德意志聯(lián)邦共和國位于中歐，北鄰丹麥，西部與荷蘭、比利時、盧森堡和法國接壤，南鄰瑞士和奧地利，東部與捷克和波蘭接壤，領土面積 357167 平方公里，人口約8293 萬人。德國是歐洲四大經(jīng)濟體之一，2018 年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）達到 4.0 萬億美元。早在二十世紀八十年代德國就提出了可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，截至 2018 年底，德國發(fā)電總裝機容量達到 2.2 億千瓦，可再生能源占比超過 58.4%；德國國內(nèi)總發(fā)電量超過 5956 億千瓦時，可再生能源占比約為 35%，其中風電發(fā)電量占比超過 17.2%，太陽能發(fā)電量占比為 7.1%，生物質(zhì)發(fā)電量占比為 8.0%。
受生物質(zhì)發(fā)電成本和資源制約，風電和光伏發(fā)電是德國可再生能源比重提升的主要依靠力量。但同時，風電和光伏發(fā)電比重的大幅提高對于德國電力系統(tǒng)靈活運行也提出了更高要求。以 2019 年 1 月冬季為例，除去可再生能源供給后德國凈負荷的波動性大幅增加。當前德國通過充分挖掘火電機組、跨省區(qū)跨境輸電、需求側響應以及儲能等不同途徑的靈活性潛力，利用多級市場，保障了其電力系統(tǒng)安全、可靠運行，控制可再生能源棄電率處于 2~4% 的合理范圍之內(nèi)。但隨著可再生能源發(fā)電量占比突破 30%，德國的棄風率開始呈上升趨勢。
一、電源側靈活性資源情況
在德國火電、核電、抽水蓄能以及生物質(zhì)發(fā)電都被視為是可控電源。截至 2018 年底，德國可調(diào)度電源裝機容量達到 1.1 億千瓦，占全國總裝機容量的 50.2%。其中火電機組和抽水蓄能是電源側主要的靈活性來源，抽水蓄能將在后續(xù)儲能章節(jié)進行介紹。
火電機組資源情況
德國的靈活火電機組主要包括四類：硬煤發(fā)電機組、褐煤發(fā)電機組、單循環(huán)燃氣發(fā)電機組（OCGT）以及聯(lián)合循環(huán)燃氣發(fā)電機組（CCGT）。截至 2018 年底，德國火電發(fā)電裝機容量超過 8300 萬千瓦，占國內(nèi)總裝機容量的 37.3%，其中褐煤裝機容量約為2120 萬千瓦，硬煤為 2370 萬千瓦，天然氣約為 2940 萬千瓦；2018 年德國國內(nèi)火電發(fā)電量達到 3173 億千瓦時，占全國總發(fā)電量的 49.1%，其中褐煤發(fā)電量約為 1455 億千瓦時，硬煤為 832 億千瓦時，天然氣為 834 千瓦時。從機組類型來看，德國煤電以大型發(fā)電機組為主，約占 56.7%，其中 68.1% 的燃煤機組為熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機組，將近一半的單機容量在 60 萬千瓦以上，35% 在 30 萬千瓦到 60 萬千瓦之間；燃氣機組以小型發(fā)電機組為主，其中燃氣 CHP 占燃氣裝機總量的 59.4%，絕大部分單機容量小于 30 萬千瓦。
火電機組靈活性參數(shù)分析
隨著大量風光可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，德國很多火電廠由于發(fā)電利用小時數(shù)偏低而面臨倒閉的風險，為此提供電力系統(tǒng)靈活性服務成為火電企業(yè)新的盈利點。德國火電企業(yè)主要通過降低最小出力、提高爬坡速率、縮短啟動時間以及為 CHP 機組增加儲熱裝置等措施來提升機組的靈活性。四種火電機組中，總體來看 OCGT 靈活性最強，褐煤機組靈活性最差；常規(guī) OCGT 單循環(huán)燃氣輪機的平均爬坡率可以達到 8%~12%/ 分鐘，是其他機組的 4~6 倍，而熱啟動和冷啟動時間相比 CCGT 的 3~4 小時和煤電機組的 1~10 小時，OCGT 只需要 5~11 分鐘；硬煤機組最小穩(wěn)定出力優(yōu)勢明顯，可以壓至額定容量的
