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(jìn)間歇性可再生能源并網(wǎng)》），本文提供了該報(bào)告的執(zhí)行摘要部分。
執(zhí)行摘要 Executive Summary
到本世紀(jì)中期，如果要達(dá)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(biāo)，世界需要降低二氧化碳排放到零排放，這一點(diǎn)已經(jīng)越來越明確了。
根據(jù)IRENA《世界能源轉(zhuǎn)型展望：1.5℃路徑》，不管是通過直接和間接的技術(shù)應(yīng)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(duì)這一方案的貢獻(xiàn)會(huì)達(dá)到90%以上。高達(dá)60%的碳減排來自于交通、建筑和工業(yè)等終端消費(fèi)部門，35%來自于電力和熱力部門。IRENA還估計(jì)，在1.5℃情景下，到2050年，綠電將占全球電力消費(fèi)的86%，其中74%來自光伏和風(fēng)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(wǎng)靈活性。
各類終端消費(fèi)部門，以及他們之間如何相互作用，與城市高度相關(guān)。部門耦合技術(shù)和戰(zhàn)略將在轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。他們不僅有助于實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)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(jìn)光伏、風(fēng)電并網(wǎng)。識(shí)別并評(píng)估不同部門耦合中的平衡點(diǎn)對(duì)于促進(jìn)城市零碳能源轉(zhuǎn)型非常關(guān)鍵。這將加快城市零碳未來轉(zhuǎn)型的決策過程，并幫助相關(guān)方認(rèn)識(shí)到城市在加快零碳轉(zhuǎn)型并從中獲益的巨大潛能。
本報(bào)告概述了部門耦合作為“平衡器”為城市能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型所需的增強(qiáng)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(fù)荷中心的城市正在向產(chǎn)消者（即使能源生產(chǎn)者也是消費(fèi)者）轉(zhuǎn)型。部門耦合有助于在配網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和消費(fèi)的平衡。但是當(dāng)VRE資源應(yīng)用到城市之外（主要是偏遠(yuǎn)地區(qū)）并且通過輸電線路將發(fā)電輸送到城市時(shí)，它也會(huì)擴(kuò)大到區(qū)域電網(wǎng)級(jí)別。為了消納大規(guī)模并網(wǎng)的VRE，為電網(wǎng)提供足夠的需求側(cè)靈活性變得非常重要。
本文的重點(diǎn)是四個(gè)方面：不同規(guī)模的自發(fā)自用VRE資源、部門耦合策略中儲(chǔ)熱的作用、電動(dòng)交通（綠電實(shí)現(xiàn)交通部門脫碳）和綠氫。本報(bào)告還分析了當(dāng)前環(huán)境下幾個(gè)影響部門耦合應(yīng)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(wǎng)的城市基礎(chǔ)設(shè)施。這兩個(gè)方面對(duì)于確定可促進(jìn)VRE并網(wǎng)的部門耦合機(jī)會(huì)的邊界條件非常重要。
此外，報(bào)告強(qiáng)調(diào)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(gè)智能的智慧能源管理系統(tǒng)，就無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變化的供應(yīng)和需求平衡。當(dāng)部門耦合方式中，當(dāng)終端需求部門而不是電力部門產(chǎn)生了不可控需求時(shí)，它還能避免其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。實(shí)踐中，電力系統(tǒng)中先進(jìn)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用更助于了解運(yùn)行系統(tǒng)，尤其是供給和需求兩側(cè)都可變且不確定時(shí)。從電力系統(tǒng)的角度看，電網(wǎng)更靈活地運(yùn)行有助于減少滿足負(fù)荷增長時(shí)額外發(fā)電容量的需求，因此能夠提高現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施的使用率。
城市級(jí)部門耦合機(jī)會(huì)的量化分析需要一套整合的方法來模擬更復(fù)雜、更互聯(lián)的能源系統(tǒng)。本報(bào)告提出了一套通用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，來初步顯示以可再生能源自發(fā)自用并采用儲(chǔ)熱作為耦合方案來提高城市可再生能源利用時(shí)的部門耦合機(jī)會(huì)。報(bào)告還提供了模擬工具，在將建筑部門作為實(shí)現(xiàn)零碳城市和零碳社區(qū)的重點(diǎn)方案的給定情境下，為部門耦合機(jī)會(huì)提供量化分析。基于部門耦合技術(shù)和權(quán)衡方案，跨部門協(xié)同可以在不同情景的優(yōu)化目標(biāo)下進(jìn)行測(cè)算。
