在未来欧洲电力系统中灵活性要求和储能的作用（英）

ISSN1831-9424 这是一个技术出版欧盟委员会科学和知识服务联合研究中心（JRC）的报告。它旨在为欧洲决策过程提供循证科学支持。本出版物的内容不 必须反映欧盟委员会的立场或意见。欧盟委员会或任何行事的人都不是委员会代表委员会负责对本出版物的使用。有关方法和 本出版物中使用的数据来源既不是欧盟统计局也不是欧盟委员会的其他服务，其质量应请与引用的来源联系。地图上使用的名称和材料的呈现并不意味着表达 欧洲联盟对任何国家、领土、城市或地区或其法律地位的任何意见当局，或关于其边界或边界的划定。 联系信息 名称:DerckKoolen 地址：欧盟委员会，联合研究中心，Westerduinweg3，1755LE，荷兰电子邮件:derck.koolen@ec.europa.eu 电话:31224565958 欧盟科学中心 https://joint-research-centre.ec.europa.eu JRC130519 31239欧元在 PDFISBN978-92-76-57363-0ISSN1831-9424doi：10.2760/384443KJ-NA-31-239-EN-N 卢森堡：欧盟出版局，2023年 ©欧盟,2023年 欧盟委员会文件的重复使用政策由12月12日的委员会第2011/833/EU号决定实施 2011年关于委员会文件的再利用（OJL330，2011年12月14日，第39页）。除非另有说明，否则本文档的重复使用是根据知识共享署名4.0国际（CCBY4.0）许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）授权。 这意味着只要给予适当的信用并指出任何更改，则允许重用。 使用或复制不属于欧盟/欧洲原子能共同体的照片或其他材料，必须直接向版权所有者寻求许可。欧盟不拥有与 以下元素: 封面图片,©stock.adobe.com 如何引用这份报告：Koolen，D.，DeFelice，M.和Busch，S.，灵活性要求和储能在未来欧洲电力中的作用系统，欧盟出版局，卢森堡，2023年，doi：10.2760/384443，JRC130519。 内容 文摘1 确认2 1介绍3 1.1权力系统造型与梅蒂斯人4 2灵活性需求6 2.1灵活性需求和可再生能源11 2.2存储解决方案和技术贡献13 3现货市场价值的灵活性技术16 4优化电存储在的2030欧盟权力系统20 4.1分析的角色的资本支出22 4.2评估的角色的inter-connectors24 5结论26 引用27 列表的缩写和定义28 列表的数据29 列表的表30 附件1.安装能力和年度需求在欧盟从质数31 我 文摘 向气候中和能源系统的过渡依赖于越来越多的可再生能源 在欧洲电网中。由于可再生能源的生产本质上是可变的，因此灵活性预计未来几年平衡供需的需求将增长。在这项工作中，我们研究 使用METIS能源系统模型的2030年和2050年欧洲电力系统的灵活性需求。我们 发现灵活性要求，以在不同时间尺度上显着增加，使用可变的可再生能源输出作为主要驱动。我们确定那些可能提供灵活性的技术，包括存储 解决方案，我们在现场评估金融套利对这种灵活性技术的经济价值市场。我们进一步研究了与存储投资成本和可用互连容量相关的电力存储解决方案的最佳组合，以适应未来欧洲的灵活性需求 电力系统。 确认 作者要感谢DGENER的B4和A4单元，感谢他们在塑造当前研究。 作者 DerckKOOLEN 马特奥·德·菲利斯塞巴斯蒂安·布希 1介绍 2021年7月，欧盟委员会通过了第一个适合55人的一揽子提案，以提供欧洲绿色交易,即欧盟’S能源系统、土地使用、交通部门和税收政策契合到2030年，温室气体（GHG）净排放量比1990年水平至少减少55%。跟 到2050年实现碳中和的最终目标，整合更高份额的可再生能源在这些提案中起着举足轻重的作用。