德国电力系统中的灵活性技术和措施（英文版）

分析德国电力系统中的柔性技术与措施 2法律信息德国能源署（dena）在中德能源转型项目的框架内发布了“德国电力系统的灵活性措施”分析报告。该项目支持中国政府智库与德国研究机构交流，加强中德能源转型科学交流，与中国观众分享德国能源转型经验。该项目旨在通过国际合作和互利的政策研究和建模，推动以低碳为导向的能源政策，帮助中国建立更有效的低碳能源体系。该项目得到了德国联邦经济事务和气候行动部 (BMWK) 在中德能源伙伴关系框架内的支持，该伙伴关系是德国和中国在国家层面进行能源政策对话的中心平台。中方方面，国家能源局（NEA）支持整体转向。 Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH 与德国能源署 (dena) 和 Agora Energiewende 合作领导项目实施。出版商：Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) 德国能源署 Chausseestrasse 128 a10115 柏林，德国电话：49 (0)30 66 777-0传真：49 (0)30 66 777-699电子邮件：info@dena.de 互联网：www.dena.de作者：Karolina Jankowska 博士，德纳 Corina Bolintineanu，德纳最近更新时间：01/2022版权所有。对本出版物的所有使用均需获得dena 的批准。请按如下方式引用本出版物：Deutsche Energie-Agentur (dena, 2021) “德国电力系统中的灵活性技术和措施” 3内容执行摘要 41背景、定义和历史概述 51.1什么是电力系统的灵活性，它为什么重要？ 51.2德国电力系统开发与集成灵活性 71.3提高德国电力系统灵活性的里程碑和措施 102技术灵活性选项 122.1常规发电厂 122.2生物质和沼气发电厂 162.3抽水蓄能电站 172.4电池 192.5Power-to-X 233需求侧灵活性选项 253.1工业和商业 DSF 263.2住宅 DSF 274系统操作灵活性 294.1重新调度和削减 294.2可再生能源发电的高级预测 304.3提高现有电网的利用率 304.4DSO 和 TSO 之间的合作 304.5TSO 之间的合作与协调 314.6跨境电力交换 315市场设计灵活性 335.1提高电力市场的粒度 365.2辅助服务 375.3支持计划：可再生能源和电网收费 41附录 1. 可用能力以及对德国灵活性选项的潜力和实施的估计 42附录 2. 德国选定灵活性选项的灵活性潜力 45缩写列表 46图列表 47表列表 48参考书目 49 4执行摘要德国的气候中和目标指日可待。为了在 2045 年实现这一目标，德国将需要增加其可再生能源的产量，并随之增加其电力系统的灵活性。在过去的几十年中，已经开发和实施了解决方案，例如建立市场规则以实现灵活性措施之间的竞争，以及确保技术和参与者广泛组合的技术中立方法。在通往完全基于可再生能源的电力系统的道路上，传统发电厂，特别是燃气发电厂，将继续发挥作用。今天，燃煤和燃气发电厂是德国最重要的灵活性来源。然而，最迟到 2038 年淘汰燃煤电厂和到 2022 年淘汰核电将导致更多地使用其他灵活性选项。大型电池是提供初级控制能源和工业应用的合适解决方案，而小型电池可为私人家庭提供与用户相关的灵活性，将发挥越来越重要的作用。生物质、沼气和抽水蓄能发电厂将继续提供灵活性，目前是第二个最重要的灵活性来源。此外，技术发展以及金融和监管壁垒的逐步取消，特别是要求运营商两次支付消费者费用的双重负担，可能会触发 Power-to-X 技术的使用，该技术尚未在德国广泛部署.预计批发市场的价格信号将引发行业和中小企业更高的需求侧灵活性。随着智能测量系统（智能电表）和其他数字技术的逐步引入，住宅需求侧的灵活性将发挥更大的作用。