德国容量充裕度研究:如何实现2030年前电力系统高度可靠?

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侯安德(Anders Hove)
德国国际合作机构(GIZ)中德能源转型研究项目主任 

 

不久前,德国政府资助的一项研究显示,2030年之前,德国的电力系统容量将始终保持充裕状态。该研究报告采用了一项复杂且精密的方法来估算电力不足概率(LOLP)。该方法同时将波动性风能和太阳能发电份额的增加,以及越来越重要的电力市场和跨境电力交易纳入考量。报告发现,市场在确保供应和负荷经济平衡方面的作用将稳步提升,并强调随着可再生能源的增长,继续扩大市场交易的重要性将日趋显现。报告最终得出结论,德国的电力不足概率(LOLP)仅为0.003%,比欧盟和德国采用的规定最大值低20倍。

随着中国努力推进碳达峰和碳中和目标,可再生能源份额的上升和电力在终端能源消费中份额的提升将成为低碳转型的两大主要支柱。转型过程中的电力系统安全性和可靠性自然成为政策制定者和电网运营商的关注重点。现有的化石能源产业和地方官员常把可再生能源描述为不稳定、不可靠的能源来源。因此在量化系统容量充裕度的过程中,需要尤其考虑风能和太阳能输出的波动性特征,从而提升其系统可靠性。

针对这一挑战,在德国联邦政府资助的中德能源转型研究项目框架下,中德合作伙伴正在对电力系统规划过程中,如何在缩减煤电情况下,确保电力系统灵活性和电力容量充裕性的方法论进行研究分析。在这篇文章中,项目专家总结了德国容量充裕度研究的主要结论,并简要阐述了对中国的经验分享和借鉴意义。

 


报告采用了何种方法来评估系统容量充裕度?

报告使用源自长期经国际实践的概率方法,以确定性指标来衡量容量资源充裕度,同时还纳入了对政策变化的敏感性分析。

报告将容量资源充裕度定义为电力供应系统中发电和用电之间的长期平衡,其中也包含了电力批发市场的价格。因此,容量资源充裕度概念是指当消费者的经济支付意愿大于或等于市场电价时,他们是否总能获得相应的电能供应。

较大规模的市场为容量资源充裕度提供了三重好处:欧盟一直都在稳步推进内部电力市场的自由化。这意味着德国容量资源充裕度的研究必须将整个欧洲纳入考量范围,同时还应考虑市场的动态调整,包括需求变化带来的价格弹性等。相对于德国本土,欧洲范围地域幅员更为辽阔,有助于波动性可再生能源电力能顺利地接入电网,从而为能源供应安全做出积极贡献。反过来,电力市场所覆盖的地理区域更为广阔也有助于平滑负荷曲线,特别是受天气影响带来的负荷波动,并减少个别电厂停电所带来的影响。与局限于一国相比,覆盖范围更广的电力市场降低了不利条件同时发生的概率,如可再生能源馈电不足、电厂停电、需求高峰等。

研究聚焦2030年前这一时间节点,研究方法遵循欧盟相关条例:项目的设计符合德国《能源工业法》(EnWG)规定的有关监测电力市场发电容量资源充裕度的法律要求,同时也符合欧盟有关电力市场的第2019/943号条例的要求。此项研究对直至2030年的容量资源充裕度进行了评估和量化,在这一时期,随着各国逐步减少煤电,同时增加可再生能源发电,电力市场和发电容量将发生重大变化。

报告所采用的方法基于德国一项严格的可靠性标准:通过权衡各种不同容量资源充裕度的计算方法,研究作者确定,电力不足概率(LOLP)这一指标最适合用于标准制定。

电力不足概率是指尽管愿意支付市场价格,但并非所有消费者都能在市场上获得电力供应的概率。其他补充参数,如预期缺供电量值(expected value of the energy not supplied (EENS)),也有助于评估系统容量资源是否充裕。本报告中所应用的德国电力不足概率(LOLP)标准为=0.06%,相当于99.94%的负荷平衡概率。另外,所采用的方法中还考虑了以下两个问题:

  1. 在所分析的时间范围内,欧洲的电力供应系统将如何发展?

