中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
侯安德（Anders Hove）
德國國際合作機(jī)構(gòu)（GIZ）中德能源轉(zhuǎn)型研究項(xiàng)目主任
不久前，德國政府資助的一項(xiàng)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(bào)告采用了一項(xiàng)復(fù)雜且精密的方法來估算電力不足概率（LOLP）。該方法同時(shí)將波動(dòng)性風(fēng)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(bào)告發(fā)現(xiàn)，市場在確保供應(yīng)和負(fù)荷經(jīng)濟(jì)平衡方面的作用將穩(wěn)步提升，并強(qiáng)調(diào)隨著可再生能源的增長，繼續(xù)擴(kuò)大市場交易的重要性將日趨顯現(xiàn)。報(bào)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(jìn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，可再生能源份額的上升和電力在終端能源消費(fèi)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(yùn)營商的關(guān)注重點(diǎn)?，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(fēng)能和太陽能輸出的波動(dòng)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(xiàng)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(jìn)行研究分析。在這篇文章中，項(xiàng)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(yàn)分享和借鑒意義。
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報(bào)告采用了何種方法來評估系統(tǒng)容量充裕度？
報(bào)告使用源自長期經(jīng)國際實(shí)踐的概率方法，以確定性指標(biāo)來衡量容量資源充裕度，同時(shí)還納入了對政策變化的敏感性分析。
報(bào)告將容量資源充裕度定義為電力供應(yīng)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(jià)格。因此，容量資源充裕度概念是指當(dāng)消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)支付意愿大于或等于市場電價(jià)時(shí)，他們是否總能獲得相應(yīng)的電能供應(yīng)。
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(jìn)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(gè)歐洲納入考量范圍，同時(shí)還應(yīng)考慮市場的動(dòng)態(tài)調(diào)整，包括需求變化帶來的價(jià)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(dòng)性可再生能源電力能順利地接入電網(wǎng)，從而為能源供應(yīng)安全做出積極貢獻(xiàn)。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(fù)荷曲線，特別是受天氣影響帶來的負(fù)荷波動(dòng)，并減少個(gè)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(shí)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(shí)間節(jié)點(diǎn)，研究方法遵循歐盟相關(guān)條例：項(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(shí)也符合歐盟有關(guān)電力市場的第2019/943號條例的要求。此項(xiàng)研究對直至2030年的容量資源充裕度進(jìn)行了評估和量化，在這一時(shí)期，隨著各國逐步減少煤電，同時(shí)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(bào)告所采用的方法基于德國一項(xiàng)嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)：通過權(quán)衡各種不同容量資源充裕度的計(jì)算方法，研究作者確定，電力不足概率（LOLP）這一指標(biāo)最適合用于標(biāo)準(zhǔn)制定。
電力不足概率是指盡管愿意支付市場價(jià)格，但并非所有消費(fèi)者都能在市場上獲得電力供應(yīng)的概率。其他補(bǔ)充參數(shù)，如預(yù)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(bào)告中所應(yīng)用的德國電力不足概率（LOLP）標(biāo)準(zhǔn)為=0.06%，相當(dāng)于99.94%的負(fù)荷平衡概率。另外，所采用的方法中還考慮了以下兩個(gè)問題：
（1）在所分析的時(shí)間范圍內(nèi)，歐洲的電力供應(yīng)系統(tǒng)將如何發(fā)展？
（2）有了這樣一個(gè)歐洲電力供應(yīng)系統(tǒng)，電力市場的容量資源充裕度是否能保持在一個(gè)有效的水平之上？
為了回答第一個(gè)問題，研究人員針對歐洲電力供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來評估第二個(gè)問題。相較之前的分析，本項(xiàng)研究往前邁進(jìn)了一步，即對包括新增輸電和發(fā)電在內(nèi)的電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展是基于市場價(jià)格建立的內(nèi)生經(jīng)濟(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)可接受值（0.06%）低20倍。在電力不足估計(jì)值為每年0小時(shí)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(shí)。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(shè)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(jìn)一步收緊，通過交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動(dòng)這幾個(gè)領(lǐng)域的耦合。
