能源發(fā)電量的預(yù)測(cè)質(zhì)量以及用電需求決定的。11當(dāng)與預(yù)測(cè)值出現(xiàn)偏差時(shí)，必須在短時(shí)間內(nèi)激

21、活靈活性。最難以預(yù)料的變量是受天氣變化直接影響的可再生能源饋入量。因此，更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)可以降低對(duì)總體靈活性的需求。 在確定對(duì)隨機(jī)靈活性的需求時(shí)，可以區(qū)分絕對(duì)和相對(duì)預(yù)測(cè)誤差。絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差是預(yù)測(cè)值和實(shí)際饋入值之間的差值。相對(duì)預(yù)測(cè)誤差是絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差與實(shí)際饋入值之間比值的平均值。12 相對(duì)預(yù)測(cè)誤差表明了絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差如何隨著可再生能源比重的提升而變化。 與可再生能源預(yù)測(cè)值和實(shí)際饋入值相關(guān)的歐洲能源交易所（EEX）數(shù)據(jù)表明在 2014 到 2017 年期間，盡管可再生能源的比重不斷提升，但絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差仍保持不變。 圖 3. 絕對(duì)可再生能源預(yù)測(cè)誤差 來(lái)源：Virtuelles Institut Smart E

22、nergy et al.2018, 29. Y 軸絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差（單位：兆瓦） 絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差 - - - - - 周平均值 根據(jù)智慧能源虛擬研究所（ 德語(yǔ)： Virtuelles Institut Smart Energy）的數(shù)據(jù)，絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差因相對(duì)預(yù)測(cè)誤差的改進(jìn)而保持一定的恒定。這表明隨著可再生能源比重的不斷提升，預(yù)測(cè)質(zhì)量也在提升。換句話說(shuō)，預(yù)測(cè)質(zhì)量的提升彌補(bǔ)了可再生能源饋入量所帶來(lái)的絕對(duì)不確定性的不斷提升。因?yàn)轭A(yù)測(cè)方法和技術(shù)的改進(jìn)，相對(duì)預(yù)測(cè)誤差從 2014 年的 10%下降到2017 年 7%。盡管近年來(lái)預(yù)測(cè)質(zhì)量不斷改進(jìn)且有可能出現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)，但無(wú)誤差預(yù)測(cè)依然不太可能實(shí)現(xiàn)。13 短期本地化

23、靈活性需求 短期本地化靈活性需求取決于電網(wǎng)瓶頸（電網(wǎng)內(nèi)的不平衡或者過(guò)載）的比例。短期本地化靈活性需求出現(xiàn)在因?yàn)殡娋W(wǎng)瓶頸而必須調(diào)整（增加或減少）本地饋入或者用電需求時(shí)。德國(guó)電力系統(tǒng)可采用兩項(xiàng)措施解決此問(wèn)題：二次調(diào)度和可再生能源限電。此類措施的體量和成本表明了德國(guó)電力系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)瓶頸的強(qiáng)度和頻率。14 二次調(diào)度可再生能源限電 圖 4. 二次調(diào)度和可再生能源限電容量的發(fā)展 來(lái)源：基于以下來(lái)源數(shù)據(jù)的自我表述： Bundesnetzagentur 2016, 6; Bundesnetzagentur 2019b, 9; Bundesnetzagentur 2020b, 9. 圖 5. 二次調(diào)度和可再生能

24、源限電成本的發(fā)展 2009 可再生能源法案（EEG）: 引進(jìn)可再生能源的直接營(yíng)銷 2011 在 2022 年之前逐步淘汰核能的決定 2012 可再生能源法案：引進(jìn)可再生能源的溢價(jià)市場(chǎng)模型 2012 可再生能源法案：引進(jìn)沼氣發(fā)電廠的靈活性溢價(jià) 2012 通過(guò)可中斷負(fù)荷法令 2013 建立電網(wǎng)備用 2014 可再生能源法案：引進(jìn)可再生能源競(jìng)拍 2014 可再生能源法案：引進(jìn)沼氣發(fā)電廠的靈活性補(bǔ)貼 2014 EPEX SPOT 競(jìng)拍減至 15 分鐘 2014 第一個(gè)大型電池參與一次調(diào)頻市場(chǎng) 2015 通過(guò)電力線路擴(kuò)建法 2015 EPEX SPOT 提前期降至 30 分鐘 2015 第一個(gè)小型電池聚

25、合商通過(guò)了參與一次調(diào)頻市場(chǎng)的預(yù)審 2016 通過(guò)電力市場(chǎng)法：引進(jìn)了電力市場(chǎng) 2.0 和備用容量 2016 通過(guò)能源轉(zhuǎn)型數(shù)字化法 2017 德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局的決定，包括修正一次調(diào)頻輔助服務(wù)的采購(gòu)（2019 年到 2020 年，競(jìng)拍時(shí)長(zhǎng)從每周縮短到每日；自 2020 年起，從每日縮短到 4 小時(shí)競(jìng)拍） 2017 EPEX SPOT 提前期降至 5 分鐘 2018 電池提供大部分的一次調(diào)頻輔助服務(wù) 2019 小型電池容量超過(guò) 1 吉瓦時(shí) 2020 一次調(diào)頻縮短至 4 小時(shí)競(jìng)拍 2020 在 2038 年之前逐步淘汰煤炭的決定 2020 通過(guò)“國(guó)家氫能戰(zhàn)略”開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的氫能市場(chǎng)并為研究和市場(chǎng)產(chǎn)能

