中國儲能網(wǎng)訊：
侯安德（Anders Hove）
德國國際合作機構(gòu)（GIZ）中德能源轉(zhuǎn)型研究項目主任
不久前，德國政府資助的一項研究顯示，2030年之前，德國的電力系統(tǒng)容量將始終保持充裕狀態(tài)。該研究報告采用了一項復雜且精密的方法來估算電力不足概率（LOLP）。該方法同時將波動性風能和太陽能發(fā)電份額的增加，以及越來越重要的電力市場和跨境電力交易納入考量。報告發(fā)現(xiàn)，市場在確保供應和負荷經(jīng)濟平衡方面的作用將穩(wěn)步提升，并強調(diào)隨著可再生能源的增長，繼續(xù)擴大市場交易的重要性將日趨顯現(xiàn)。報告最終得出結(jié)論，德國的電力不足概率（LOLP）僅為0.003%，比歐盟和德國采用的規(guī)定最大值低20倍。
隨著中國努力推進碳達峰和碳中和目標，可再生能源份額的上升和電力在終端能源消費中份額的提升將成為低碳轉(zhuǎn)型的兩大主要支柱。轉(zhuǎn)型過程中的電力系統(tǒng)安全性和可靠性自然成為政策制定者和電網(wǎng)運營商的關(guān)注重點?，F(xiàn)有的化石能源產(chǎn)業(yè)和地方官員常把可再生能源描述為不穩(wěn)定、不可靠的能源來源。因此在量化系統(tǒng)容量充裕度的過程中，需要尤其考慮風能和太陽能輸出的波動性特征，從而提升其系統(tǒng)可靠性。
針對這一挑戰(zhàn)，在德國聯(lián)邦政府資助的中德能源轉(zhuǎn)型研究項目框架下，中德合作伙伴正在對電力系統(tǒng)規(guī)劃過程中，如何在縮減煤電情況下，確保電力系統(tǒng)靈活性和電力容量充裕性的方法論進行研究分析。在這篇文章中，項目專家總結(jié)了德國容量充裕度研究的主要結(jié)論，并簡要闡述了對中國的經(jīng)驗分享和借鑒意義。
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報告采用了何種方法來評估系統(tǒng)容量充裕度？
報告使用源自長期經(jīng)國際實踐的概率方法，以確定性指標來衡量容量資源充裕度，同時還納入了對政策變化的敏感性分析。
報告將容量資源充裕度定義為電力供應系統(tǒng)中發(fā)電和用電之間的長期平衡，其中也包含了電力批發(fā)市場的價格。因此，容量資源充裕度概念是指當消費者的經(jīng)濟支付意愿大于或等于市場電價時，他們是否總能獲得相應的電能供應。
較大規(guī)模的市場為容量資源充裕度提供了三重好處：歐盟一直都在穩(wěn)步推進內(nèi)部電力市場的自由化。這意味著德國容量資源充裕度的研究必須將整個歐洲納入考量范圍，同時還應考慮市場的動態(tài)調(diào)整，包括需求變化帶來的價格彈性等。相對于德國本土，歐洲范圍地域幅員更為遼闊，有助于波動性可再生能源電力能順利地接入電網(wǎng)，從而為能源供應安全做出積極貢獻。反過來，電力市場所覆蓋的地理區(qū)域更為廣闊也有助于平滑負荷曲線，特別是受天氣影響帶來的負荷波動，并減少個別電廠停電所帶來的影響。與局限于一國相比，覆蓋范圍更廣的電力市場降低了不利條件同時發(fā)生的概率，如可再生能源饋電不足、電廠停電、需求高峰等。
研究聚焦2030年前這一時間節(jié)點，研究方法遵循歐盟相關(guān)條例：項目的設計符合德國《能源工業(yè)法》（EnWG）規(guī)定的有關(guān)監(jiān)測電力市場發(fā)電容量資源充裕度的法律要求，同時也符合歐盟有關(guān)電力市場的第2019/943號條例的要求。此項研究對直至2030年的容量資源充裕度進行了評估和量化，在這一時期，隨著各國逐步減少煤電，同時增加可再生能源發(fā)電，電力市場和發(fā)電容量將發(fā)生重大變化。
報告所采用的方法基于德國一項嚴格的可靠性標準：通過權(quán)衡各種不同容量資源充裕度的計算方法，研究作者確定，電力不足概率（LOLP）這一指標最適合用于標準制定。
電力不足概率是指盡管愿意支付市場價格，但并非所有消費者都能在市場上獲得電力供應的概率。其他補充參數(shù)，如預期缺供電量值（expected value of the energy not supplied (EENS)），也有助于評估系統(tǒng)容量資源是否充裕。本報告中所應用的德國電力不足概率（LOLP）標準為=0.06%，相當于99.94%的負荷平衡概率。另外，所采用的方法中還考慮了以下兩個問題：
（1）在所分析的時間范圍內(nèi)，歐洲的電力供應系統(tǒng)將如何發(fā)展？
（2）有了這樣一個歐洲電力供應系統(tǒng)，電力市場的容量資源充裕度是否能保持在一個有效的水平之上？