在參考情景下，預(yù)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(shí)/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(chǔ)備機(jī)制下的備用容量納入考量，因?yàn)檫@并不是電力市場的組成部分。也就是說在實(shí)踐中還有備用容量進(jìn)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(jī)組退役，風(fēng)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(huì)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(jī)組和平衡能源系統(tǒng)的存在，電力供應(yīng)商有極大動(dòng)力去遵守交付義務(wù)。市場參與者一般會(huì)謹(jǐn)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(hù)自己免受潛在且高昂的平衡能源價(jià)格的影響。這直接或間接地推動(dòng)了相應(yīng)的投資。
德國和歐洲的電力供應(yīng)系統(tǒng)目前存在一些過剩產(chǎn)能。盡管一些常規(guī)電廠因?yàn)樘純r(jià)上漲和有效的政策引導(dǎo)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(bào)告的數(shù)據(jù)，本研究假設(shè)，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(gè)規(guī)模更大、更具地理多樣性的區(qū)域電力市場可令負(fù)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(fèi)側(cè)靈活性的巨大潛力，包括可中斷工業(yè)負(fù)荷、靈活供熱負(fù)荷和緊急備用系統(tǒng)（如電池儲(chǔ)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(zhǔn)的因素原則上是可以相互補(bǔ)足的：一個(gè)因素的減弱甚至喪失，并不會(huì)給容量資源充裕度帶來問題，而是會(huì)通過電力市場上其他方面的調(diào)整來彌補(bǔ)。正因?yàn)檫@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(yīng)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(shè)定這些情景？
參考情景基于對德國和歐盟當(dāng)前電力系統(tǒng)的詳細(xì)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(yùn)營商與歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)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(gè)較為保守的發(fā)展路徑。
參考情景中包含以下假設(shè)：
電力市場設(shè)計(jì)
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(xiàng)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(jì)性特點(diǎn)
平衡能源的發(fā)展
跨境輸電能力和進(jìn)-出口機(jī)會(huì)的發(fā)展
負(fù)荷過剩在不同投標(biāo)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(jì)劃中的分布式能源定價(jià)方案，增強(qiáng)交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動(dòng)等領(lǐng)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(jià)格情景，增強(qiáng)交通、工業(yè)和供暖部門電氣化推動(dòng)等領(lǐng)域間的耦合
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分析是如何應(yīng)對“黑暗低谷”（即風(fēng)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(shí)間的微風(fēng)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(gè)異常寒冷的冬天。
基于2009-2013年和 2017 年這六個(gè)天氣年份的天氣假設(shè)，研究人員計(jì)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(lǐng)域（居民家庭、商業(yè)、交通、工業(yè)、其他）的消費(fèi)量。根據(jù)高區(qū)域分辨率氣象條件數(shù)據(jù)（風(fēng)速、溫度、全球輻照度等），推算出未來每一年的裝機(jī)容量，并在此基礎(chǔ)上模擬了直至2030年的光伏、陸上和海上風(fēng)電的年發(fā)電量。為六個(gè)氣象年中的每一年生成逐小時(shí)負(fù)荷曲線（包括溫度、風(fēng)況、日照、日出和日落時(shí)間等）。
結(jié)論
保障電力供應(yīng)的安全性和可靠性取決于多重因素，包括準(zhǔn)確的規(guī)劃和預(yù)測，但隨著波動(dòng)性可再生能源規(guī)模的擴(kuò)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(xiàng)研究表明，2030年以前，可再生能源的發(fā)展不會(huì)對德國的電力供應(yīng)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(jìn)建設(shè)電力市場，增加跨境（跨?。┹旊?，在全中國范圍內(nèi)大力推廣分布式能源（以部分解決大多數(shù)波動(dòng)性可再生能源位于中國西部、遠(yuǎn)離主要工業(yè)或城市負(fù)荷中心的問題）。此外，目前歐洲和中國均在大力推動(dòng)工業(yè)和交通領(lǐng)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(jì)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(jì)法》電力和天然氣供應(yīng)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(huì)和歐盟委員會(huì)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(yù)測"，歐洲電力傳輸系統(tǒng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，”2020年：網(wǎng)址：https://www.entsoe.eu/outlooks/midterm/
