德国电力系统中的灵活性技术和措施

分析 德国电力系统中的灵活性技术和措施 法律信息 “德国电力系统的灵活性措施”分析由德国能源署（dena）在中德能源转型项目的框架内发布。该项目支持中国政府智库与德国研究机构之间的交流，以加强中德能源转型科学交流，并与中国观众分享德国能源转型经验。该项目旨在推动以低碳为导向的能源政策，并通过国际合作和互利政策研究和建模，帮助中国建立一个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，该伙伴关系是中德两国在国家层面进行能源政策对话的中心平台。从中国方面来看，国家能源局（NEA）支持整体转向。德国国际合作机构（GIZ）与德国能源署（dena）和AgoraEnergiewende合作，领导项目实施。 出版者: DeutscheEnergie-AgenturGmbH（dena）德国能源署Chausseestrasse128a 10115年柏林,德国电话:49(0)66777-0 传真:49(0)66777-699 电子邮件:info@dena.de互联网 :www.dena.de 作者: 卡罗琳娜·扬科斯卡博士，德娜·科里纳·博林蒂内阿努，德纳 最后更新: 01/2022 保留所有权利。对本出版物的所有使用均需获得dena的批准。 请把这公布如下: 德国能源代理（dena，2021）“德国电力系统中的灵活性技术和措施” 内容 执行概要4 1背景、定义和历史概述5 1.1什么是电力系统的灵活性，为什么它很重要？5 1.2德国电力系统发展与整合灵活性7 1.3提高德国电力系统灵活性的里程碑和措施10 2技术的灵活性选择12 2.1传统电厂12 2.2生物质能发电和沼气电站16 2.3抽水蓄能电厂17 2.4电池19 2.5power-to-x23 3需求方面的灵活性选择25 3.1工业和商业dsf26 3.2住宅dsf27 4系统操作灵活性29 4.1Redispatch和缩减29 4.2先进的预测重新生成30 4.3利用现有电网高30 4.4都是和tso30之间的合作 4.5tso31之间的合作和协调 4.6跨境权力交换31 5市场设计灵活性33 5.1提高电力市场的粒度36 5.2辅助服务37 5.3支持方案:再保险和网格指控41 附录1.A.德国现有能力以及对灵活性备选方案的潜力和实施情况的估计42 附录2.德国选定灵活性选项的灵活性潜力45 的缩写列表46数据列表47名单表48 参考书目49 执行概要 德国的气候中和目标指日可待。为了在2045年之前实现这一目标，德国将需要增加其可再生能源产量，并随之提高其电力系统的灵活性。在过去的几十年里，已经制定和实施了解决方案，例如建立市场规则 ，使灵活性措施之间的竞争成为可能，以及确保技术和参与者的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，特别是天然气发电厂，将继续发挥作用。如今，燃煤和燃气发电厂是德国最相关的灵活性来源。然而，最迟到2038年逐步淘汰燃煤电厂，到2022年逐步淘汰核电，这将导致更多地使用其他灵活性选择。大型电池是提供一次控制能源和工业应用的合适解决方案，而小型电池则在私人住宅中提供与用户相关的灵活性，将发挥越来越重要的作用。 生物质和沼气运行和抽水蓄能发电厂将继续提供灵活性， 目前是灵活性的第二大来源。此外，技术发展以及逐步消除金融和监管壁垒，特别是要求运营商支付两次消费者费用的双重负担，可能会引发Power-to-X技术的使用，而这些技术尚未在德国广泛部署。 批发市场的价格信号预计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，系统运行法规需要调整，以提高电网灵活性。 该报告详细介绍了德国电力系统中的主要灵活性技术和措施。虽然它反映了现状，但它也表明了发展电力系统以实现气候中和的必要性，并为正在进行的政策辩论提供了宝贵的投入。 1背景、定义和历史概述 1.1什么是电力系统的灵活性，为什么它很重要？ 电力系统的灵活性-理解为通过增加或减少发电或负载轻松修改或更改的能力-可以应用于不同的电力系统元件，它们提供的服务或整个系统。发电机组以及配电网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长 组合、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，这将需要进一步的可再生能源增长。实现这一目标将不可避免地导致对灵活性的更大需求，这主要是由于波动或可变性的一代,因此,剩余负载，定义为电力消耗减去可变可再生能源发电量。德国电力系统中的剩余负荷经常会降低到几乎为零，然后在短时间内（几天或几小时）显着增加。1因此，系统层面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变化做出反应的能力。2为了应对这一发展，有必要对电厂机队、需求侧响应、市场规则和系统运行进行变革。3 图1.高稀土份额的灵活性要求–德国冬季两周的负荷曲线示例 来源:Prognos:集市Energiewende2017a,p。24 下表总结了灵活性选项及其在德国背景下的功能。 在德国，市场规则的变化满足了对更大灵活性的需求，导致了发电厂和电力消费模式的变化，在较小程度上，系统运行也发生了变化。4因此，德国电力系统中的灵活性措施在很大程度上服务于市场相关功能 。市场相关的功能主要是grid-serving如果它们有助于电网的运行和稳定性。一个例外是，如果电网运营商，则网格服务功能与市场无关 应用这些措施本身。由于分类规则，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与发电机组不同的实体运营。