25~40%，其他三種機組最小穩(wěn)定出力可以降至 40%~60% 之間。
為進一步挖掘電源側的靈活性資源，德國的火電機組也在不斷進行技術創(chuàng)新和靈活性升級，其中褐煤機組優(yōu)化潛力最大，最先進機組最小穩(wěn)定出力可以從額定容量的50%~60% 下降到 35%~50%，爬坡率從 1%~2%/ 分鐘提升到 2%~6%/ 分鐘，熱啟動和冷啟動時間可以分別從 4~6 小時、8~10 小時降低至 1.25~4 小時和 5~8 小時。燃氣機組靈活性提升主要體現(xiàn)在最小出力的進一步降低，先進的 OCGT 和 CCGT 機組最小穩(wěn)定出力已經(jīng)可以達到與燃煤機組相同的水平，部分 OCGT 機組的最小穩(wěn)定出力甚至可以達到20%，未來隨著天然氣發(fā)電量占比不斷攀升，燃氣機組有望成為德國最重要的電源側靈活性資源。
CHP 機組供暖季靈活性分析
德國的供暖季一般從當年 10 月到次年 4 月，由于冬季 CHP 機組需優(yōu)先滿足供暖需求，隨著風光占比的大幅提高，德國使用了大型儲熱設備來實現(xiàn) CHP 機組的熱電解耦，提升火電的靈活性。例如位于德國杜塞爾多夫的 Lausward Fortuna 聯(lián)合循環(huán)燃氣 CHP電廠，建造了容量為 36000 平方米的世界第一大熱水儲熱罐，實現(xiàn)燃氣輪機從熱啟動到達滿功率運轉(zhuǎn)僅需 25 分鐘，不僅為電網(wǎng)提供了靈活性保障，同時即使電廠停運也能滿足杜塞爾多夫整個城市多天的供暖需要。
二、 電網(wǎng)側靈活性資源情況
德國雖然可再生能源發(fā)電占比不斷提升，但其電力系統(tǒng)中斷時間（SAIDI）卻逐步走低，2018 年德國 SAIDI 僅為 13.91 分鐘。然而，為了維護電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，近年來德國電網(wǎng)的阻塞管理成本大幅提高，2018 年其總成本是 2013 年的 6.7 倍。研究主要關注大電網(wǎng)的靈活互濟，因此本章節(jié)將著重介紹德國跨境輸電靈活性的釋放。
跨國電網(wǎng)靈活互濟狀況
德國境內(nèi)主干電網(wǎng)電壓等級主要為 220 千伏和 380 千伏，全國主干電網(wǎng)線路長度約為 35000 公里，由四個 TSO 企業(yè) Tennet、Amprion、50Hertz 以及 Transnet 分區(qū)進行運行和管理。同時德國是歐洲互聯(lián)電網(wǎng) ENTSO-E 的成員國之一，屬于五個同步區(qū)域之一的 UCTE；與區(qū)域內(nèi)國家主要通過 380~400 千伏（紅色）和 220 千伏（綠色）的交流輸電線路連接，與其他同步電網(wǎng)則通過高壓直流輸電線路（粉色）連接；目前德國與 9個鄰國開展實時跨國電力交換。
德國作為擁有高可再生能源發(fā)電裝機占比的國家，跨境電力傳輸在可再生能源消納方面發(fā)揮了重要作用，例如當?shù)聡稍偕茉窗l(fā)電大發(fā)時刻，奧地利和盧森堡會從電力市場中購買大量德國電力，以享受低廉的價格。同時在應對突發(fā)事件時，跨境輸電也為德國電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和安全供給提供了保障，例如 2015 年 3 月 20 日的“日食危機”，9~10 點之間德國從丹麥進口電量增加了 169%，從對瑞典的電力出口轉(zhuǎn)向電力進口，此外瑞士也為德國額外提供了 42.3 萬千瓦的發(fā)電容量支持。
電網(wǎng)靈活性提升舉措
為提升電網(wǎng)靈活性、防止電網(wǎng)阻塞，德國采用 GORE 原則發(fā)展電網(wǎng)，即首選電網(wǎng)運行優(yōu)化，其次電網(wǎng)改造，最后電網(wǎng)擴建。其中電網(wǎng)運行優(yōu)化包括遠程控制可再生能源電站、建立實時發(fā)電數(shù)據(jù)追蹤系統(tǒng)等；電網(wǎng)改造包括增加輸電線路溫度監(jiān)測設備、使用移相變壓器等；電網(wǎng)擴建則重點需要考慮成本和公眾接受程度。