26、提升項(xiàng)目提供額外的資金 2021 72 個(gè)電力多元轉(zhuǎn)換（PtX）試點(diǎn)項(xiàng)目 2021 可再生能源參與二次調(diào)度（二次調(diào)度 2.0）（基于 2019 年通過(guò)的電網(wǎng)擴(kuò)建加速法案（NABEG 2.0） 二次調(diào)度可再生能源限電 來(lái)源：基于以下來(lái)源數(shù)據(jù)的自我表述： Bundesnetzagentur 2019b, 9; Bundesnetzagentur 2020b, 9; Virtuelles Institut Smart Energy et al. 2018, 32 (year 2014). 自 2014 年起，二次調(diào)度和可再生能源限電的體量和成本增長(zhǎng)了接近三分之二。2014 年的成本大約為 3.7 億

27、歐元，到 2020年，增長(zhǎng)到大約 10 億歐元。一個(gè)例外是 2015 年：這一年異常的高風(fēng)電供應(yīng)量導(dǎo)致了次年更大的體量和更高的成本。15 可再生能源限電和二次調(diào)度的數(shù)據(jù)表明：短期靈活性需求在2017 年之前持續(xù)增長(zhǎng)，之后趨于平穩(wěn)。這表明電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須通過(guò)增加削減可再生能源的發(fā)電量，以避免電網(wǎng)的不平衡和過(guò)載。但這將造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，并對(duì)環(huán)境不利；因此，系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)滿足短期本地化靈活性需求的替代措施。 電網(wǎng)擴(kuò)建是減少二次調(diào)度和可再生能源限電的一個(gè)選項(xiàng)。根據(jù)輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的新近估計(jì)，規(guī)劃的電網(wǎng)擴(kuò)建將減少 11.4太瓦時(shí)的二次調(diào)度容量，從 2020 年的 16.7 太瓦時(shí)減少到 2025年的 5.3 太瓦

28、時(shí)。16 允許可再生能源參與二次調(diào)度也是減少其總?cè)萘亢统杀镜囊粋€(gè)選項(xiàng)。近年來(lái)，10 兆瓦以上的傳統(tǒng)發(fā)電廠，例如燃煤和燃?xì)獍l(fā)電廠，已經(jīng)提供在二次調(diào)度。2019 年發(fā)布了名為調(diào)度 2.0的新規(guī)定，自 2021 年 10 月起，將容量?jī)H為 100 兆瓦的可再生能源和熱電聯(lián)產(chǎn)電廠納入到二次調(diào)度措施中。 在經(jīng)濟(jì)上，多用途方式是比電網(wǎng)擴(kuò)建和二次調(diào)度都更加有效的替代方式。 提高德國(guó)電力系統(tǒng)靈活性的里程碑和措施 近幾十年來(lái)，德國(guó)政府出臺(tái)了多項(xiàng)法律法規(guī)，以滿足不斷增長(zhǎng)的靈活性需求。此外，為了激勵(lì)靈活性的發(fā)展，還調(diào)整了歐洲電力交易所（EPEX SPOT）的規(guī)則。下表總結(jié)了促成德國(guó)電力系統(tǒng)靈活性的最重要里程碑，其中

29、有一部分將在后文中進(jìn)行更詳細(xì)的討論。 表 3.德國(guó)電力系統(tǒng)的靈活性里程碑 2005 通過(guò)電網(wǎng)電價(jià)條例 2008 EPEX SPOT 建立一小時(shí)內(nèi)競(jìng)拍 來(lái)源：Energynautics 2021 及自我表述。 2016 年，德國(guó)政府執(zhí)行了自 20 世紀(jì) 90 年代市場(chǎng)自由化以來(lái)的 最 大 規(guī) 模 電 力 市 場(chǎng) 改 革 ， 通 過(guò) 了 電力市場(chǎng)法 （Strommarktgesetz），將開(kāi)發(fā)現(xiàn)有電力市場(chǎng)的一系列措 施納入電力市場(chǎng) 2.0 中。目標(biāo)是打造一個(gè)不需要通過(guò)額外的容量市場(chǎng)，只通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制為必要的容量提供報(bào)酬的電力市場(chǎng)。為此，在改進(jìn)靈活性激勵(lì)措施的同時(shí)，法律也加強(qiáng)了發(fā)電、 需求和儲(chǔ)能之間的

30、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。德國(guó)還引進(jìn)了一種保障機(jī)制， 即備用容量（Kapazittsreserve），指的是在批發(fā)或者調(diào)頻 輔助市場(chǎng)上的供應(yīng)量不足以滿足全部需求時(shí)，市場(chǎng)外的可用 額外容量。此種情況是少見(jiàn)的緊急情況。 同一年，德國(guó)政府通過(guò)了能源轉(zhuǎn)型數(shù)字化法（Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende），為引進(jìn)智能計(jì)量系統(tǒng)（智能電表）及其他數(shù)字技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。智能電表可以計(jì)量任何時(shí)間的用電量，因此，可以在消費(fèi)者或者其他市場(chǎng)參與者（例如聚合商或者配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商）的面前凸顯潛在的節(jié)能量。先進(jìn)數(shù)字技術(shù)的使用可以讓熱能存儲(chǔ)或者電動(dòng)氣 車等可調(diào)度耗電裝置在低電價(jià)時(shí)間段充電。17智

31、能電表的推廣 也是實(shí)施需求側(cè)靈活性（DSF）措施，例如波動(dòng)終端用戶電價(jià)， 的前提條件。 2017 年，大型電力用戶和大型發(fā)電商在德國(guó)安裝了第一批智能計(jì)量系統(tǒng)。2020 年，針對(duì)高用電量的居民推廣智能電表。18 在未來(lái)的幾年里，智能電表的推廣將推及較小型消費(fèi)者。 關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行，2015 年，通過(guò)電力線路擴(kuò)建法（Gesetz zum Ausbau von Energieleitungen）修正案頒行了一項(xiàng)重 要法規(guī)，即使用地下電纜的優(yōu)先級(jí)提高到使用架空線路之上。此規(guī)定將有助于提高公眾對(duì)電網(wǎng)擴(kuò)建的接受度，尤其是已規(guī) 劃的從德國(guó)北部到南部的高壓輸電線路 SuedLink 和SuedOstLink。19

