北極星售電網(wǎng)訊:編者按:當(dāng)前世界范圍內(nèi)能源轉(zhuǎn)型加速,國家電網(wǎng)公司也提出建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標。建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)是承接國家能源安全新戰(zhàn)略,推動電網(wǎng)和發(fā)展高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在新時代和新戰(zhàn)略下,對能源互聯(lián)網(wǎng)的認識也需要不斷深化。國網(wǎng)能源研究院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所聚焦于能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論、綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化與市場機制、能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展、能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)新元素、城市智慧能源系統(tǒng)等領(lǐng)域開展了深入研究。本專欄圍繞能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵問題,從理論研究、模型方法和經(jīng)驗實踐等方面展開,結(jié)合相關(guān)成果和研究思考與讀者進行交流分享。
(來源:微信公眾號“中國電力” ID:ELECTRIC-POWER 作者:國網(wǎng)能源研究院)
文章導(dǎo)讀:德國是最早進行能源互聯(lián)網(wǎng)實踐探索的國家之一,其能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展側(cè)重于通過對能源系統(tǒng)全環(huán)節(jié)的數(shù)字化改造,促進可再生能源開發(fā)利用,進而推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和能效提升。早在2008年,德國聯(lián)邦經(jīng)濟及科技部即在《E-Energy以信息通信技術(shù)為基礎(chǔ)的未來能源系統(tǒng)》項目手冊中,將能源互聯(lián)網(wǎng)描述為“能夠使電力市場信息處理、交互、支付更加迅捷方便,通過端到端的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進行能源基礎(chǔ)設(shè)施的智能監(jiān)測、控制和管理,連接能源基礎(chǔ)設(shè)施與電子化交易市場,推進能源供應(yīng)的高效化、迅捷化與透明化”,并號召進行“能源互聯(lián)網(wǎng)(Internet of Energy)”系統(tǒng)理念和整體思路研究。在此理念支撐下,德國將建立含有高比例可再生能源的高效能源體系作為目標,通過對可再生能源進行扶持、技術(shù)創(chuàng)新以及法律保障,不斷推進能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。
德國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及經(jīng)驗啟示
執(zhí)筆人:吳瀟雨、王雪、王軼楠
(國網(wǎng)能源研究院 能源互聯(lián)網(wǎng)研究所)
(一)發(fā)展基礎(chǔ)
能源系統(tǒng)清潔化轉(zhuǎn)型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市場是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性因素,以下從此三方面介紹德國的相關(guān)發(fā)展基礎(chǔ)。
1)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型
德國作為能源消費大國,石油和天然氣資源匱乏,需求長期依賴進口,對外依存度保持在90%左右,其能源安全壓力較大。煤炭資源雖較為豐富,但主要以低燃值、高污染的褐煤為主,當(dāng)前開采和使用量仍然較高。截至2018年,德國仍有37%的發(fā)電量來源于煤炭,環(huán)保減排壓力較大。為此,德國政府大力推動以提升能效、充分利用可再生能源為要素的能源轉(zhuǎn)型,為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
能源供應(yīng)方面,可再生能源占比持續(xù)提升。如圖1所示,截至2018年,德國一次能源供應(yīng)中非水可再生能源占比達14.6%,較上年增長1.3個百分點,2013―2018五年間累計增長5.6個百分點。隨著碳排放限制和棄核戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施,未來可再生能源占比將會進一步提升,能源供應(yīng)體系日趨清潔低碳。
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圖1 德國2018年一次能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)來源:BP:Statistical Review of World Energy 2019。
能源消費方面,形成了以石油、天然氣、電能為主的多元消費體系。如圖2所示,截至2017年,德國石油、天然氣、電能占終端能源消費的比例分別為41.5%、24.4%和19.7%。交通電氣化水平不斷提升,電動汽車保有量快速增長。截至2018年,德國電動汽車保有量達17.7萬輛,新增6.7萬輛,同比增長60.9%。德國2013—2018年電動汽車保有量變化如圖3所示。
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圖2 德國2017年終端能源消費結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)來源:IEA:World Energy Balances 2019。
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圖3 德國2013—2018年電動汽車保有量變化
數(shù)據(jù)來源:IEA:Global EV Outlook 2019。
2)能源信息融合