  2. 有了这样一个欧洲电力供应系统,电力市场的容量资源充裕度是否能保持在一个有效的水平之上?

为了回答第一个问题,研究人员针对欧洲电力供应系统的发展设定了几种不同情景。其后,研究人员确定了每种情景的充裕度水平,并将其与确定的电力不足概率(LOLP)标准进行比较来评估第二个问题。相较之前的分析,本项研究往前迈进了一步,即对包括新增输电和发电在内的电力供应系统发展是基于市场价格建立的内生经济增长模型。每一年中,更高比例的发电和输电取决于模型的内生因素。

分析结果表明,在研究覆盖的时期内(即2030年前),德国的电力系统将是高度可靠的。

该模型估测德国2030年的电力不足概率(LOLP)最大值为0.003%,比标准可接受值(0.06%)低20倍。在电力不足估计值为每年0小时这一参考情景下,在考虑所有政策和市场敏感性的情况下这一数值则为0.25小时。参考情景下,德国2030年的电力不足概率(LOLP)为 0。

分析结果表明,德国和邻国的电力市场容量资源充裕度极高。在2030年前的所有研究情景中,德国的电力市场容量资源充裕度都是有保障的,即便在考虑以下设定因素的情况下:所有被研究国家都是单一能量市场(energy-only market);德国积极淘汰煤炭;欧洲能源和气候政策进一步收紧,通过交通、工业和供暖部门电气化推动这几个领域的耦合。

在参考情景下,预期缺供电量值(EENS)为0,在考虑敏感性的情况下,最大值则为0.4吉瓦时/年。由于该研究专注德国电力市场资源充裕度的评估,因此没有将德国的电力储备机制下的备用容量纳入考量,因为这并不是电力市场的组成部分。也就是说在实践中还有备用容量进一步提高德国电力资源的充裕度。

即便在常规发电机组退役,风能及太阳能电力比重提升的情景下,显示的容量充裕度结果为什么还会这么好?

以下几方面因素可以解释德国的容量资源充裕度为何这么高:

  • 由于平衡机组和平衡能源系统的存在,电力供应商有极大动力去遵守交付义务。市场参与者一般会谨慎选择签订覆盖足够发电和灵活性容量的电力合同,从而保护自己免受潜在且高昂的平衡能源价格的影响。这直接或间接地推动了相应的投资。

  • 德国和欧洲的电力供应系统目前存在一些过剩产能。尽管一些常规电厂因为碳价上涨和有效的政策引导措施将逐步关停,但发电业主在关闭现有电厂来减少过剩产能方面的意愿不足

  • 新的天然气热电联产(CHP)方式增加了大量容量。结合其他研究报告的数据,本研究假设,到2030年,德国的天然气热电联产净增容量为15吉瓦。针对研究所覆盖的其他欧盟国家,这一数据为21吉瓦。

  • 德国以外的容量市场在德国境外创造了新的容量。这有利于提升德国的容量充裕度(本研究考虑了法国、英国、波兰和意大利的容量情况)。

  • 一个规模更大、更具地理多样性的区域电力市场可令负荷和可再生能源的接入更加顺利,并减轻了电厂意外停电的影响。

  • 该模型考虑到了提高消费侧灵活性的巨大潜力,包括可中断工业负荷、灵活供热负荷和紧急备用系统(如电池储能),以及公共供热系统(包括热电联产)及紧急电力系统等。

这些促使容量充裕度持续维持较高水准的因素原则上是可以相互补足的:一个因素的减弱甚至丧失,并不会给容量资源充裕度带来问题,而是会通过电力市场上其他方面的调整来弥补。正因为这些替代选择的存在,德国电力系统容量充裕度的保障路径呈现多样化,也从而保证了电力市场上供应和需求的持续、稳定平衡。

研究考虑了哪些情景,为什么设定这些情景?