32、電網(wǎng)擴(kuò)建可能有助于提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。 從 2021 年 10 月起，二次調(diào)度將納入容量低至 100 千瓦的可再生能源和熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（二次調(diào)度 2.0）。這也是滿足與日俱增的靈活性需求的重要步驟。 技術(shù)靈活性選項(xiàng) 傳統(tǒng)電廠 傳統(tǒng)電廠是使用化石燃料（以褐煤、無(wú)煙煤與天然氣為主） 或者鈾、通過(guò)火力發(fā)電機(jī)組（主要是燃?xì)鉁u輪或者蒸汽渦輪） 生產(chǎn)電力的設(shè)施。20目前，燃煤和燃?xì)獍l(fā)電廠是德國(guó)最重要的 靈活性來(lái)源。但是，在 2022 年之前逐步淘汰核電以及在 2038 年之前逐步淘汰燃煤電廠的目標(biāo)，將使系統(tǒng)缺少一個(gè)重要的基荷發(fā)電成分，這將會(huì)迫使新型靈活性選項(xiàng)的開(kāi)發(fā)與大量使 用。但傳統(tǒng)電廠，尤其是燃?xì)獍l(fā)電廠

33、，在轉(zhuǎn)型期間仍將發(fā)揮一定作用。因此，即便傳統(tǒng)電廠的電力產(chǎn)出下降了，其裝機(jī) 容量也不一定會(huì)下降至少在未來(lái)幾年，儲(chǔ)能等替代靈活性措施廣泛部署之前。在短期內(nèi)，傳統(tǒng)電廠仍將提供必要的可調(diào)度容量不受天氣條件影響的應(yīng)需調(diào)度的發(fā)電容量以 及要求其以最低負(fù)荷運(yùn)行的輔助服務(wù)。21 同時(shí)，因?yàn)椴▌?dòng)性可再生能源的比重在系統(tǒng)中不斷的增加及其所享有的優(yōu)先調(diào)度權(quán)，對(duì)傳統(tǒng)電廠靈活運(yùn)行的需求將有所增加。因此，要整合高比例的可再生能源，就離不開(kāi)現(xiàn)有傳統(tǒng)電廠的靈活化。22 傳統(tǒng)電廠的靈活性 傳統(tǒng)電廠的靈活性指的是任何擴(kuò)大電廠能力、調(diào)整電力產(chǎn)量以滿足系統(tǒng)要求的措施，例如應(yīng)對(duì)更快速、更頻繁發(fā)生的變化以及應(yīng)對(duì)更少的負(fù)荷小時(shí)數(shù)和更長(zhǎng)的停

34、機(jī)時(shí)間。23通過(guò)三項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)描述傳統(tǒng)電廠靈活性的特征：24 最低負(fù)荷（P 最低）描述的是一個(gè)發(fā)電廠在穩(wěn)定運(yùn)行條件可以交付的最低凈發(fā)電量，以額定負(fù)荷的百分比衡量（%Pn）。 爬坡率描述的是電廠在其運(yùn)行過(guò)程中更改自身凈發(fā)電量的速度有多快，單位為兆瓦每分鐘（兆瓦/分鐘），或者每分鐘額定負(fù)荷的百分比（%Pn/分鐘）。 啟動(dòng)時(shí)間（t）描述的是從啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行到達(dá)到最低負(fù)荷的時(shí)期。 最低負(fù)荷越低、啟動(dòng)時(shí)間越短、爬坡率越高，電廠就越靈活。傳統(tǒng)電廠的靈活性主要是為了履行與市場(chǎng)相關(guān)和服務(wù)于電網(wǎng) 的兩種功能。 表 4.德國(guó)燃煤電廠的靈活性現(xiàn)狀及其進(jìn)一步靈活性改造潛力的預(yù)估 靈活性參數(shù) 單位 褐煤發(fā)電廠 無(wú)煙煤發(fā)電廠

35、 現(xiàn)有發(fā)電廠現(xiàn)狀 新建發(fā)電廠現(xiàn)狀 靈活性潛力 現(xiàn)有發(fā)電廠現(xiàn)狀 新建發(fā)電廠現(xiàn)狀 靈活性潛力 典型規(guī)模/容量 兆瓦 150900 1100 100860， 很多小于 100 1,000 最低負(fù)荷1 %Pn 60 3550 2540 3040 25 202 爬坡率 %Pn/分鐘 1 2.5 45 1.5 34 6 5090% Pn 的負(fù)荷范圍內(nèi) 4090% Pn 的負(fù)荷范圍內(nèi) 熱啟動(dòng)時(shí)間3 小時(shí) 6 4 2 23 1.52.5 12 冷啟動(dòng)時(shí)間4 小時(shí) 10 5 4 10 58 6 來(lái)源：Markewitz 等人。2017, 20；Ernst 等人。 2020, 14. 表 5. 德國(guó)燃?xì)怆姀S的靈活

36、性現(xiàn)狀及其進(jìn)一步靈活性改造潛力預(yù)估 1 整體系統(tǒng)。分體系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較低的全系統(tǒng)最低負(fù)荷。2 間接燃燒情況下可能達(dá)到 10%以下。3 熱啟動(dòng)時(shí)間指的是停機(jī)不到 8 小時(shí)之后的啟動(dòng)。4 冷啟動(dòng)時(shí)間指的是停機(jī)超過(guò) 48 小時(shí)之后的啟動(dòng)。 靈活性參數(shù) 單位 燃?xì)鉁u輪機(jī) 聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)（CCGT） 開(kāi)式循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)（OCGT） 現(xiàn)有發(fā)電廠現(xiàn)狀 新建發(fā)電廠現(xiàn)狀 靈活性潛力 現(xiàn)有發(fā)電廠現(xiàn)狀 新建發(fā)電廠現(xiàn)狀 靈活性潛力 現(xiàn)有發(fā)電廠現(xiàn)狀 新建發(fā)電廠現(xiàn)狀 典型規(guī)模/容量 兆瓦 HD：5 100340 340 1007 10600 500600 AD：6550 最低負(fù)荷 %Pn 2530 258 20 50 4