德國高度重視信息化、數(shù)字化建設(shè)。2013年,德國提出“工業(yè)4.0”國家戰(zhàn)略,以信息物理系統(tǒng)(Cyber Phsical System,CPS)和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)為基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu),展望了以信息技術(shù)為核心的智能化生產(chǎn)與“智能工廠”愿景。在此背景下,德國能源系統(tǒng)也提出利用先進信息通信技術(shù)對能源系統(tǒng)全環(huán)節(jié)進行數(shù)字化改造,能源領(lǐng)域信息化建設(shè)加快推進,為能源與信息深度融合奠定了基礎(chǔ)。
德國在數(shù)字化領(lǐng)域投資規(guī)模歐洲領(lǐng)先,重點支持初創(chuàng)企業(yè)的各項技術(shù)探索。截至2017年,德國在數(shù)字化領(lǐng)域的風(fēng)險/私募股權(quán)投資總量達到35億美元,孵化了大量能源數(shù)字化領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)初創(chuàng)企業(yè)。其中,德國能源行業(yè)典型初創(chuàng)企業(yè)主營業(yè)務(wù)和投資規(guī)模如表1所示。
表1 德國能源行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用典型初創(chuàng)企業(yè)
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德國傳統(tǒng)能源商也在能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面進行了卓有成效的探索。意昂(E.on)通過創(chuàng)新能源服務(wù),以數(shù)字化、信息化解決方案滿足客戶需求,其實踐涵蓋從能源生產(chǎn)、傳輸至消費的完整鏈條。例如在可再生能源利用方面,通過Sunroof等線上工具,利用衛(wèi)星和氣象數(shù)據(jù)幫助客戶計算屋頂光伏發(fā)電潛力。在能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面,旗下配網(wǎng)商HanseWerk于2017年開發(fā)了基于人工智能的中壓配電線路故障預(yù)警技術(shù),結(jié)合電力線路年限和類型、維護信息、天氣數(shù)據(jù)以及實時電網(wǎng)信息,通過全面的數(shù)據(jù)分析與自學(xué)習(xí)算法,能夠提前判斷出高風(fēng)險故障點并告警。在客戶服務(wù)方面,以智能電網(wǎng)與智能電表為基礎(chǔ),通過E.ON Plus與美國科技巨頭微軟合作,加強控制終端與光伏電板、儲能、充電樁、智能電燈、智能制冷/加熱等應(yīng)用的融合,向居民客戶提供智慧家居服務(wù)。
3)能源市場建設(shè)
德國能源市場體系較為完善,電力和天然氣市場交易機制、監(jiān)管體系比較成熟,交易量在歐盟國家中位居前列,為能源互聯(lián)網(wǎng)多能源市場交易建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
位于萊比錫的歐洲能源交易所(European Energy Exchange, EEX)是德國乃至中西歐影響最廣泛的電力交易市場,以公平、透明的定價為各類市場參與者提供服務(wù)。德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局(Bundesnetzagentur)作為電力市場監(jiān)管機構(gòu),主要是保障輸配電網(wǎng)向所有市場主體無歧視公平開放和電力供應(yīng)方面的競爭,確保德國的電力供應(yīng)安全、可靠、高質(zhì)量。
德國天然氣市場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。下游城市配氣公司大多數(shù)歸當(dāng)?shù)卣校⒂僧?dāng)?shù)卣M織運營,約有700家公司負責(zé)為城市居民和部分中小型工業(yè)用戶供氣。中游區(qū)域輸氣公司管網(wǎng)一般分布于某個州內(nèi)或者幾個州的部分地區(qū),可靈活地進行天然氣貿(mào)易。位于上游的公司則負責(zé)進口或生產(chǎn)天然氣,供給中下游公司或直接為大型城市和特大型工業(yè)用戶供氣。在監(jiān)管方面,德國聯(lián)邦卡特爾局(Bundeskartellamt),又稱企業(yè)聯(lián)合管理局,負責(zé)在聯(lián)邦政府頒布的競爭法令框架內(nèi)對天然氣公司之間的競爭進行監(jiān)管,避免壟斷發(fā)生。
(二)政策支持
德國政府相繼出臺了大量政策法規(guī)引導(dǎo)社會各界聚焦可再生能源開發(fā)利用、能效提升等領(lǐng)域(如表2所示),這也為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了政策支持。通過目標導(dǎo)向類政策,德國為能源發(fā)展設(shè)定了階段目標,規(guī)劃了技術(shù)路徑。例如2010年德國聯(lián)邦經(jīng)濟與技術(shù)部公布的《能源戰(zhàn)略2050》,從總體上明確了德國未來40年能源轉(zhuǎn)型的行動路徑,提出了可再生能源利用、能效提升等9個具體行動領(lǐng)域。同時,德國通過一系列財政激勵政策對相關(guān)領(lǐng)域給予了經(jīng)濟補貼、稅費減免等支持。例如2000年制定的《可再生能源法》,明確提出了對可再生能源上網(wǎng)電價進行補貼,以推動可再生能源發(fā)電快速發(fā)展。此后,德國還結(jié)合其可再生能源利用現(xiàn)狀,多次修訂《可再生能源法》,在鼓勵可再生能源發(fā)展方面建立了一整套完善的法律法規(guī)體系。
表2 德國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相關(guān)政策
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(三)典型實踐
在政府部門引導(dǎo)下,德國分階段開展了兩個批次的系列示范項目,對能源互聯(lián)網(wǎng)進行了初步探索和試驗示范。其中,2008年啟動的E-energy項目,從市場、技術(shù)、系統(tǒng)層面全方位探索了信息通信技術(shù)推動不同能源系統(tǒng)之間耦合、互聯(lián)、交易的潛力和實現(xiàn)方式。2012年啟動的C-sells項目隸屬于“智慧能源——能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型”展示計劃(SINTEG),致力于打造小型的數(shù)字化能源互聯(lián)系統(tǒng),實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的能源產(chǎn)消微平衡和優(yōu)化。
1)E-Energy系列示范項目
