中德能源与能效合作-德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验和借鉴意义.pdf

分析报告 德国和欧洲电力系统充裕度评估及德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验对中国的经验和和借鉴借鉴意义意义中德能源转型研究项目 2 版本版本信息信息 德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验和借鉴意义是德国国际合作机构（GIZ）联合德国能源署（DENA）在中德能源转型研究项目框架下共同发布的分析报告。该项目支持中国政府智库与德国研究机构交流，从而加强中德在能源转型方面的政策研究交流，并与中国受众分享德国的能源转型经验。该项目旨在通过国际合作和互利的政策研究和建模，推动以低碳为导向的能源政策，帮助中国建立更有效的低碳能源体系。项目由德国联邦经济和气候保护部(BMWK)在中德能源与能效合作伙伴框架下提供支持，中德能源与能效合作伙伴是中德两国政府能源政策对话的官方平台。国家能源局是项目框架下中德能源工作组的中方指导单位。中德能源转型研究项目由德国国际合作机构（GIZ）牵头，联合德国能源署(DENA)和 AGORA ENERGIEWENDE 共同实施。发布方：德国能源署 肖思街 128 号 10115 柏林，德国 电话：+49(0)30 66 777-0 传真：+49(0)30 66 777-699 电子邮箱：INFODENA.DE 网址：WWW.DENA.DE 作者：KAROLINA JANKOWSKA 博士，德国能源署 PETER-PHILIPP SCHEIRHORN,ENERGYNAUTICS 公司 THOMAS ACKERMANN 博士，ENERGYNAUTICS 公司 ANDERS HOVE，德国国际合作机构 发布时间：2022 年 4 月 版权所有。对本出版物的所有使用均需得到德国能源署的同意。请按以下方式引用本出版物：德国能源署(DENA,2021)“德国和欧洲电力系统充裕度评估及对中国的经验和借鉴意义”3 目录目录 1 1 引言：报告的目的、定义和研究问题引言：报告的目的、定义和研究问题 .6 6 2 2 德国容量充裕度量化方法德国容量充裕度量化方法 .7 7 2.1 流程、职责和定义的背景.7 2.2 相关定量方法.7 2.2.1 德国输电系统运营商对国家电力平衡的测算方法.8 2.2.2 欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）采用的资源充裕度评估方法.9 2.2.3 2015-2021 年德国联邦经济与能源部的供电安全监测.11 2.2.4 德国联邦网络管理局（BNetzA）自 2021 年起的供电安全监测.18 2.2.5 确定德国容量备用的规模.21 3 3 电网和系统充裕度的定量方法：德国电网发展计划（电网和系统充裕度的定量方法：德国电网发展计划（NEPNEP）中的方法）中的方法 .2222 3.1 流程和责任的相关背景.22 3.2 电网发展计划中的容量充裕度.23 4 4 德国所使用方法的比较德国所使用方法的比较 .2424 5 5 德国电力系统评估的新兴发展德国电力系统评估的新兴发展 .2929 5.1 燃煤电厂和核电厂逐步淘汰引起的预期变化.29 5.2 是否有其他可能或者必要的变化？.31 6 6 结论及对中国的实际意义结论及对中国的实际意义 .3333 采访合作伙伴及参加相关大会、利益相关者会议等采访合作伙伴及参加相关大会、利益相关者会议等 .3636 缩写缩写 .3737 图列表图列表 .3838 表列表表列表 .3939 参考文献参考文献 .4040 4 政策制定者和规划者早就认识到评估容量充裕度在维持电力系统可靠性方面所发挥的关键作用，而后者反过来对于保证经济平稳运行、并为全球持续开展低碳能源转型提供社会支持也起到至关重要的作用。风能和太阳能的规模化发展对电力系统规划提出了新的挑战。虽然，一些国家已经证明高比例波动性可再生能源系统与可靠的电力供应可以相互兼容，但它们确实带来了更多的不确定性，因此评估和规划过程也变得更为复杂。此外，规划者还不得不在电动汽车充电和需求侧灵活性等领域纳入新的实践。2021 年，中国多个省份出现拉闸限电和电力短缺现象。虽然停电原因多种多样，但 2021 年 9 月和 10 月的停电主要与市场因素有关，即由高煤价与燃煤电厂发电的固定价格之间的不匹配造成。这导致了许多燃煤电厂实物燃料短缺并不得不以低容量系数运行。虽然这一事件似乎主要与市场设计有关，而非由于系统充裕度规划原因所致，但任何电力短缺或断电现象都不可避免地提高了对供应侧提供更可靠容量的要求。