最后但并非最不重要的一点是，系统运营法规将需要调整以增加电网灵活性。该报告详细概述了德国电力系统的主要灵活性技术和措施。虽然它反映了现状，但它也表明电力系统的发展需要达到气候中和，并为正在进行的政策辩论提供有价值的投入。 51背景、定义和历史概述1.1什么是电力系统的灵活性，它为什么重要？电力系统的灵活性——理解为通过增加或减少发电量或负载来轻松修改或改变的能力——可以应用于不同的电力系统元素、它们提供的服务或整个系统。发电机组以及配电和输电网可以灵活运行，为电网和电力系统提供灵活性。电力消费者，如工业、电动汽车或家庭，也可以调整他们的电力需求，为电力系统服务。监管措施和市场规则的设计可以增强或阻碍电力系统要素或整个系统的灵活性。随着风能和太阳能光伏 (PV) 等可变可再生能源 (RE) 在能源中的份额不断增加混合，灵活性措施将在电力系统中发挥越来越重要的作用。德国的目标是到 2045 年实现气候中和，这需要可再生能源的进一步增长。达到这个目标必然会导致对灵活性的更大需求，主要是由于越来越多的波动性或可变性的产生，因此，残余负荷，定义为用电量减去可变可再生能源发电量。德国电力系统中的剩余负载经常会减少到几乎为零，然后在短时间内（几天或几小时）内显着增加。1因此，系统级别的灵活性可以描述为发电机组和负载的聚合园区对剩余负载的可变性做出反应的能力。2为应对这一发展，有必要对电厂机队、需求侧响应、市场规则和系统运行做出改变。3图 1. 高比例可再生能源的灵活性要求——德国冬季两周的负载曲线示例资源：预测：Agora Energiewende 2017a，p。 24 6下表总结了德语环境中的灵活性选项及其功能。在德国，满足更大灵活性需求的市场规则的变化导致了电厂机队和电力消费模式的变化，以及在较小程度上改变了系统运行。4因此，德国电力系统的灵活性措施主要服务于市场相关功能.市场相关功能多为网格服务如果它们有助于电网的运行和稳定。一个例外是，如果电网运营商的电网服务功能与市场无关自己应用这些措施。由于分拆规则，电网运营商不能拥有发电资产，因此不能参与电力交易。分拆是欧盟单一电力市场的一项规则，规定输配电网必须由独立于发电单位的实体运营。联邦网络局豁免了其所谓的“电网助推器”（德语：Netzbooster），例如大型电池，不受此规则的约束。根据 2019 年电网发展计划，电网助推器可由 TSO 在试点项目中运营。表 1. 灵活性选项及其在德国背景下的意义服务提供者接收方服务措施与技术中的功能系统消费者或工厂经营者平衡组管理器 (BRP)、DSO 或 TSO技术灵活性选项改造传统发电厂，包括。热电联产（热电联产厂）改造生物质和沼气发电厂抽水蓄能系统电池用户相关功能市场相关功能电网服务市场相关功能网格服务功能点对点需求侧灵活性 (DSF) 选项行业中小企业家庭DSO 和 TSO 单方面或通过合作系统操作网格扩展重新调度缩减可再生能源发电的高级预测提高现有电网的利用率DSO 和 TSO 之间的合作TSO 之间的合作与协调跨境电力交换 7监管机构和立法者消费者、BRP、DSO 或 TSO市场设计增加电力市场的粒度辅助服务支持计划资源：自己的代表。1.2德国电力系统发展与整合灵活性在本章中，我们将介绍德国不同类型的灵活性需求。可以部署第 1.2 到 1.5 节中描述的各种灵活性选项来满足这些不同类型的灵活性需求。对技术灵活性的需求对技术灵活性的需求是由残余负载梯度或斜率决定.系统的残余负载斜坡率取决于几个因素： 较高的可再生能源份额，尤其是 PV，提供更快的残余负载斜坡率，因此对灵活性的需求更大。相比之下，风电高馈入电网面积越大，互联网络越多。在网格区域之间，剩余负载梯度越低，对灵活性的需求就越低。5剩余负荷的高变化率要求可调度技术（例如存储或传统发电系统，即煤炭和天然气发电厂）的馈入具有高斜率。6高于 30% 的可再生能源份额和 20% 至 30% 的光伏份额时，剩余负载梯度超过了最高需求曲线斜坡。