2021年10月，IRENA發(fā)布了《Sector Coupling in Facilitating Integration of Variable Renewable Energy in Cities》（《城市部門耦合促進間歇性可再生能源并網》），本文提供了該報告的執(zhí)行摘要部分。
執(zhí)行摘要 Executive Summary
到本世紀中期，如果要達到巴黎協(xié)定相較工業(yè)化之前的全球平均溫升1.5℃的目標，世界需要降低二氧化碳排放到零排放，這一點已經越來越明確了。
根據IRENA《世界能源轉型展望：1.5℃路徑》，不管是通過直接和間接的技術應用，還是通過最大化利用可再生能源電力的戰(zhàn)略，可再生能源對這一方案的貢獻會達到90%以上。高達60%的碳減排來自于交通、建筑和工業(yè)等終端消費部門，35%來自于電力和熱力部門。IRENA還估計，在1.5℃情景下，到2050年，綠電將占全球電力消費的86%，其中74%來自光伏和風力發(fā)電。為了消納這么高比例的可再生能源，電力系統(tǒng)需要顯著提高電網靈活性。
各類終端消費部門，以及他們之間如何相互作用，與城市高度相關。部門耦合技術和戰(zhàn)略將在轉型中發(fā)揮關鍵作用。他們不僅有助于實現(xiàn)城市內部及周邊地區(qū)可再生能源為主的分布式電源利用，還能在地區(qū)和國家層面促進光伏、風電并網。識別并評估不同部門耦合中的平衡點對于促進城市零碳能源轉型非常關鍵。這將加快城市零碳未來轉型的決策過程，并幫助相關方認識到城市在加快零碳轉型并從中獲益的巨大潛能。
本報告概述了部門耦合作為“平衡器”為城市能源系統(tǒng)轉型所需的增強的靈活性。受益于可再生能源為主的可分布式電源增長，傳統(tǒng)被視為負荷中心的城市正在向產消者（即使能源生產者也是消費者）轉型。部門耦合有助于在配網層面實現(xiàn)生產和消費的平衡。但是當VRE資源應用到城市之外（主要是偏遠地區(qū)）并且通過輸電線路將發(fā)電輸送到城市時，它也會擴大到區(qū)域電網級別。為了消納大規(guī)模并網的VRE，為電網提供足夠的需求側靈活性變得非常重要。
本文的重點是四個方面：不同規(guī)模的自發(fā)自用VRE資源、部門耦合策略中儲熱的作用、電動交通（綠電實現(xiàn)交通部門脫碳）和綠氫。本報告還分析了當前環(huán)境下幾個影響部門耦合應用的方面，比如建筑能效提升、可能支撐或妨礙不同部門接入電網的城市基礎設施。這兩個方面對于確定可促進VRE并網的部門耦合機會的邊界條件非常重要。
此外，報告強調了智慧能源管理系統(tǒng)在耦合系統(tǒng)中的重要作用。沒有一個智能的智慧能源管理系統(tǒng)，就無法實現(xiàn)實時變化的供應和需求平衡。當部門耦合方式中，當終端需求部門而不是電力部門產生了不可控需求時，它還能避免其對電網產生沖擊。實踐中，電力系統(tǒng)中先進數字技術的應用更助于了解運行系統(tǒng)，尤其是供給和需求兩側都可變且不確定時。從電力系統(tǒng)的角度看，電網更靈活地運行有助于減少滿足負荷增長時額外發(fā)電容量的需求，因此能夠提高現(xiàn)有能源基礎設施的使用率。
城市級部門耦合機會的量化分析需要一套整合的方法來模擬更復雜、更互聯(lián)的能源系統(tǒng)。本報告提出了一套通用的技術和經濟指標，來初步顯示以可再生能源自發(fā)自用并采用儲熱作為耦合方案來提高城市可再生能源利用時的部門耦合機會。報告還提供了模擬工具，在將建筑部門作為實現(xiàn)零碳城市和零碳社區(qū)的重點方案的給定情境下，為部門耦合機會提供量化分析?；诓块T耦合技術和權衡方案，跨部門協(xié)同可以在不同情景的優(yōu)化目標下進行測算。
