能源转型时代的能源网络

2022年5月 能源转型时代的能源网络 OIES纸：EL48OIES高级研究员RahmatallahPoudineh 本文内容由作者自行负责。它们不一定代表牛津能源研究所或其任何成员的观点。 版权所有©2022 牛津能源研究所 （注册慈善机构，编号：286084） 未经版权所有者特别许可，本出版物的部分复制可用于教育或非营利目的，但需注明出处。未经牛津能源研究所事先书面许可，不得将本出版物用于转售或任何其他商业目的。 国际标准书号978-1-78467-199-0 抽象的 作为连接能源与能源使用的基础设施，能源网络构成了国家和全球能源系统的关键要素。它们还在帮助平衡供需方面发挥关键作用，从而确保能源不仅在正确的地方而且在正确的时间可用。能源转型将对现有能源网络（例如电力和天然气电网 ）产生重大影响（尽管不一定以相同的方式），并可能导致新能源载体系统的增长，例如区域供热和制冷以及部署新的基础设施以支持氢的使用。了解能源转型对能源网络的影响，以及这些基础设施应如何适应脱碳挑战，对于实现净零碳目标非常重要。本文探讨了输配电网络面临的一些关键问题；天然气网络；以及能源系统转型中的未来氢气、加热和冷却网络 。此外，由于未来的脱碳能源系统可能会在系统的不同部分之间表现出更多的相互作用，因此本文探讨了利用能源网络之间的协同作用并从其综合运营中受益的可能方法，以降低脱碳的成本和挑战。 内容 摘要二图三表三 1.简介1 2.能源网络2 2.1输电网络2 2.1.1市场设计的效果5 2.1.2配电网络5 2.2天然气网络8 2.3氢网11 2.4加热和冷却网络12 3.综合能源网络16 4.总结和结论19 参考文献22 数字 图1：满足升温1.5°C目标的全球整个能源系统情景中一次能源中的天然气。9 图2：英国各行业的年度供热需求（2019年）13图3：建筑空间制冷的全球能源消耗15 图4：部分国家通过区域能源系统满足供暖/制冷需求的份额15 图5：网络规划和运营综合方法的三个层次17 图6：英国不同能源网络之间可能的互动说明18 表 表1：电力系统的转型及其影响3 表2：传输约束示例和可能解决方案的范围4 1.介绍 能源网络是将能源与能源使用联系起来的基础设施，因此构成了国家和全球能源系统的关键要素。在过去的一百年里，网络（尤其是电力和天然气）已经从本地简单的电网发展成为复杂的基础设施，不仅在国界内而且以可靠和有效的方式跨境传输能源。 净零碳目标将导致能源系统发生重大变化，对现有能源网络产生重大影响。它还可能导致新能源载体系统的增长，例如区域供热和制冷，并可能产生新的基础设施来支持氢气的输送和使用。 由于目前能源系统正在进行的转型，电力网络正面临着重大变化。电力是增长最快的消费能源，因为它有望在运输、建筑和工业部门的脱碳中发挥作用。传统上，电力由大型集中式火力发电厂或水力发电厂发电，这些发电厂向输电网馈电，该输电网连接工业负载并通过配电网为较小的消费者供电（IEA，2021年）。输电网的设计使得发电厂和特定区域内的主要消费中心之间的电力流动很容易适应，而不会出现结构性拥塞。然而，陆上风电场、公用事业规模的太阳能设施和海上风电场等可再生能源资源通常远离负荷中心，而热电厂要么被淘汰，要么被廉价的可再生能源挤出市场。与此同时，配电网中小型分布式能源(DER)的数量也出现了巨大增长。这些发展将改变电力网络内的流动模式，并可能产生新的限制，因此需要更有效地利用现有电网资产、新的电网投资，在某些情况下甚至需要新的整体电网和电力市场设计。 分布式能源的兴起，尤其是权力下放范式，正在颠覆电力传输和配电部门之间的平衡。配电网在历史上一直是被动的并通过过度工程解决电网限制，现在变得更加活跃。除了对新规则的需求外，这也意味着配电系统运营商(DSO)的新角色，以促进DER的有效集成，同时与输电系统运营商(TSO)实现更高水平的协调。