7 这主要是由于发电高峰数量的增加以及光伏在某些日子或几小时内覆盖了很大一部分电力需求的事实。下表说明了德国多年来剩余负荷梯度和可再生能源份额的变化情况，显示了对技术灵活性的需求如何发展表 2. 德国对技术灵活性的需求发展年RES 在发电中的份额可再生能源份额中的光伏份额可再生能源份额中的风能份额（陆上和海上）平均剩余负载 (GW)总净装机容量（GW）剩余负载变化 (GW)平均残余载荷梯度201421%（一）22.19%（一）36%（一）44.83 (b)196（一）10.25 (b)1.82（乙）201523.22%（一）20.51%（一）42.7%（一）36.47 (b)205（一）10.98 (b)2.77 (b)201622.66%（一）20.09% (一)42.14%（一）35.65 (b)212（一）10.99 (b)2.27 (b)201726.11%（一）18.21%（一）48.86%（一）34.15 (b)218（一）11.73 (b)2.28 (b)201834.94% (c)20.37% (c)48.92% (c)34.35 (e)221 (c)12.5 (f)... （G）201939.74% (c)19.13% (c)51.9% (c)29（女）226 (c)14(f)... （G）202050.5% (d)20.82% (d)53.38% (d)26（女）226.8 (d)14(f)... （G）资料来源：(a)宝马i 2019。(b)Virtuelles Institut Smart Energy 等。 2018 年，28。(c)宝马i 2021。(d)弗劳恩霍夫 ISE 2021。(e)自己的粗略估计基于：Bundesnetzagentur/SMARD。(f)自己的粗略估计基于：Fraunhofer ISE，Energy-Charts。(g)没有估计。从上表中描述的发展可以明显看出，平均残余负荷已经稳步下降。这平均残余载荷梯度在 2014 年至 2017 年期间有所增加。这一发展 8需要所有灵活性选项来更频繁地对残余负载变化做出反应。其他因素也可能导致近期和不久的将来对技术灵活性的更高需求。这些因素包括负载增加导致更高和更频繁的峰值负载或在中低压水平下的负载斜坡，因为同时性应用，例如电动汽车或热泵的充电。8图 2. 消费者变得更加灵活——应用程序的同时性资源：德纳 2017a, 4-5电网扩展和升级是对技术灵活性不断增长的需求的解决方案。它们需要通过使用灵活性选项来补充，因为它们有助于优化电网扩展并降低电力消费者的成本。避免因电网开发而增加成本的一个特别有用的解决方案是多用途方法（技术应用的经济优化）这意味着电网服务和市场相关使用灵活性。9这种双重用途可以更有效地利用电网，同时还可以充分利用灵活性选项。这可以显着降低整个系统的成本。然而，电网服务和与市场相关的灵活性使用需要适当的激励措施和监管框架。10对随机灵活性的需求随机灵活性与灵活性需求相关，由于天气、技术故障和不断变化的电力需求曲线等可能发生意外或任意变化的条件，无法非常精确地预测灵活性需求。因此，需求随机灵活性由预测质量可再生能源和传统发电，以及电力需求。11如果与预测有偏差，必须在短时间内激活灵活性。最不确定的变量是可再生能源馈入，它直接受天气变化的影响。因此，更好的预测可能会降低对整体灵活性的需求。在确定对随机灵活性的需求时，可以区分绝对和相对预测误差.绝对预测误差是预测和实际馈电之间的差值。相对预测误差是绝对预测误差和实际馈电之比的平均值。12相对预测误差显示了绝对预测误差如何随着可再生能源份额的增加而变化。欧洲能源交易所 (EEX) 有关可再生能源预测和实际馈入的数据显示，尽管可再生能源份额增加，但绝对预测误差在 2014-2017 年保持不变。 9图 3. 绝对 RE 预测误差资源：Virtuelles Institut Smart Energy 等。 2018 年，29。Y轴– 绝对预测