為了回答第一個問題，研究人員針對歐洲電力供應系統(tǒng)的發(fā)展設定了幾種不同情景。其后，研究人員確定了每種情景的充裕度水平，并將其與確定的電力不足概率（LOLP）標準進行比較來評估第二個問題。相較之前的分析，本項研究往前邁進了一步，即對包括新增輸電和發(fā)電在內(nèi)的電力供應系統(tǒng)發(fā)展是基于市場價格建立的內(nèi)生經(jīng)濟增長模型。每一年中，更高比例的發(fā)電和輸電取決于模型的內(nèi)生因素。
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分析結(jié)果表明，在研究覆蓋的時期內(nèi)（即2030年前），德國的電力系統(tǒng)將是高度可靠的。
該模型估測德國2030年的電力不足概率（LOLP）最大值為0.003%，比標準可接受值（0.06%）低20倍。在電力不足估計值為每年0小時這一參考情景下，在考慮所有政策和市場敏感性的情況下這一數(shù)值則為0.25小時。參考情景下，德國2030年的電力不足概率（LOLP）為 0。
分析結(jié)果表明，德國和鄰國的電力市場容量資源充裕度極高。在2030年前的所有研究情景中，德國的電力市場容量資源充裕度都是有保障的，即便在考慮以下設定因素的情況下：所有被研究國家都是單一能量市場（energy-only market）；德國積極淘汰煤炭；歐洲能源和氣候政策進一步收緊，通過交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動這幾個領域的耦合。
在參考情景下，預期缺供電量值（EENS）為0，在考慮敏感性的情況下，最大值則為0.4吉瓦時/年。由于該研究專注德國電力市場資源充裕度的評估，因此沒有將德國的電力儲備機制下的備用容量納入考量，因為這并不是電力市場的組成部分。也就是說在實踐中還有備用容量進一步提高德國電力資源的充裕度。
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即便在常規(guī)發(fā)電機組退役，風能及太陽能電力比重提升的情景下，顯示的容量充裕度結(jié)果為什么還會這么好？
以下幾方面因素可以解釋德國的容量資源充裕度為何這么高：
由于平衡機組和平衡能源系統(tǒng)的存在，電力供應商有極大動力去遵守交付義務。市場參與者一般會謹慎選擇簽訂覆蓋足夠發(fā)電和靈活性容量的電力合同，從而保護自己免受潛在且高昂的平衡能源價格的影響。這直接或間接地推動了相應的投資。
德國和歐洲的電力供應系統(tǒng)目前存在一些過剩產(chǎn)能。盡管一些常規(guī)電廠因為碳價上漲和有效的政策引導措施將逐步關(guān)停，但發(fā)電業(yè)主在關(guān)閉現(xiàn)有電廠來減少過剩產(chǎn)能方面的意愿不足。
新的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）方式增加了大量容量。結(jié)合其他研究報告的數(shù)據(jù)，本研究假設，到2030年，德國的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)凈增容量為15吉瓦。針對研究所覆蓋的其他歐盟國家，這一數(shù)據(jù)為21吉瓦。
德國以外的容量市場在德國境外創(chuàng)造了新的容量。這有利于提升德國的容量充裕度（本研究考慮了法國、英國、波蘭和意大利的容量情況）。
一個規(guī)模更大、更具地理多樣性的區(qū)域電力市場可令負荷和可再生能源的接入更加順利，并減輕了電廠意外停電的影響。
該模型考慮到了提高消費側(cè)靈活性的巨大潛力，包括可中斷工業(yè)負荷、靈活供熱負荷和緊急備用系統(tǒng)（如電池儲能），以及公共供熱系統(tǒng)（包括熱電聯(lián)產(chǎn)）及緊急電力系統(tǒng)等。
這些促使容量充裕度持續(xù)維持較高水準的因素原則上是可以相互補足的：一個因素的減弱甚至喪失，并不會給容量資源充裕度帶來問題，而是會通過電力市場上其他方面的調(diào)整來彌補。正因為這些替代選擇的存在，德國電力系統(tǒng)容量充裕度的保障路徑呈現(xiàn)多樣化，也從而保證了電力市場上供應和需求的持續(xù)、穩(wěn)定平衡。
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研究考慮了哪些情景，為什么設定這些情景？
參考情景基于對德國和歐盟當前電力系統(tǒng)的詳細研究、與其他研究和專有模型的比較、以及與行業(yè)專家針對2030年之前可能的法律框架條件和政策變化所做的咨詢等。這些情景全面地描述了歐洲電力市場的初始情況、規(guī)劃和政策變化。
德國輸電系統(tǒng)運營商與歐洲輸電系統(tǒng)運營商的情景比較表明，德國的參考情景中可調(diào)度發(fā)電量略低于其他研究中的情景?？偟膩碚f，在考察的所有國家中，參考情景在某些情況下顯示出明顯較低的容量資源。因此，參考情景代表了歐洲供電系統(tǒng)的一個較為保守的發(fā)展路徑。
參考情景中包含以下假設：
電力市場設計