E-Energy是德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部(BMWi)發(fā)起的能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新計劃,綜合地區(qū)能源結(jié)構(gòu)特點、經(jīng)濟發(fā)展特點、能源消費模式、基礎(chǔ)支撐平臺等多維因素,選取了6個具體試點項目,主要研究內(nèi)容如表3所示。
表3 德國E-Energy項目主要研究內(nèi)容
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綜合考量上述6個子項目的基本特征,可以看出E-energy是德國在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下進行的一次能源與信息技術(shù)融合發(fā)展的卓有成效的探索。通過先進信息通信技術(shù),構(gòu)建出需求側(cè)資源、能源市場等幾個關(guān)鍵元素協(xié)調(diào)互動,促進可再生能源可靠消納的關(guān)鍵應(yīng)用場景。
2)C-sells項目
C-sells項目選址在德國南部的巴伐利亞州、巴登—符騰堡州和黑森州,覆蓋了德國重要的工業(yè)負荷中心如斯圖加特、萊茵—內(nèi)卡區(qū)域、大慕尼黑地區(qū),涵蓋2602個城鎮(zhèn),3000萬人口,80萬個能源用戶。C-sells項目通過數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施連接大量智能樓宇、社區(qū)、城市,形成多能流耦合規(guī)劃和控制的“細胞”單元,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建區(qū)域優(yōu)化的蜂窩能源互聯(lián)系統(tǒng),如圖4所示。
圖4 C-sells蜂窩能源系統(tǒng)的運行示意圖
C-sells項目實現(xiàn)了單個“細胞”的能源信息融合調(diào)度。一個細胞結(jié)構(gòu)的基本功能是為位于其中的用戶供應(yīng)能源,該結(jié)構(gòu)可以通過分布式能源、生產(chǎn)者與消費者之間的互動,將能源網(wǎng)絡(luò)整體劃分為“細胞”進行治理,有助于應(yīng)對電網(wǎng)日益增長的復(fù)雜性。將來還需要進一步開發(fā)供能系統(tǒng)的靈活性,例如通過能源和信息基礎(chǔ)設(shè)施將不同基礎(chǔ)元素連接起來,保證信息和能源的安全流動互通,并通過電、熱、冷等多能互補實現(xiàn)細胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的局部優(yōu)化。C-sells采用使能源系統(tǒng)更加靈活的蜂窩組網(wǎng)方式,實現(xiàn)能量互濟和綜合優(yōu)化,提升整體運行效率。
(四)總結(jié)與啟示
1)現(xiàn)狀總結(jié)
總體來看,德國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有以下特點:
一是發(fā)展動因上,德國受化石能源匱乏、核能角色弱化、減排目標壓力大等多重因素影響,對可再生能源利用、能效提升需求迫切,德國政府提出大力推動以“能效優(yōu)先、可再生能源開發(fā)利用、跨領(lǐng)域耦合”為三大要素的能源轉(zhuǎn)型,建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)是其推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵著力點。
二是發(fā)展方向上,德國結(jié)合其“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略和自身數(shù)字化產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢,在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中側(cè)重于推動能源數(shù)字化發(fā)展,利用先進信息技術(shù)對能源系統(tǒng)進行全環(huán)節(jié)改造,通過能源信息深度融合來推動能源系統(tǒng)向著清潔化、智能化、高效化的方向發(fā)展。
三是實踐探索上,通過E-enegy、C-sells等一系列示范項目對能源信息融合應(yīng)用、新型能源市場機制等關(guān)鍵要素進行了探索,并組成系列項目以形成規(guī)模化示范效應(yīng),同時在項目實施中大膽創(chuàng)新,提出了細胞電網(wǎng)、區(qū)域蜂窩能源系統(tǒng)等創(chuàng)新理念。
2)經(jīng)驗啟示
一是雖未形成明確的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式,但基于自身國情和能源系統(tǒng)特點進行了針對性的探索。德國油、氣等化石資源匱乏,發(fā)展可再生能源、提升能源效率需求迫切,其結(jié)合自身數(shù)字化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,以提升可再生能源消納、促進能效提升等為目標,推動能源信息融合、數(shù)字化電網(wǎng)等能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵要素的針對性探索。
二是數(shù)字化技術(shù)成為德國推動能源轉(zhuǎn)型和未來賦能能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主要驅(qū)動力。德國充分把握本國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略契機,大力推進數(shù)字化技術(shù)在能源領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用,相關(guān)投資規(guī)模位列歐洲前列,以E-energy為代表著重實踐了能源信息融合相關(guān)技術(shù),取得了良好的成效。
三是打造出具有世界影響力的能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目,對能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵元素和重點領(lǐng)域的進行了良好的試點示范。德國對于能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)示范項目的推進具有詳細的規(guī)劃,并注重對能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵要素,以“分區(qū)遴選,各有側(cè)重”的方式進行全面的試點,如其E-energy示范項目在全國篩選出六個地區(qū),組成系列化示范,獲得了良好的示范效應(yīng)。