37、045 3540 50 40 爬坡率 %Pn/分鐘 8 12 15 2 4 8 12 8 4090% Pn 的負(fù)荷范圍內(nèi) 熱啟動(dòng)時(shí)間 小時(shí) 0.1 0.51.5 0.41.3 0.350.4 0.1 冷啟動(dòng)時(shí)間 小時(shí) 0.1 24 1.53.5 1.31.4 0.1 來(lái)源：Markewitz 等人。2017, 26；Ernst 等人。2020, 14總的來(lái)說(shuō)，采用固體燃料的發(fā)電廠，即便是經(jīng)過(guò)靈活性改造， 其靈活性也遠(yuǎn)低于采用液體燃料或者氣體的發(fā)電廠。25燃煤發(fā) 電廠靈活性受燃燒室的設(shè)計(jì)限制：發(fā)電低于特定水平就不可 能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。最先進(jìn)的無(wú)煙煤發(fā)電廠通?？蓪?shí)現(xiàn)額定負(fù)荷 25-40%的最低負(fù)荷

38、水平。褐煤發(fā)電廠的最低負(fù)荷范圍為35-50%。26褐煤發(fā)電機(jī)組的最低負(fù)荷較高，這是因?yàn)槠淙剂系?可燃性較低。27有些試點(diǎn)項(xiàng)目在經(jīng)過(guò)改造之后，達(dá)到了低至 12% 的最低負(fù)荷水平。 28 相比之下，工業(yè)化國(guó)家在 10 到 20 年之前建立的發(fā)電廠的最低負(fù)荷水平為：40%（無(wú)煙煤）到 60%（褐煤）。29 與褐煤和無(wú)煙煤發(fā)電廠相比，燃?xì)獍l(fā)電廠的最低負(fù)荷和啟動(dòng)時(shí)間要少得多，爬坡率則更高，因此能夠提供更高的運(yùn)行靈活性。但是，它們通常會(huì)受到排放規(guī)定的限制，因?yàn)榈洼敵隽窟\(yùn)行往往會(huì)排放更多的有害氣體。30隨著德國(guó)逐步淘汰煤炭和核能，再加上對(duì)系統(tǒng)靈活性的需求的不斷增加，燃?xì)獍l(fā)電廠的作用可能會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。 技術(shù)上

39、，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的最低負(fù)荷水平與使用相同燃料和/或技術(shù)的非熱電聯(lián)產(chǎn)電廠相當(dāng)，但通常受限于滿足用熱需求的目的。31 蒸汽發(fā)電設(shè)備，例如燃煤發(fā)電設(shè)備、燃?xì)鉁u輪機(jī)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)（CCGT）的爬坡率和啟動(dòng)時(shí)間，受限于蒸汽循環(huán)中的熱應(yīng)力。在褐煤電廠中，通常利用燃燒熱來(lái)干燥褐煤。這一點(diǎn)進(jìn)一步限制了其爬坡率：低負(fù)荷下，可干燥的褐煤數(shù)量較少，所以機(jī)組從低負(fù)荷開(kāi)始提升負(fù)荷水平的過(guò)程需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)的靈活性在很大程度上取決于其對(duì)于蒸汽循環(huán)的設(shè)計(jì)。在很大程度上，德國(guó)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)通常是為提供運(yùn)行靈活性而設(shè)計(jì)的中等邊際成本電廠，因此可以相當(dāng)靈活的運(yùn)行。這與愛(ài)爾蘭或者美國(guó)的某些機(jī)組不同，這

40、些機(jī)組最初就是僅針對(duì)基礎(chǔ)負(fù)荷運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。32 主要技術(shù)解決方案 為了改進(jìn)系統(tǒng)靈活性，電網(wǎng)必須通過(guò)各項(xiàng)措施和投資，讓發(fā)電廠能夠擴(kuò)大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、以更低的最低負(fù)荷運(yùn)行，更快速的達(dá)到最低負(fù)荷，并能應(yīng)對(duì)更加頻繁的負(fù)荷變化。這些措施可以作為靈活性改造投資項(xiàng)目的一部分來(lái)落實(shí)。 下表提供了一份全面的清單，列出了能提高燃煤發(fā)電廠運(yùn)行靈活性的技術(shù)解決方案。335 HD：重載燃?xì)鉁u輪機(jī)。6 AD：航改燃?xì)鉁u輪機(jī)。7 LMS100 （Land Marine Supercharged）是 Ge Distributed Power 生產(chǎn)的航改燃?xì)鉁u輪機(jī)。產(chǎn)量大約為 100 兆瓦。8 最高 20%（較）小渦輪機(jī)的 Pn

41、。表 6.燃煤電廠改造的選項(xiàng)、其提升靈活性的效果及其局限 選項(xiàng) 最小負(fù)載 啟動(dòng)時(shí)間 爬坡率 局限 間接燃燒 燃燒燃燒穩(wěn)定性 雙機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)換為單機(jī)組運(yùn)行 水-蒸汽循環(huán) 控制系統(tǒng)和電廠工程改造升級(jí) 燃燒穩(wěn)定性/熱應(yīng)力 配備干燥褐煤點(diǎn)火鍋爐的輔助點(diǎn)火 燃燒穩(wěn)定性和鍋爐類型的選擇空間 用于給水預(yù)熱的蓄熱裝置 無(wú) 更新改造 無(wú) 優(yōu)化的控制系統(tǒng) 熱應(yīng)力 薄壁組件/特別渦輪機(jī)設(shè)計(jì) 機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力 “新”的渦輪機(jī)啟動(dòng)方式 渦輪機(jī)類型的選擇空間 減少關(guān)鍵組件的壁厚 機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力 來(lái)源： Agora Energiewende 2017a, 76.也有一些優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)電廠靈活性的具體改造選項(xiàng)。其目的是提高電廠