常規(guī)發(fā)電組（核電、煤電和熱電聯(lián)產(chǎn)）的外源性發(fā)展
可再生能源和抽水蓄能的發(fā)展
靈活性選項的發(fā)展
電力需求的發(fā)展
傳統(tǒng)電廠的技術(shù)和經(jīng)濟性特點
平衡能源的發(fā)展
跨境輸電能力和進-出口機會的發(fā)展
負荷過剩在不同投標區(qū)之間的分布
敏感度分析包括：
取消鄰國容量市場，轉(zhuǎn)而采用單一能量市場
采用ENTSOE-E十年電網(wǎng)發(fā)展計劃中的分布式能源定價方案，增強交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動等領域間的耦合
采用世界能源展望可持續(xù)發(fā)展情景中的價格情景，增強交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動等領域間的耦合
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分析是如何應對“黑暗低谷”（即風能和太陽能發(fā)電量較低的季節(jié)）這一挑戰(zhàn)的？
這些情景明確考慮了“黑暗低谷”的問題——這一短語是形容長時間的微風和低太陽輻射情況。這些模型將經(jīng)歷了漫長黑暗低谷期的2017年的天氣數(shù)據(jù)納入了天氣年份；另外也納入了2012年的數(shù)據(jù)，該年歐洲經(jīng)歷了一個異常寒冷的冬天。
基于2009-2013年和 2017 年這六個天氣年份的天氣假設，研究人員計算了2030年以前德國可再生能源的發(fā)電量和能源部門內(nèi)部不同領域（居民家庭、商業(yè)、交通、工業(yè)、其他）的消費量。根據(jù)高區(qū)域分辨率氣象條件數(shù)據(jù)（風速、溫度、全球輻照度等），推算出未來每一年的裝機容量，并在此基礎上模擬了直至2030年的光伏、陸上和海上風電的年發(fā)電量。為六個氣象年中的每一年生成逐小時負荷曲線（包括溫度、風況、日照、日出和日落時間等）。
結(jié)論
保障電力供應的安全性和可靠性取決于多重因素，包括準確的規(guī)劃和預測，但隨著波動性可再生能源規(guī)模的擴大，以及供熱和交通等部門用電量的增加，這兩方面都將變得更為困難。德國和歐洲對規(guī)劃研究提出了明確的要求，以確保電力系統(tǒng)在低碳轉(zhuǎn)型過程中保持高可靠性。此項研究表明，2030年以前，可再生能源的發(fā)展不會對德國的電力供應安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。
盡管歐洲和中國的電力系統(tǒng)差異巨大，但它們在許多方面正在趨同。中國目前正在引進建設電力市場，增加跨境（跨?。┹旊姡谌袊秶鷥?nèi)大力推廣分布式能源（以部分解決大多數(shù)波動性可再生能源位于中國西部、遠離主要工業(yè)或城市負荷中心的問題）。此外，目前歐洲和中國均在大力推動工業(yè)和交通領域的電氣化，并提高電力需求側(cè)的靈活性。德國和歐洲采用的情景分析有助于為中國的規(guī)劃工作提供借鑒信息，向以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
參考資料
“監(jiān)測歐洲電力市場的容量資源充裕度，”r2b energy consulting, Consentec, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, TEP Energy，由德國聯(lián)邦經(jīng)濟和能源部資助，2021 年 4 月 26 日，網(wǎng)址：https://www.bmwi.de/Redaktion/EN/Publikationen/Studien/monitoring-the-adequacy-of-resources-in-the-european-electricity-markets-2021.pdf
“德國《能源經(jīng)濟法》電力和天然氣供應部分(Energiewirtschaftsgesetz)，”2021 年 7 月 16 日修訂，德國聯(lián)邦法律條款網(wǎng)址：https://dejure.org/gesetze/EnWG
“歐洲議會和歐盟委員會2019年6月5日發(fā)布的關(guān)于歐洲內(nèi)部電力市場的2019/943號條例，”歐盟條例，2019年6月14日”網(wǎng)址：https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32019R0943
“2020 年中期充足性預測"，歐洲電力傳輸系統(tǒng)運營商網(wǎng)絡，”2020年：網(wǎng)址：https://www.entsoe.eu/outlooks/midterm/