三、用戶側靈活性資源情況
德國的用戶側靈活性資源主要來自工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民，以價格型需求側管理為主。2014 年據(jù)德國航空航天中心（DLR）評估，德國“降低負荷”需求響應的資源潛力達到 1380 萬千瓦，約占德國最高負荷的 17%；“提升負荷”需求響應的資源潛力達到3230 萬千瓦，約占最高負荷的 40%。從經(jīng)濟性角度看，德國工業(yè)需求側響應的固定成本在 0.2~8 歐元 / 千瓦之間，可變成本也不高于 0.5 歐元 / 千瓦，僅為發(fā)電機組靈活性改造的十分之一。盡管如此，目前可以實際規(guī)?；瘏⑴c靈活性服務的主要是工業(yè)領域的鋁企業(yè)。
工業(yè)負荷靈活性資源
工業(yè)用戶主要通過短暫加快或放緩生產(chǎn)活動，或者改變生產(chǎn)時間來提供需求響應。德國能源署（dena）研究表明，德國幾乎所有的工業(yè)部門如冶金業(yè)、化工、橡膠和塑料工業(yè)都能提供不同程度的需求側靈活性服務，其中大型高耗能企業(yè)可以獨立參與靈活性服務，而小型用能企業(yè)則通過虛擬電廠（VPP）模式集中參與。據(jù)德國能源經(jīng)濟研究中心（FfE）評估，德國擁有 900 萬千瓦的工業(yè)負荷可以通過中斷的方式提供 5 分鐘以內(nèi)的需求側響應，擁有 250 萬千瓦的負荷可以連續(xù)提供 1 小時以上的靈活性服務。其中化工、冶金企業(yè)相較于其他部門擁有更大的需求響應潛力，例如 Trimet 公司是德國最大的鋁生產(chǎn)和冶煉企業(yè)，也是德國最先進的工業(yè)用戶靈活性供應商，一秒鐘能夠調(diào)節(jié)負荷8~60 萬千瓦，可以為電力系統(tǒng)提供一級備用、二級備用以及可中斷負荷服務。
第三產(chǎn)業(yè)靈活性資源
據(jù)德國航空航天中心 2014 年的評估，德國第三產(chǎn)業(yè)“降低負荷”和“提升負荷”需求響應的理論潛力超過 400 萬千瓦，其中近一半的潛力來自于商業(yè)通風。德國弗朗霍夫研究所（Fraunhofer ISI）通過對 1000 家服務業(yè)企業(yè)進行采訪評估，發(fā)現(xiàn)酒店、辦公樓、餐廳等建筑物具有巨大的靈活性潛力，可以通過 VPP 參與現(xiàn)貨市場或平衡市場作為二級備用和分鐘備用，但當前缺少有效的激勵機制阻礙了服務業(yè)靈活性潛力的釋放。
電動汽車靈活性資源
2018 年德國 EV 數(shù)量達到 18 萬輛，累計建設交流充電樁約 7900 個和直流充電樁超過 1400 個，目前已經(jīng)開始嘗試電動汽車（EV）靈活性資源的利用，V2G 在部分地區(qū)已經(jīng)進入到試點階段。德國 VPP 集成商 Next Kraftwerke 和荷蘭智能充電平臺運營商Jedlix 計劃自 2019 年起，共同開展 EV 電池提供二級備用的試點項目，能為德國電力系統(tǒng)提供正向或負向的調(diào)頻服務。
四、儲能靈活性資源情況
德國儲能設施主要包括抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣儲能（CAES）以及電制 X （PtX）。截至 2018 年，德國儲能裝機容量已達到近 790 萬千瓦，主要為電力系統(tǒng)提供快速和短期的靈活性服務，其中抽水蓄能仍然是德國目前裝機容量最大、經(jīng)濟性最好的儲能設施；隨著技術的發(fā)展和成本降低，電池儲能也開始進入到大型商業(yè)化應用階段，技術類型和商業(yè)模式逐漸多樣化；壓縮空氣儲能具有靈活性高且運行穩(wěn)定的優(yōu)勢，但由于建設條件較為苛刻，目前德國僅有一個商業(yè)化運行項目；當前電制 X 在德國還處在小規(guī)模試驗階段，預計 2020 年后才會陸續(xù)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運行。