这是为了提高对DER的可见性和控制，并避免DSO和TSO之间的潜在冲突。 除电力外，天然气是许多国家的另一个主要能源网络。然而，天然气电网的未来是不确定的，尤其是在低压配电层面。这部分取决于未来主要使用天然气的能源服务场景，例如供暖，部分取决于为降低碳捕获和储存成本而取得的技术进步。如果这些网络要在净零碳目标下发挥作用，就必须改变天然气网络的使用。氢等低碳替代品是天然气的潜在替代品，但存在一系列挑战。例如，随着天然气份额的下降，可用的氢气量可能不足以证明调整现有天然气基础设施的合理性。此外，氢气不仅可以通过改造后的天然气网络（或新管道）运输，还可以通过可用的电力和运输网络运输，例如铁路、公路和水路 。这意味着，尽管管道效率很高，但重新利用天然气网络可能并不总是最佳解决方案。 还有其他能源网络正在兴起，以应对供暖和制冷行业脱碳的挑战。供热网络目前在全球的能源需求市场份额很小，但鉴于它们相对于单个供暖系统的优势以及建筑行业供暖脱碳的紧迫性，预计它们的份额将会增加。例如，在英国，能源需求 因为供暖占所有能源使用的40%以上，并贡献了约三分之一的碳排放。在有利的监管和政策条件下，区域供热可能成为高密度建筑环境中的建筑物供热的主要方式，例如城市中心和校园，以及该国的一些农村废气电网社区。 与区域供热相比，制冷网络不太常见，但随着全球南方对空间制冷需求的增加，这些网络也可能变得更加重要。在阿拉伯联合酋长国，区域供冷目前提供了超过五分之一的冷负荷（IRENA，2017b）。与单独的空调系统相比，提供集中式空间冷却的规模经济和效率提高可以显着降低其成本。与区域供热类似，区域供冷也需要适当的政策和法规，以促进其在高负荷密度地区的部署。 随着能源系统因脱碳、去中心化和数字化趋势而变得更加复杂，能源网络作为利用和促进能源生产和消费的时间和空间多样性的关键基础设施的重要性也在增加。因此，有必要了解如何最好地设计、调节、整合和运营现有和新兴的能源网络，以使整个能源系统受益。目前，能源网络，无论是电力、天然气、供暖还是制冷，通常都是独立规划和运营的，这导致协同效应和效率的丧失（Hosseini，2020）。这些独立的基础设施现在越来越多地通过网络耦合技术相互连接，例如联合循环燃气轮机（CCGT）；热电联产机组（CHP）；和power-to-X技术，例如氢气、氨气、加热、冷却和热泵。对这些网络的规划和运营采取综合方法可以降低一次能源的使用，为整合可变可再生能源提供灵活性，并降低实现净零目标的成本 。然而，这需要解决一系列运营、监管和治理问题。1 本文的大纲如下：第2节讨论了能源转型过程中各个能源网络面临的问题，从输配电网开始，然后是天然气和氢网，最 后是供暖和制冷网络。第3节讨论了综合能源网络的概念。最后，第4节提供了总结和结论。 2.能源网络 能源网络是将能源从生产源转移到消费者场所的基础设施。它们构成了各种形式的技术，从已建立的网络（如电力和天然气）到新兴的电网（如氢气、加热和冷却）。在本节中，我们将简要回顾这些网络中的每一个，并强调它们因能源转型而面临的挑战和机遇。 2.1输电网络 随着我们向净零碳经济迈进，电力部门正在经历一场深刻的变革（BEIS，2021a）。在供应方面，可再生能源的兴起导致发电变得越来越多变和不确定，而分布式能源的渗透意味着由于权力下放，价值从输电转移到配电层面。在需求方面，预计电力需求不仅会由于活动和流程的电气化增加而增加，而且由于新电气化活动的性质，电力需求也可能变得更加不确定 1其中包括经济问题，例如在存在不同能源系统的分散的制度和市场结构的情况下进行协调，以及技术挑战，例如防止级联故障、降低脆弱性和提高综合能源网络的复原力（Taylor等人，2009年）。,2022)。 （例如，电动汽车可能随时在网络上的任何位置充电）。此外，随着数字化和自动化降低了与电力系统交互的交易成本，网络用户变得更加活跃。这些都对整个电力系统产生影响，包括网络基础设施（见表1）。 