联邦网络局将其所谓的“电网助推器”（德语：Netzbooster）豁免了这一规则，例如大型电池 。根据2019年电网发展计划，电网增压器可以由TSO在试点项目中运行。 表1.灵活性选项及其在德国背景下的重要性 服务的提供者 接收器的服务 措施和技术 函数的系统 消费者或核电站运营商 平衡组经理(brp),都是或tso 技术灵活性选项 改造常规发电厂，包括热电联产（热电联产工厂） 相关的功能 生物质和沼气发电厂的改造 市场相关功能 抽水蓄能系统电池 Grid-serving市场相关功能Grid-serving功能 PtX 需求方面的灵活性(DSF)选项 行业中小企业家庭 都是和tso单方面或通过合作 系统操作 网格的扩张Redispatch缩减先进的预测重新生成现有电网的利用率更高合作都是和tsotso之间的合作和协调跨境权力交换 监管机构和立法者 brp,消费者都是或tso 市场设计 电力市场中增加粒度辅助服务支持计划 来源:自己的表现。 1.2德国电力系统开发与灵活性的整合 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 至1.5节中描述的各种灵活性选项，以满足这些不同类型的灵活性需求。 对技术的需求的灵活性 技术灵活性的需求由残余荷载梯度或斜坡率决定.系统的剩余负载斜坡率取决于几个因素：较高的可再生能源份额，尤其是光伏，提供了更快的剩余负载斜坡率，因此对灵活性的需求更大。相比之下，风力发电馈入高的电网面积越大，互连器越多 在电网区域之间，残余荷载梯度越低，对灵活性的需求就越低。5 残余负荷的高变化率要求来自可调度技术的馈电具有高斜坡率，例如存储或传统发电系统，即煤炭和天然气发电厂。6 在可再生能源份额超过30%和光伏份额为20%至30%时，剩余负荷梯度超过了最高需求剖面斜坡。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小时内覆盖了很大一部分电力需求。 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是如何发展的 表2.德国对技术灵活性的需求发展 一年 RES分享发电 PV分享分享 风分享再保险份额(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) 平均剩余负载梯度 2014 21%(一个) 22.19%(一个) 36%(一个) 44.83(b) 196(一) 10.25(b) 1.82(b) 2015 23.22%(一个) 20.51%(一个) 42.7%(一个) 36.47(b) 205(一) 10.98(b) 2.77(b) 2016 22.66%(一个) 20.09%(一个) 42.14%(一个) 35.65(b) 212(一) 10.99(b) 2.27(b) 2017 26.11%(一个) 18.21%(一个) 48.86%(一个) 34.15(b) 218(一) 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%(d) 20.82%(d) 53.38%(d) 26(f) 226.8(d) 14(f) …(g) 来源: (a)BMWi2019。 (b)Virtuelles智能能源研究所等。2018年,28岁。 (c)BMWi2021。 (d)2021年弗劳恩霍夫伊势。 (e)自己的粗略估计基于：Bundesnetzagentur/SMARD。 (f)自己的粗略估计基于：FraunhoferISE，Energy-Charts。 (g)不估计。 从上表所述的发展情况可以明显看出，平均剩余负载稳步下降。的平均剩余负载梯度在2014年至2017年期间有所增加。这一发展 要求所有灵活性选项更频繁地对残余负载变化做出反应。其他因素也可能导致在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低电压和中压电平下的负载斜坡，由于同时性的应用，例如电动汽车或热泵的充电 。8 图2.消费者变得更加灵活–应用程序同时进行 来源:dena2017,4-5 电网扩展和升级是满足日益增长的技术灵活性需求的解决方案。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。避免因电网发展而增加成本的一个特别有用的解决方案是多用途的方法（技术应用的经济优化）这意味着网格服务和市场相关使用的灵活性。9这种双重用途导致更有效地使用电网，同时也充分利用了灵活性选项。这可以显著降低整体系统成本。 然而，网格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 对随机需求的灵活性 随机灵活性与灵活性需求有关，由于可能意外或任意变化的条件，例如天气、技术故障和不断变化的电力需求概况，因此无法非常精确地预测灵活性需求。因此，需求 随机决定的灵活性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，它直接受到天气变化的影响。因此，更好的预测可能会减少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与实际馈入之间的差异。相对预测误差是绝对预测误差与实际馈入之比的平均值。12相对预测误差显示绝对预测误差如何根据增加的RE份额而变化。 欧洲能源交易所（EEX）关于可再生能源预测和实际上网的数据显示，尽管可再生能源份额增加，但2014-2017年的绝对预测误差保持不变。 图3。绝对是预测误差 来源:Virtuelles智能能源研究所等。2018年,29岁。