抽水蓄能資源
德國從二十世紀五十年代末開始建設抽水蓄能電站，截至 2018 年底，境內(nèi)抽水蓄能電站裝機容量達到 680 萬千瓦，主要分布于德國中部和南部；除此之外，臨近的盧森堡、瑞士和奧地利約 300 萬千瓦的抽水蓄能電站也由德國電網(wǎng)管理。德國抽水蓄能電站的最小穩(wěn)定出力一般約為額定容量的 30%，通?？梢栽?75 秒到 100 秒內(nèi)爬升至最大容量，并為電力平衡市場提供一級備用、二級備用和分鐘備用。例如德國最大的抽水蓄能電站 Goldisthal 位于圖林根州，裝機容量 106 萬千瓦，在非高峰用電時段從褐煤發(fā)電廠購買價格低廉的盈余電力蓄水，當用電高峰來臨時參與電網(wǎng)的調(diào)峰服務，單機運行容量能在數(shù)秒鐘內(nèi)從最低的 4 萬千瓦上升到 26.5 萬千瓦滿負荷運轉(zhuǎn)。
電池儲能資源
隨著電池成本的下降，電池儲能近年來迎來了快速發(fā)展階段。2018 年德國電池儲能裝機容量達到約 70 萬千瓦，其中商用項目占比 52.9%，戶用項目占比 47.1%；目前電池儲能為德國電力系統(tǒng)提供一級備用、二級備用、平衡電網(wǎng)供需和提供無功補償?shù)?，其中提供一級備用服務的商用電池裝機容量約為 37.1 萬千瓦，以鋰電池為主。
壓縮空氣儲能資源
壓縮空氣儲能技術（CAES）早在二十世紀七十年代就已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化運行，它擁有啟動時間短、啟動穩(wěn)定以及爬坡快的優(yōu)勢，在德國壓縮空氣儲能通常為電網(wǎng)提供分鐘備用、調(diào)峰備用和對風光進行快速補償。目前德國擁有世界上最大、運行時間最長的CAES 項目，總裝機容量為 321 兆瓦，可以在額定功率下連續(xù)供電 3 小時；該項目的啟動時間一般為 10 到 12 分鐘，在緊急情況下甚至可以實現(xiàn) 5 分鐘冷啟動；爬坡速率約為額定容量的 30%/ 分鐘，比最靈活的 CCGT（8%~12%/ 分鐘）還要快一倍以上，啟動穩(wěn)定性可以達到 99%。
電制 X 資源
當前德國的電制 X（PtX）項目主要有電制氫（PtH2）和電制甲烷（PtCH4）。截至 2018 年底，德國在運的大于 50 kWel 的 PtX 項目總裝機容量達到 26 兆瓦，其中約17.5 兆瓦為電制氫項目，8.5 兆瓦為電制甲烷項目。利用系統(tǒng)中盈余的可再生能源，通過生產(chǎn) H2 和 CH4，德國的 PtX 項目能夠為電力系統(tǒng)提供一定的靈活性。盡管目前在運的 PtX 項目均屬于科研類項目或試點項目，實現(xiàn)盈利還有一定距離，但 PtX 在一定程度促進了北部盈余風電的消納。
五、靈活性市場機制情況
德國的各類靈活性資源可以通過平衡市場、現(xiàn)貨市場、電網(wǎng)阻塞管理以及平衡單元內(nèi)部平衡等方式參與靈活性市場。關于市場機制的更多細節(jié)，德國國際合作機構（GIZ）的另一篇報告《德國電力市場靈活性》中將做詳細敘述。本章只對平衡市場的情況做簡要概述，以便更好理解各類靈活性資源的特性。
根據(jù)靈活性需求的不同，在德國輸電網(wǎng)運營商（TSO）通過拍賣的形式確定提供服務的靈活性資源。一級備用通常在系統(tǒng)頻率出現(xiàn)較小波動時自動作出響應；二級備用則用于系統(tǒng)頻率會出現(xiàn)較大波動的非可預見事件；分鐘備用則可在大型或長期停電事件中發(fā)揮作用，例如核電廠出現(xiàn)強制停機。由于一級備用和二級備用對響應速度的要求較高，通常由火電機組、抽水蓄能電站、大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)以及少量電池儲能參與；分鐘備用則可以接納更多樣的靈活性資源，例如壓縮空氣儲能（CAES）和通過虛擬電廠（VPP）集成的小型電力用戶等。