42、調(diào)節(jié)電力生產(chǎn)的能力，同時(shí)并不削弱電廠提供必要熱能的能力。34這意味著熱電聯(lián)產(chǎn)電廠將采用以電力為本的運(yùn)行方式，而不是典型的遵循用熱需求的運(yùn)行方式。在此種運(yùn)行方式下生產(chǎn)的電力只是熱能的副產(chǎn)品。35 優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的最重要措施包括：36 另安裝一個(gè)（小規(guī)模）鍋爐設(shè)備以額外產(chǎn)生熱能 蓄熱技術(shù)允許熱電聯(lián)產(chǎn)電廠生產(chǎn)出過(guò)剩熱力，在一定期 限內(nèi)儲(chǔ)存熱力，然后在熱力產(chǎn)量較低時(shí)使用儲(chǔ)存的熱量。 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠改造投資范例 電轉(zhuǎn)熱設(shè)備（PtH）使用電力生產(chǎn)熱力（例如電熱鍋爐） 投資內(nèi)容 對(duì)靈活性的影響 安裝鍋爐 降低最低負(fù)荷 優(yōu)化啟動(dòng)性能 提高爬坡率 蓄熱設(shè)備 電轉(zhuǎn)熱設(shè)備（電熱鍋爐） 采用背壓蒸汽渦輪機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)電

43、廠靈活性較低，采用抽汽式凝汽渦輪機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠靈活性較高，兩者相比，前者更能通過(guò)蓄熱提高靈活性。37燃煤電廠的改造選項(xiàng)具有以下局限性： 以更低的最小負(fù)荷運(yùn)行比頻繁啟動(dòng)更高效、更靈活 無(wú)煙煤和褐煤發(fā)電廠所用鍋爐的燃燒穩(wěn)定性限制了最低負(fù)荷的降低 發(fā)電廠容許的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力限制了啟動(dòng)時(shí)間的縮短 提高爬坡率的主要瓶頸是爬坡過(guò)程中的熱應(yīng)力和機(jī) 械應(yīng)力，這些會(huì)縮短組件壽命。在設(shè)計(jì)階段，鍋爐 壁厚的選擇就要在追求能效的厚壁、承受快速溫度 變化率的薄壁之間權(quán)衡。后者意味著更高的爬坡率。厚壁鍋爐的快速溫度變化會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力 是啟動(dòng)時(shí)間和更高爬坡率的限制因素。38 主要市場(chǎng)和監(jiān)管措施或者限制性法規(guī) 主

44、要市場(chǎng)和監(jiān)管措施 促進(jìn)德國(guó)傳統(tǒng)電廠靈活化最重要的市場(chǎng)和監(jiān)管措施包括： 措施 影響 可再生能源的優(yōu)先調(diào)度 傳統(tǒng)電廠需要作出反應(yīng)/運(yùn)行靈活性的激勵(lì)措施 電力交易價(jià)格波動(dòng)性 運(yùn)行靈活性的激勵(lì)措施 更短的現(xiàn)貨市場(chǎng)時(shí)間框架：2014 年，可交易的合同縮降至 15 分鐘，2017 年，提前期降至 5 分鐘 運(yùn)行靈活性的激勵(lì)措施 摒棄煤炭并在 2038 年之前完全退煤（2020 年的決定） 采用提高發(fā)電廠靈活性的激勵(lì)措施，即便這樣會(huì)縮短壽命期 可用容量及其潛力 未來(lái)，非基荷波動(dòng)性的進(jìn)一步增加，新型靈活性措施（其中很多在此報(bào)告中有描述）的開(kāi)發(fā)可能致使燃煤電廠冗余或者至少會(huì)進(jìn)一步降低其競(jìng)爭(zhēng)力。這也適用于經(jīng)過(guò)改造

45、、提高了靈活性的燃煤電廠。適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)則和化石燃料淘汰政策可能會(huì)助推此過(guò)程。 目前，德國(guó)所有傳統(tǒng)電廠（將在 2022 年之前逐步淘汰的核電廠除外）的裝機(jī)容量為 75 吉瓦左右。幾乎所有（91%左右）燃煤電廠都是熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（20.48 吉瓦）。大約 62.3%的褐煤電廠為熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（13.3 吉瓦），接近 64.8%的燃?xì)怆姀S為熱電聯(lián)產(chǎn)電廠（22.55 吉瓦）。39 表 7.德國(guó)傳統(tǒng)電廠的裝機(jī)容量 裝機(jī)容量 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的裝機(jī)容量 熱電聯(lián)產(chǎn)的占比 無(wú)煙煤發(fā)電廠 22.5 吉瓦 20.48 吉瓦 91% 褐煤發(fā)電廠 21 吉瓦 13.3 吉瓦 62.3% 燃?xì)獍l(fā)電廠 31.7 GW 20.