参考情景基于对德国和欧盟当前电力系统的详细研究、与其他研究和专有模型的比较、以及与行业专家针对2030年之前可能的法律框架条件和政策变化所做的咨询等。这些情景全面地描述了欧洲电力市场的初始情况、规划和政策变化。

德国输电系统运营商与欧洲输电系统运营商的情景比较表明,德国的参考情景中可调度发电量略低于其他研究中的情景。总的来说,在考察的所有国家中,参考情景在某些情况下显示出明显较低的容量资源。因此,参考情景代表了欧洲供电系统的一个较为保守的发展路径。

参考情景中包含以下假设:

  • 电力市场设计

  • 常规发电组(核电、煤电和热电联产)的外源性发展

  • 可再生能源和抽水蓄能的发展

  • 灵活性选项的发展

  • 电力需求的发展

  • 传统电厂的技术和经济性特点

  • 平衡能源的发展

  • 跨境输电能力和进-出口机会的发展

  • 负荷过剩在不同投标区之间的分布

敏感度分析包括:

  • 取消邻国容量市场,转而采用单一能量市场

  • 采用ENTSOE-E十年电网发展计划中的分布式能源定价方案,增强交通、工业和供暖部门电气化推动等领域间的耦合

  • 采用世界能源展望可持续发展情景中的价格情景,增强交通、工业和供暖部门电气化推动等领域间的耦合

分析是如何应对“黑暗低谷”(即风能和太阳能发电量较低的季节)这一挑战的

这些情景明确考虑了“黑暗低谷”的问题——这一短语是形容长时间的微风和低太阳辐射情况。这些模型将经历了漫长黑暗低谷期的2017年的天气数据纳入了天气年份;另外也纳入了2012年的数据,该年欧洲经历了一个异常寒冷的冬天。

基于2009-2013年和 2017 年这六个天气年份的天气假设,研究人员计算了2030年以前德国可再生能源的发电量和能源部门内部不同领域(居民家庭、商业、交通、工业、其他)的消费量。根据高区域分辨率气象条件数据(风速、温度、全球辐照度等),推算出未来每一年的装机容量,并在此基础上模拟了直至2030年的光伏、陆上和海上风电的年发电量。为六个气象年中的每一年生成逐小时负荷曲线(包括温度、风况、日照、日出和日落时间等)。

结论

保障电力供应的安全性和可靠性取决于多重因素,包括准确的规划和预测,但随着波动性可再生能源规模的扩大,以及供热和交通等部门用电量的增加,这两方面都将变得更为困难。德国和欧洲对规划研究提出了明确的要求,以确保电力系统在低碳转型过程中保持高可靠性。此项研究表明,2030年以前,可再生能源的发展不会对德国的电力供应安全构成挑战。

尽管欧洲和中国的电力系统差异巨大,但它们在许多方面正在趋同。中国目前正在引进建设电力市场,增加跨境(跨省)输电,在全中国范围内大力推广分布式能源(以部分解决大多数波动性可再生能源位于中国西部、远离主要工业或城市负荷中心的问题)。此外,目前欧洲和中国均在大力推动工业和交通领域的电气化,并提高电力需求侧的灵活性。德国和欧洲采用的情景分析有助于为中国的规划工作提供借鉴信息,向以可再生能源为主体的新型电力系统转型。

 

参考资料
  1. “监测欧洲电力市场的容量资源充裕度,”r2b energy consulting, Consentec, Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, TEP Energy,由德国联邦经济和能源部资助,2021 年 4 月 26 日,网址:https://www.bmwi.de/Redaktion/EN/Publikationen/Studien/monitoring-the-adequacy-of-resources-in-the-european-electricity-markets-2021.pdf

  2. “德国《能源经济法》电力和天然气供应部分(Energiewirtschaftsgesetz),”2021 年 7 月 16 日修订,德国联邦法律条款网址:https://dejure.org/gesetze/EnWG

  3. “欧洲议会和欧盟委员会2019年6月5日发布的关于欧洲内部电力市场的2019/943号条例,”欧盟条例,2019年6月14日”网址:https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32019R0943

  4. “2020 年中期充足性预测",欧洲电力传输系统运营商网络,”2020年:网址:https://www.entsoe.eu/outlooks/midterm/

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