該工具應(yīng)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(fēng)電場(chǎng)的超發(fā)電力進(jìn)行電供暖在整個(gè)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(jié)合集中供熱網(wǎng)為電、熱部門耦合創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。據(jù)估計(jì)，為了滿足450萬平方米供熱服務(wù)目標(biāo)，近期需要建設(shè)一個(gè)覆蓋36000平方米的集中供熱網(wǎng)，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(gè)關(guān)鍵因素是提升季節(jié)性儲(chǔ)能容量，可以將它整合進(jìn)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(fèi)部門的部門耦合潛力。
為了更好闡釋試點(diǎn)研究結(jié)果，報(bào)告提供了中國能源轉(zhuǎn)型的背景。重點(diǎn)是城市層面的動(dòng)議，以及國家層面以下實(shí)施減排策略所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，比如缺少政府機(jī)構(gòu)在不同層面和部門橫向和縱向整合、公眾認(rèn)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(shí)踐的概述提供了試點(diǎn)項(xiàng)目的歷史背景以及終端消費(fèi)部門以及多種來源分布式電源耦合的機(jī)制。重點(diǎn)是可再生能源制熱和電池儲(chǔ)能，這是兩項(xiàng)不僅可以耦合不同部門，也能讓城市更有效響應(yīng)VRE發(fā)電并網(wǎng)。
中國的很多城市能源系統(tǒng)已經(jīng)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(guān)鍵。更先進(jìn)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(bào)告的其他試點(diǎn)研究還包括哥斯達(dá)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(duì)Greater Metropolitan區(qū)域的兩個(gè)區(qū)Desamparados和San Rafael的部門耦合方案進(jìn)行了分析。
Desamparados模擬結(jié)果顯示，如果采用部門耦合，能源消費(fèi)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(dāng)?shù)匾晕蓓敼夥鼮橹鞯目稍偕茉窗l(fā)電可以通過交通電氣化、儲(chǔ)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(chǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用、高能效電器補(bǔ)貼和高耗能設(shè)備的納稅機(jī)制。
San Rafael de Coronado的住宅部門是最大的能源消費(fèi)部門。當(dāng)?shù)厝丝诿芏雀?，因此可以采用地面安裝的光伏電站甚至是風(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)分析結(jié)果，研究周期的后半部門的可再生能源占比會(huì)大幅提升：前半部分只有26%，而2035到2050年期間將達(dá)到68%。在供給側(cè)策略研究中，考慮了采用車網(wǎng)互動(dòng)和氫氣作為部門耦合方案的優(yōu)化方案。在這個(gè)地方，10%的電動(dòng)汽車電池容量可以被電網(wǎng)在區(qū)域?qū)用嫔侠?，而采用多種能源載體可以優(yōu)化制氫和發(fā)電的運(yùn)行策略。結(jié)果顯示，由于對(duì)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(jì)可降低15%）。
總之，城市已經(jīng)通過提高本地和區(qū)域可再生能源的利用等努力來應(yīng)對(duì)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(wǎng)電池儲(chǔ)能、容量調(diào)節(jié)和監(jiān)管手段之外更多的靈活性，需求側(cè)的靈活性潛能巨大。
本報(bào)告顯示，應(yīng)用需求側(cè)部門耦合可以滿足高比例可再生能源并網(wǎng)要求。此外，通過電解槽實(shí)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?yàn)闅錃饪梢灾苯觾?chǔ)存，也可以轉(zhuǎn)換為其他能源、工業(yè)產(chǎn)品，因此有助于重耗能工業(yè)、長途海運(yùn)等脫碳困難的部門減排。
英文版報(bào)告全文鏈接：
https://irena.org/publications/2021/Oct/Sector-Coupling-in-Cities