46、55 GW 64.8% 總計(jì) 75.2 GW 54.33 GW 來(lái)源： 德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局/SMARD Strommarktdaten. 成本 改造措施可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)維成本增加。這些措施也會(huì)降低發(fā)電廠每個(gè)組件的使用壽命及其效率。40 燃煤電廠運(yùn)營(yíng)商選擇采取改造措施的原因是在當(dāng)前經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)電價(jià)（因再生能源上網(wǎng)的高優(yōu)先級(jí)導(dǎo)致）的市場(chǎng)條件下，投資改造措施可以得到回報(bào)。 不同案例的投資成本存在巨大差異。2017 年，Agora 能源轉(zhuǎn)型論壇（Agora Energiewende）執(zhí)行了一項(xiàng)研究，估計(jì)燃煤發(fā)電廠的成本在 100-500 歐元/千瓦（單位裝機(jī)容量?jī)r(jià)格）。4142 一般情況下，燃?xì)獍l(fā)電廠的靈活

47、性已經(jīng)遠(yuǎn)超于燃煤發(fā)電廠， 且其靈活運(yùn)行成本隨著爬坡的陡度和長(zhǎng)度而增加。此外，它們會(huì)受到氣體燃料成本的影響，尤其是在依賴進(jìn)口液化天然氣（LNG）的市場(chǎng)上。43因此，無(wú)法完成總成本估算。 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的運(yùn)營(yíng)商會(huì)收到為電網(wǎng)供電的固定熱電聯(lián)產(chǎn)補(bǔ)貼。補(bǔ)貼可以刺激以發(fā)電為本的運(yùn)行，抵消提高/提供靈活性的成本。電廠規(guī)模不同，此種補(bǔ)貼的金額也不同，在 3.1 到8.0 歐分/千瓦時(shí)之間。使用可再生能源的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠也可選擇獲得此種可再生能源法案報(bào)酬。44 生物質(zhì)和沼氣電廠 生物質(zhì)和沼氣電廠是德國(guó)另一個(gè)靈活性來(lái)源，與傳統(tǒng)電廠相比有很多優(yōu)勢(shì)。生物質(zhì)和沼氣燃燒產(chǎn)生的溫室氣體沒(méi)有化石燃料多。作為可調(diào)度電廠，它們?yōu)椴▌?dòng)

48、性可再生能源（風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏）提供了充分的補(bǔ)充。生物質(zhì)原料的種植過(guò)程可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，例如培養(yǎng)單一作物、使用農(nóng)藥，且可以用于種植生物質(zhì)原料的農(nóng)業(yè)用地也有限。因此，歐盟（EU）通過(guò)了一系列可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)限制其使用。 主要技術(shù)解決方案 在德國(guó)，使用固體生物質(zhì)（主要是木材）作為燃料的機(jī)組通常作為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行。它們和采用化石燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組擁有相同的靈活性限制。上文描述的傳統(tǒng)電廠的所有改造選項(xiàng)也適用于基于生物質(zhì)的電廠。 一般情況下，沼氣電廠使用連續(xù)產(chǎn)出的沼氣在基礎(chǔ)負(fù)荷下運(yùn)行。它所附帶的儲(chǔ)能容量通常只夠供給數(shù)小時(shí)（緩沖儲(chǔ)能設(shè)備）。在相同的燃料輸入量（來(lái)自相同的沼氣池）下，更大的儲(chǔ)能容量和/

49、或額外的發(fā)電機(jī)有助于實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。德國(guó)現(xiàn)行的支持計(jì)劃有利于增加額外發(fā)電機(jī)的選項(xiàng)，能夠讓緩沖儲(chǔ)能設(shè)備更靈活地運(yùn)行。45根據(jù)此項(xiàng)計(jì)劃，電廠運(yùn)營(yíng)商僅可從額外安裝的靈活性容量中收到補(bǔ)貼。 生物質(zhì)和沼氣電廠在德國(guó)電力系統(tǒng)中的作用生物質(zhì)和沼氣電廠在德國(guó)電力系統(tǒng)中履行以下功能： 市場(chǎng)相關(guān)功能與市場(chǎng)相關(guān)、服務(wù)電網(wǎng)的功能移峰或負(fù)荷轉(zhuǎn)移削峰或負(fù)荷調(diào)節(jié)現(xiàn)貨市場(chǎng)交易（套利）輔助服務(wù)提供一次和二次調(diào)頻整合到虛擬大型電池或者虛擬電廠（VPP）中平衡責(zé)任方/ 補(bǔ)償能量向平衡責(zé)任方出售電力以補(bǔ)償與計(jì)劃表的短期偏差主要市場(chǎng)和監(jiān)管措施或者限制性法規(guī) 目前，沒(méi)有推進(jìn)生物質(zhì)電廠靈活運(yùn)行的任何激勵(lì)措施，電力交易價(jià)格除外。 為激勵(lì)沼

50、氣電廠運(yùn)行靈活性而采取的主要監(jiān)管措施包括靈活性溢價(jià)（ Flexibilittsprmie ）， 2014 年被靈活性補(bǔ)貼（Flexibilittszuschlag）所取代。 可用容量及其潛力 2018 年，德國(guó)生物質(zhì)電廠的裝機(jī)容量為 8 吉瓦，沼氣電廠的裝機(jī)容量為 5.6 吉瓦。46到 2030 年，改造和靈活化/擴(kuò)建的潛力會(huì)達(dá)到+/-16 吉瓦。47正潛力意味著增加容量，而負(fù)潛力意味著要減少容量。 成本 沼氣電廠靈活性改進(jìn)的投資成本可能源自于靈活性溢價(jià)和靈活性補(bǔ)貼： 2014 年7 月 31 日之前投入運(yùn)行的機(jī)組，補(bǔ)貼持續(xù)期為 10年，130 歐元/千瓦/年 2014 年7 月 31 日之后