表1：电力系统的转型及其影响 电力系统改造 一代  可变和不确定的可再生能源发电 分布式能源储能 电力需求 电力消耗的增加（例如数据中心、电动汽车、热泵、空调） 需求不确定性增加 网络用户 活跃的网络用户（例如产消者、能源社区） 通讯与控制 数字化和自动化 对电力系统的影响 最初的焦点 当前重点 规划 可再生能源 产能增长 系统交互、集成成本 网络基础设施 足够的容量容纳所有用户 市场化和差异化的电网接入制度、竞争、成本分配、与发电的协调 手术 可靠性和运营安全 通过纯能源市场 寻找新范式 灵活性 从常规发电厂 新的解决方案（例如分布式能源、需求响应、储能）以及灵活的新激励措施和框架服务 来源：作者 事实上，与过去相比，我们需要一个不同的电力网络。电力网络需要更高的容量和互连以及更有效的方法来满足电力需求的增长以及系统供需平衡中增加的复杂性和挑战。 尽管分散化意味着越来越多的发电设施位于配电侧，但由于陆上和海上风电场等新主要资源的地理位置不同，以及电力市场之间互联互通的需求增加。 扩大输电网有两个要点。首先，新输电资产的设计和建造是一个复杂且成本高昂的过程，需要很长的时间。其次，供暖和运输脱碳的时间和速度以及电气化在这些服务的所有应用中能够在多大程度上胜过替代方案仍然存在不确定性。这表明，面对这两个行业可能出现的一系列过渡路径结果，未来的网络投资需要稳健。 与传统网络投资模型相关的一个关键问题与经济效率及其对基于资产的解决方案的狭隘关注有关，而没有考虑到虽然电网扩展至关重要，但必须首先解决低成本和及时解决方案这一事实。例如，考虑一个区域 其中风力发电供应过剩，但由于人口密度较低，需求低，导致输电受限。过去应对这一挑战的标准解决方案是添加一条新电线，将过度发电的区域与最近的高需求中心连接起来。如表2所示，新传输线的部署是该问题的五种可能解决方案之一 。的确，这个问题可以通过电池来解决；聚合器；电压服务提供商；或单一的大型工业需求，例如可以吸收过度发电的电解槽。 表1：传输约束示例和可能解决方案的范围 传播约束示例：需求较低的地区风力发电水平较高 解决方案1：添加一根电线将高供应区域连接到高需求区域解决方案2：部署电池，在供应高时存储能量，并在需求高时将其释放回电网解决方案3：一个聚合器，它可以聚合需求，并能够在需要时将其调高或调低以匹配供应解决方案4：电压服务提供商可以应对因风力发电突然增加而导致的电力供应激增的特殊挑战解决方案5：单一的大工业需求，比如电解槽，可以对风力发电浪涌做出反应 资料来源：改编自BEIS(2021a) 问题在于，当网络公司没有动力考虑更广泛的电网约束解决方案时，解决方案1几乎总是首选，即使它在经济上效率低下 。这是因为网络公司偏向于基于资产的解决方案，因为其他方法都不能增加网络公司的监管资产基础，从而使其获得回报 。相反，如果电网中传输的能源量下降，实施其他解决方案甚至可能导致网络公司的收入下降。 当网络运营商和网络所有者是同一组织时尤其如此，这也是在英国，国家电网电力系统运营商(NGESO)在法律上与传输所有者国家电网电力传输(NationalGridElectricityTransmission)分离的原因之一。NGET)，尽管它们都属于同一个组 ——国家电网(NG)组。现在正在讨论更进一步，建立一个对受监管的电力和天然气资产完全没有兴趣的独立能源系统运营商。 因此，调整网络公司的激励机制对于实现投资效率至关重要。尽管传输层面的非网络解决方案市场在一开始可能没有得到很好的发展，但引入特定的激励措施可以鼓励第三方供应商进行创新和发展，尤其是随着技术的进步。 解决方案范围的增加还允许在传统上被视为自然垄断的供应链环节中利用市场机制和竞争。但是，鉴于网络约束的类型会影响可用于修复它们的解决方案的范围，可以以不同的方式安排解决方案采购的拍卖。有时网络约束可能有一个明确的唯一解决方案，而其他时候可能有一系列可能的解决方案。因此，采购网