一揽子政策建议包括对 可再生能源指令将可再生能源份额的目标提高到至少占总人口的40%到2030年的最终能源消耗。该提案符合能源系统集成，氢， 海上可再生能源和生物多样性战略（欧盟委员会，2021a）最近欧洲理事会同意（欧洲理事会，2022年）1. 与“适合55人”政策提案中考虑的雄心一致，三个核心政策情景已经被开发为各种政策的影响评估的通用分析工具 在欧洲绿色新政的背景下（欧盟委员会，2021b）。本研究使用MIX-H2 情景，建立在MIX情景之上，MIX情景是实现净减排55%的核心政策情景温室气体和可再生能源在最终能源消费总额中所占份额的38%-40% 到2030年2.MIX-H2情景建立在MIX情景的基础上，依赖于最终对氢的更高吸收能源需求，这意味着电解槽产能的大幅增加（到2030年欧盟将达到40GW），与氢能战略中的目标保持一致（欧盟委员会，2020年）。 图1显示了MIX-H2情景中欧盟按燃料类型划分的总发电量。的输出从2020年到2050年，可再生能源显着增加，风能发电的份额 发电占总发电量的比重从15%增加到57%，太阳能发电占比从5%到19%。与此同时，基于化石燃料的发电份额在未来下降 三十年来，天然气从18%到2%，煤炭（包括褐煤）从15%到0%。 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 风 太阳能生物量和浪费 水电 核 天然气 煤和褐煤 其他 图1：在MIX-H2情景中，欧盟按燃料类型划分的总发电量，以TWh为单位。 源:联合研究中心的分析。 12022年5月，欧盟委员会宣布了REPowerEU计划，目标是迅速减少对 俄罗斯化石燃料和快速推进绿色能源转型（欧盟委员会，2022a）。REPowerEU建立在实施Fit-for-55提案，保持实现至少55%温室气体净减排的目标 2030年，并设想到2030年将可再生能源指令中的可再生能源目标提高到45%。此外，它旨在通过增加总共15个来更快地减少欧盟对天然气的依赖太(几百万吨)(可再生氢 其中5吨国产）。虽然我们只考虑本研究中商定的适合55的提案，但REPowerEU可能会因此 进一步影响欧盟电力系统的灵活性需求，加速推动的灵活性要求增加 可再生能源和传统灵活性技术的部署（例如燃气发电厂）被新形式的灵活性所取代和存储（例如电解槽和电池）。 2在MIX情景中，碳定价和能源政策行动都保持一致，以触发对清洁能源技术和 基础设施。 可再生能源的整合为电力市场带来了更多低边际成本的供应，通常在供应堆栈的调度顺序中削弱传统生产商，因为不需要燃料发电。同时，风能和太阳能等可再生能源也引入了 生产概况本质上是可变的。常规供应减少的组合 可调度的生产商和不断增长的可变可再生能源（VRES）份额投入电力系统运营承压，导致电价大幅波动。确保成本效益 因此，在保持足够的供应安全水平的同时整合VRES需要 整合资源，为整个电力系统提供灵活性，从发电和网络，到存储应用程序和需求方响应。 随着不同市场区域的发电和需求状况的变化，电力互连器是灵活性的重要提供者，允许电力动态跨境流动。有足够的互连能力可用，因此灵活性要求应在欧盟而不是MS解决 水平。此外，使用传统的柔性技术（例如化石燃料发电站）进行生产 越来越多地被其他灵活技术（例如水电）的生产所取代，新的存储解决方案 （例如电池）和其他机会（例如电解槽、需求侧响应和热泵）。是的因此，政策制定者必须充分解决这些相关的投资和系统成本。 新的灵活性和存储技术，以确保在给定的市场设置中有效集成。 在本报告中，我们评估了2030年和2050年欧盟电力系统的灵活性要求和解决方案使用METIS电力模型。我们首先评估不同时间尺度的灵活性要求（每天， 每周和每月）。鉴于VRES市场份额的增加，我们研究了灵活性要求，并讨论有助于满足这些灵活性需求的技术。