該工具應用在中國張家口市崇禮區(qū)作為示范研究。分析顯示采用就近風電場的超發(fā)電力進行電供暖在整個區(qū)脫碳中發(fā)揮了核心作用。大約有360GWh的過剩電力用于供熱。熱泵結合集中供熱網為電、熱部門耦合創(chuàng)造了機會。據估計，為了滿足450萬平方米供熱服務目標，近期需要建設一個覆蓋36000平方米的集中供熱網，包括7套46MW的電熱鍋爐。分析顯示崇禮區(qū)有效能源規(guī)劃的一個關鍵因素是提升季節(jié)性儲能容量，可以將它整合進供熱系統(tǒng)。此外，分析中還估算了公共交通部門和其他終端消費部門的部門耦合潛力。
為了更好闡釋試點研究結果，報告提供了中國能源轉型的背景。重點是城市層面的動議，以及國家層面以下實施減排策略所面臨的關鍵挑戰(zhàn)，比如缺少政府機構在不同層面和部門橫向和縱向整合、公眾認知和參與不足、規(guī)劃和執(zhí)行之間的偏差。此外，中國部門耦合實踐的概述提供了試點項目的歷史背景以及終端消費部門以及多種來源分布式電源耦合的機制。重點是可再生能源制熱和電池儲能，這是兩項不僅可以耦合不同部門，也能讓城市更有效響應VRE發(fā)電并網。
中國的很多城市能源系統(tǒng)已經越來越多地與其他城市功能，如城市垃圾管理系統(tǒng)聯(lián)系起來?？紤]到中國城鎮(zhèn)人口持續(xù)增長、傳統(tǒng)垃圾處理（如填埋式）能力限制以及傳統(tǒng)處理方式的環(huán)境影響，這種方式非常關鍵。更先進的處理方式是與能源部門相耦合的垃圾焚燒和垃圾厭氧發(fā)酵制沼氣，可以獲得電力并更有效地利用有限的資源。
本報告的其他試點研究還包括哥斯達黎加。該國幾乎100%由可再生能源發(fā)電（主要是水電），化石燃料為主的交通部門能源需求持續(xù)增長，因此可以從低碳愿景的部門耦合中獲益巨大。模擬工具對Greater Metropolitan區(qū)域的兩個區(qū)Desamparados和San Rafael的部門耦合方案進行了分析。
Desamparados模擬結果顯示，如果采用部門耦合，能源消費中可再生能源的占比可以從36%提高到2035年的60.4%、2050年的100%。當地以屋頂光伏為主的可再生能源發(fā)電可以通過交通電氣化、儲能和/或制氫消納。住宅部門也有部門耦合潛能，但是要依賴于家庭能源管理系統(tǒng)。需要采取的措施包括現(xiàn)場控制系統(tǒng)的應用、高能效電器補貼和高耗能設備的納稅機制。
San Rafael de Coronado的住宅部門是最大的能源消費部門。當地人口密度更低，因此可以采用地面安裝的光伏電站甚至是風電場。根據分析結果，研究周期的后半部門的可再生能源占比會大幅提升：前半部分只有26%，而2035到2050年期間將達到68%。在供給側策略研究中，考慮了采用車網互動和氫氣作為部門耦合方案的優(yōu)化方案。在這個地方，10%的電動汽車電池容量可以被電網在區(qū)域層面上利用，而采用多種能源載體可以優(yōu)化制氫和發(fā)電的運行策略。結果顯示，由于對本地VRE發(fā)電安裝限制變少了，本地100%可再生能源系統(tǒng)的能源成本降低了（該地區(qū)估計可降低15%）。
總之，城市已經通過提高本地和區(qū)域可再生能源的利用等努力來應對全球氣候挑戰(zhàn)。隨著VRE發(fā)電比例的提升，電力系統(tǒng)需要電網電池儲能、容量調節(jié)和監(jiān)管手段之外更多的靈活性，需求側的靈活性潛能巨大。
本報告顯示，應用需求側部門耦合可以滿足高比例可再生能源并網要求。此外，通過電解槽實現(xiàn)可再生能源制氫可以極大提升能源系統(tǒng)靈活性。這是因為氫氣可以直接儲存，也可以轉換為其他能源、工業(yè)產品，因此有助于重耗能工業(yè)、長途海運等脫碳困難的部門減排。
英文版報告全文鏈接：
https://irena.org/publications/2021/Oct/Sector-Coupling-in-Cities