51、投入運(yùn)行的機(jī)組，補(bǔ)貼持續(xù)期為 20年，2017 到 2021 年為 40 歐元/千瓦/年 2014 年7 月 31 日之后投入運(yùn)行的機(jī)組，補(bǔ)貼持續(xù)期為 20年，2021 年之后為 40 歐元/千瓦/年48 抽水蓄能電站 抽水蓄能是在德國(guó)及全世界范圍內(nèi)，用于平衡可再生能源發(fā)電量波動(dòng)性的最常見(jiàn)技術(shù)。目前，這也是除大型電池之外， 唯一一項(xiàng)可大規(guī)模儲(chǔ)存電力的技術(shù)。49其運(yùn)行和進(jìn)一步擴(kuò)建因合適的水庫(kù)有限，和其對(duì)環(huán)境的影響（例如魚(yú)類保護(hù)），而受到限制。 主要技術(shù)解決方案 在電力需求較低時(shí)，抽水蓄能電站使用水力發(fā)電將水抽取到更高海拔的水庫(kù)內(nèi)，以儲(chǔ)存電力。在電力需求較高時(shí)，水通過(guò)渦輪機(jī)流回，產(chǎn)生電力。50因此

52、，抽水蓄能電站可以通過(guò)渦輪機(jī)運(yùn)行生產(chǎn)電力，供應(yīng)峰值負(fù)荷。 抽水蓄能電廠的效率通常在 70%到 85%之間。51現(xiàn)代化抽水蓄能電廠的負(fù)荷水平可在滿負(fù)荷抽水和滿負(fù)荷發(fā)電區(qū)間內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。純靠水力推動(dòng)的短回路運(yùn)行，使其可以在大約 30 秒內(nèi)完成從發(fā)電狀態(tài)到泵抽運(yùn)行的切換，反之亦然。52發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，大多數(shù)抽水蓄能設(shè)施可以快速投入運(yùn)行。53從停機(jī)狀態(tài)到滿負(fù)荷狀態(tài)所用的啟動(dòng)時(shí)間在 75 秒到 110 秒之間，而從部分負(fù)荷狀態(tài)到滿負(fù)荷狀態(tài)僅需幾秒鐘。54提高靈活性的主要技術(shù)措施包括擴(kuò)大上水庫(kù)容量和增設(shè)渦輪機(jī)。 抽水蓄能電廠在德國(guó)電力系統(tǒng)中履行以下功能： 可用容量及其潛力 2020 年，德國(guó)抽水蓄能電廠的總

53、儲(chǔ)能容量為 37 吉瓦時(shí)，55總裝機(jī)容量為大約 6.7 吉瓦。56另有 2.9 吉瓦位于奧地利和盧森堡，但與德國(guó)電網(wǎng)相連接。572015 年，德國(guó)抽水蓄能電廠儲(chǔ)存的電力為 8 太瓦時(shí)58，德國(guó)的總發(fā)電量為 647 太瓦時(shí)，相對(duì)占比為 1.2%。59 抽水蓄能電廠提供了德國(guó)的大部分儲(chǔ)能容量： 表 8.德國(guó)截至 2018 年，不同儲(chǔ)能方式的裝機(jī)容量 總計(jì) 抽水蓄能水力發(fā)電 大型電池 小型電池儲(chǔ)能 壓縮空氣儲(chǔ)能 電力多元轉(zhuǎn)換 （PtX） 安裝（ 吉瓦） 8.31 6.7 (a) 0.45 (b) 0.5 (b) 0.32 (c) 0.34 (d) 比例 - 80.6% 5.4% 6% 3.8% 4.

54、09% 來(lái)源： dena a（現(xiàn)行）。 (b) Figgener 等人。2021, 11（2019）。(c) Yanan 等人。2020, 21 (2018)。(d) dena 2020, 33（2017）。 抽水蓄能電廠在德國(guó)電力系統(tǒng)中的功能 據(jù)估計(jì)，德國(guó)的抽水蓄能系統(tǒng)在較遠(yuǎn)的未來(lái)可提供大約 2 太瓦市場(chǎng)相關(guān)功能與市場(chǎng)相關(guān)、服務(wù)電網(wǎng)的功能移峰或負(fù)荷轉(zhuǎn)移削峰或負(fù)荷調(diào)節(jié)短期日蓄能現(xiàn)貨市場(chǎng)交易（套利）輔助服務(wù)黑啟動(dòng)能力提供一次和二次調(diào)頻平衡責(zé)任方/ 補(bǔ)償能量短期日蓄能向平衡責(zé)任方出售電力以補(bǔ)償與計(jì)劃表的短期偏差整合到虛擬大型電池或者虛擬電廠中時(shí)的儲(chǔ)能容量。60基于規(guī)劃的項(xiàng)目，到 2025 年，總裝

55、機(jī)容量可能達(dá)到 8.6 到 12.7 吉瓦。61在當(dāng)前規(guī)劃的項(xiàng)目之外，還存在進(jìn)一步的技術(shù)潛力；但是，只有較少的地點(diǎn)具有充分的經(jīng)濟(jì)潛力，而此類地點(diǎn)都幾乎已被開(kāi)發(fā)利用。62 成本 基于 2014 年的估計(jì)值，抽水蓄能電站的成本結(jié)構(gòu)如下所示：63 固定成本：2.86 歐元/千瓦/年 與發(fā)電量相關(guān)的變動(dòng)成本：0.56 歐元/兆瓦時(shí)（不包括電力采購(gòu)成本） 渦輪機(jī)每次啟動(dòng)的變動(dòng)成本：3.34 歐元/兆瓦 水泵每次啟動(dòng)的變動(dòng)成本：8.95 歐元/兆瓦 電池 主要市場(chǎng)和監(jiān)管措施或者限制性法規(guī) 目前，沒(méi)有推進(jìn)抽水蓄能電站靈活運(yùn)行的任何激勵(lì)措施，電力交易現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格除外。當(dāng)前現(xiàn)行對(duì)抽水蓄能電站發(fā)展不利的規(guī)定，也被