然后，我们探索 现货市场中金融套利的经济价值，用于选定的灵活性技术。最后我们评估储能技术在促进灵活性需求方面的潜在作用，分析最佳 存储解决方案在投资和系统成本参数方面的份额。 1.1电力系统建模与梅蒂斯人 我们使用METIS对欧洲电力系统进行建模，METIS是一个模拟运行情况的数学模型欧洲电力系统，代表欧盟每个成员国和相关邻国3. 该模型能够从系统成本优化电力系统的未来发展透视，通过联合执行容量扩展和每小时调度模拟。 METIS能源模型模拟短期电力市场的清理，使用已安装的输入数据 容量和商品价格成本，按给定年份的小时计算。在本研究的背景下， 模型使我们能够解决与需求和VRES供应的可变性质相关的灵活性需求。 除了它们的可变性质之外，VRES本质上也难以预测，这种不确定性可能会产生连续短期市场之间的有利可图的套利交易策略。作为METIS的焦点 单一现货市场不允许反映这些动态，结果对经济价值的灵活性技术应被视为一个下限，针对因 生产和供应，而不是生产和供应的不确定性。 上下文4为本报告开发基于欧盟能源系统模型PRIMES的结果 已被用于制定Fit-for-55一揽子计划的情景（欧盟委员会，2022b）。这 De详细描述了用于从PRIMES数据构建METIS模型的方法，用于为2030年构建METIS模型菲利斯（2022）。在这种方法的基础上，2050年背景进一步提出了一些更新： 获得输电网的互联互通跨界容量 以2030年电网为基准进行容量扩展5. 非欧盟国家的数据基于GECO20201.5情景（Keramidas等人，2021年）。 电力需求分解为对电动汽车的需求，对热泵的需求和电力需求。 3有关详细信息，请参阅energy.ec.europa.eu/data-and-analysis/energy-modelling/metis_en4在梅蒂斯人的术语,“上下文”是由模拟所需的输入数据组成的特定能源场景。 5METIS模型同时支持模拟模式（优化运营管理）和扩容模式（联合）优化运营管理和投资）。 电动汽车（EV）在两个车队中建模，优化其充电策略，使用两个不同的充电模式。这使我们能够研究电动汽车可以提供电力的程度。系统灵活性在2050年的系统。 我们进一步注意到，用于定义2050年温度、风能和太阳能水电流入的时间序列容量系数与2030年情景中使用的系数相同，即不包括任何关于 气候变化预测。 2灵活性的要求 为了适应VRES的显着增加，欧洲电力系统需要促进更多的 灵活且响应迅速的电力网络。VRES的间歇性以及由此产生的动态剩余负荷需要从短期到季节性时间尺度的灵活性。灵活性 解决方案也将根据这样的时间表量身定制，从电池-这可能提供灵活的解决方案 在（亚）每小时的时间尺度上-季节性水力储存，在每月的时间尺度上提供灵活性。我们首先确定这些不同时间尺度的灵活性要求，然后与背后的驱动因素相关。 灵活性要求是根据剩余载荷曲线估算的。这被定义为 可以通过可调度技术提供服务（欧盟委员会，DGEnergy等人，2019年），并且由从需求曲线中减去必须运行和VRES生成6。剩余负载曲线表示 部分需求需要通过灵活的技术来满足（例如火力发电机组、水力发电、 互连器、存储等）。图2描绘了欧盟2030年剩余负荷曲线，平均每小时和在所有成员国。我们在早晨和晚上观察到一个高峰，与小时一致 需求增加，中午太阳能光伏发电减少剩余负荷时大幅下降。 0,3 0,2 0,1 0 01234567891011121314151617181920212223 小时 盈余 短缺 日常档案 平均轮廓 源:联合研究中心的分析。 我们定义퐹푅푇作为具有时间粒度的年度灵活性要求T通过7: 퐹푅푇=∑1∑|푅퐿−̅푅̅퐿| 푇2 푡푡 (1) 푡 在哪里푅퐿푡代表了剩余负荷在时间步t,푅̅퐿̅平均剩余负载在所有时间的푡步骤t 在T.请注意，根据定义，正灵活性要求和负灵活性要求必须相等8。在这个报告中, 我们专注于这些