56、稱為雙重負(fù)擔(dān)，降低了抽水蓄能電廠的盈利能力。在整個(gè)抽水蓄能過(guò)程中，電廠運(yùn)營(yíng)商必須向終端消費(fèi)者支付兩次費(fèi)用：一次是在消耗電力來(lái)抽水之時(shí)，另一次是在向電網(wǎng)饋入電力之時(shí)。這種情況在很大程度上妨礙了新抽水蓄能電站的建設(shè)。同樣的監(jiān)管障礙適用于所有從電網(wǎng)提取電力、之后由向電網(wǎng)饋返電力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其是大型電池（LSBs）和電力多元轉(zhuǎn)換（PtX）。 電池是將能量以化學(xué)形式儲(chǔ)存在電池內(nèi)并在需要時(shí)將其轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。電池可能具有不同性質(zhì)、尺寸和類型，主要是鋰離子、鉛酸、鈉硫和氧化還原液流。64它們的優(yōu)勢(shì)是可快速、動(dòng)態(tài)調(diào)整以應(yīng)對(duì)高負(fù)荷、提供短期電力或者靈活性。電池可以提供電力和靈活性的時(shí)間短則在幾秒內(nèi)

57、甚至在不到 1 秒的時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)則至少 30 分鐘。65政策措施支持下競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的電力市場(chǎng)、可再生能源發(fā)電量的增長(zhǎng)以及巨大的技術(shù)進(jìn)步，都使電池成為所有靈活性選項(xiàng)中增長(zhǎng)最快的一個(gè)。 在此報(bào)告中，我們區(qū)分了小型電池和大型電池。小型電池是充電/放電容量不到 50 千瓦或者儲(chǔ)能容量不到 50 千瓦時(shí)的電池盡管尚不存在標(biāo)準(zhǔn)化的分類。66充電/放電容量超過(guò) 5067千瓦或者儲(chǔ)能容量超過(guò) 50 千瓦時(shí)的電池被認(rèn)為是大型電池（LSBs）。 小型電池 主要技術(shù)解決方案 小型電池在德國(guó)電力系統(tǒng)中的功能與用戶和市場(chǎng)相關(guān)的功能與市場(chǎng)相關(guān)、服務(wù)電網(wǎng)的功能提高自給自足的水平降低電價(jià)移峰或負(fù)荷轉(zhuǎn)移削峰或負(fù)荷調(diào)節(jié)短期日儲(chǔ)能

58、現(xiàn)貨市場(chǎng)交易（套利）（主要是在整合到虛擬大型電池或者虛擬電廠之后）輔助服務(wù)參與批發(fā)市場(chǎng)整合到虛擬大型電池或者虛擬電廠中不間斷電源（UPS）黑啟動(dòng)能力孤島模式小型電池通常用于短期儲(chǔ)能，尤其是日常使用的家用儲(chǔ)能。小型電池在家用情景下通常會(huì)與電動(dòng)汽車和熱泵結(jié)合使用。68 其主要功能見(jiàn)下： 虛擬電廠（VPPs）虛擬電廠是由風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏和熱電聯(lián)產(chǎn)等分散式、中等規(guī)模發(fā)電機(jī)組，以及靈活電力消費(fèi)者和儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。機(jī)組依然具有獨(dú)立的運(yùn)行和所有權(quán)，但也可通過(guò)遠(yuǎn)程控制機(jī)組，經(jīng)由虛擬電廠的中央控制室彼此互聯(lián)。中央控制室監(jiān)督、協(xié)調(diào)和控制所有相關(guān)資產(chǎn)的調(diào)度，以智能地優(yōu)化和分配發(fā)電或耗電。它也負(fù)責(zé)在電力交易所進(jìn)行

59、電力交易。虛擬電廠的總體目標(biāo)是減少峰值負(fù)荷，從而減少對(duì)二次調(diào)度和可再生能源限電的需求，減少電力套利，提供調(diào)頻輔助服務(wù)?？偟膩?lái)說(shuō)，小型的個(gè)體發(fā)電設(shè)備無(wú)法在批發(fā)市場(chǎng)上提供調(diào)頻輔助服務(wù)或者提供靈活性，因?yàn)樗鼈兛勺冃蕴?，或者無(wú)法滿足參與電力市場(chǎng)的最低投標(biāo)規(guī)模及其他標(biāo)準(zhǔn)。個(gè)體發(fā)電設(shè)備和虛擬電廠之間的雙向數(shù)據(jù)交換提供了聯(lián)網(wǎng)設(shè)備容量使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此外，虛擬電廠的中央控制系統(tǒng)也處理與電力交易所現(xiàn)行價(jià)格、天氣和價(jià)格預(yù)測(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)，也處理系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供的電網(wǎng)信息。使用智能算 法，此種信息可用于產(chǎn)生精確的個(gè)體預(yù)測(cè)，用以交易電 力，安排可調(diào)度的電廠和負(fù)荷。來(lái)源：基于 Next Kraftwerke c.2015

60、年，新的商業(yè)模式開(kāi)始出現(xiàn)，通過(guò)整合多個(gè)家用儲(chǔ)能， 以虛擬電廠（VPP）的形式提供一次調(diào)頻。目前，有多家公司提供此項(xiàng)服務(wù)，但它依然份額很小。69 用于家用儲(chǔ)能的小型電池幾乎全部是鋰離子電池（ 99%）。此類電池的安裝成本高，但其在整個(gè)功率范圍內(nèi)的效 率也高，只有在超低輸出的情況下才效率低下（5%-10%）。70 主要市場(chǎng)和監(jiān)管措施或者限制性法規(guī) 以下框架條件推動(dòng)了小型電池在德國(guó)使用量的上漲：71 住宅所有人可以選擇：向電網(wǎng)輸送電力，以收取上網(wǎng)電 價(jià)（截至 2021 年，大約為 7.5 歐分/千瓦時(shí)）；自給自足， 避免支付電價(jià)（截至 2021 年，大約為 30 歐分/千瓦時(shí)）。電池有助于改善源自太