中国政府也确实不仅仅通过提高电价、限制煤矿利润来应对短缺，而且制定了旨在提高燃煤电厂产能的新规定。旧的、效率较低的燃煤电厂退役后应进入储备状态，政府将要求煤电公司以至少与往年一样高的价格运营电厂。政府文件中对能源安全，尤其是供应安全，的重视程度与日俱增，这可能会导致新燃煤发电能力建设提速，以满足高峰负荷。本报告的目的是解释和说明德国和欧洲如何调整其系统评估和规划流程，以确保传统燃煤电厂和核电厂容量的退役与可靠性和能源安全目标完美相容。毕竟，德国拥有世界上最为可靠的电力系统最新的 2030 年系统充裕度研究表明，即便德国即将于本年代末逐步淘汰其最后剩余的核电站和大部分煤电产能，德国该年度电力不足概率 (LoLP)也比该国当前标准安全 20 倍。1然而，由于该分析是基于德国过去政策目标所做的假设，这些目标与此同时已发生诸多变化，因此未来更新的容量充裕度评估可能会得出略有不同的结果。德 国 也 经 历 了 被 称 为“黑 暗 低 谷 期”(dark doldrums)的时期即在秋冬两季，风速下降，太阳能发电量也随之下降的时期。事实上，德国风能和太阳能的季节性低迷远比中国更为明显。中国的冬季阳光更加稳定，风能出力通常在较冷的月份达到峰值。鉴于欧洲和德国的可再生能源已在其电力生产中占据相当大的份额，将天气不确定性纳入容量充裕度评估已成为关键一环。上述工作应与对传统电厂、输电线路和化石燃料供应的短期中断、以及对气候事件或汽车电气化可能引发的长期需求增长的不确定性建模一起进行。另外，对不确定性的现实水平的建模也非常重要，建模所采用的方法不应使规划结果偏向于安装成本更高的发电和储能，而是应该优先考虑在输电、跨境电力交易和需求侧灵活性方面相对具有更佳成本效益的投资。2正如我们在本报告中所展示的那样，尽管仍处于早期阶段，但欧洲的容量充裕度评估方法中已经开始更多的将这些因素纳入考量。最近对其他市场的几项研究表明，随着越来越多的储能容量的上线，适度数量的储能主要是短期储能，如 4 小时储能容量在确保充分利用每兆瓦风能或太阳能容量以满足峰值负荷方面将发挥巨大作用。3 最后，虽然本报告侧重于欧洲和德国系统充裕度评估的技术方面，但这里讨论的概念不仅与技术专家有关，也与政策制定者有关。电力系统的规划与评估不仅存在于技术报告领域，也存在于公共政策领域。对于政策制定者来说，此类评估方法可以用于设定高水平的可再生能源或碳目标时。当出现停电或电力短缺情况时，有关专家和政策制定者可编辑寄语编辑寄语 5 以利用这些分析结果，对诸如建立“更可靠的基荷能源”这样的简单化处理，或强制“所有可再生能源配备成本高昂的用户驻地储能设施”之类的一刀切做法予以直接回绝。正确的评估不仅有助于维护正常运转，而且有助于就可再生能源在能源转型中的作用和价值进行更富有成果的公开讨论。因此，规划者和政策制定者应努力使这一过程对更广泛的受众开放，并为其所理解，即便其对数据的要求和方法学会变得越来越复杂化。本报告概述了德国当前和预期中未来电力系统的规划和评估实践，并分析了过去十年德国相关电力系统规划机构发表的各种出版物中所使用的方法。这些机构包括：德国输电系统运营商、联邦经济和气候行动部（2021 年底前为经济事务与能源部）和德国联邦网络管理局。此外，报告还介绍了欧洲输电系统运营商网络(ENTSO-E)在欧洲层面相关评估中所采用的方法。两者的结论和基础方法都被用于德国的评估和方法论的开发中。正如报告所示，德国所开发和应用的方法具有一些共性，特别是在从确定性计算转向天气和其他事件的概率评估，以及扩大分析的地理范围方面。这些方法也似乎随着时间的推移而趋于一致。当前的争论表明，有必要将迄今为止主要由输电系统运营商（TSO）提供的电网和系统充裕度评估纳入整体容量评估当中。这一发展也证实了我们的预想，即淘汰煤电将使德国纳入更多的容量和电网充裕度评估。本报告是研究欧盟电力系统规划和评估实践的众多报告之一，这些实践对中国和其他国家向低碳能源系统转型具有一定意义。中欧能源合作平台(ECECP)于 2021 年 11 月发布的ENTSO-e中国电网规划建模展示報告阐述了单条输电线路的规划方法，并在中国选出一些潜在的新输电线路应用该方法。4 中欧能源合作平台的报告主要着眼于输电规划，而本报告侧重于更广泛的容量充裕度问题但鉴于输电在确保互连互通区域内容量充裕度方面所起的作用，这两者显然是有关联的。两份报告在某些方面具有互补性，可以一并阅读。我们希望这项研究能够帮助中国和其他地方的政策制定者了解德国和欧洲在系统充裕度规划方面的持续演变，以及它们是如何朝着对低碳能源转型做出积极贡献的方向发展的。我们相信，在中国建设以新能源为主体的电力系统的进程中，分享系统充裕度方面的经验和方法对各方都有启发，不仅有助于我们确保可靠的电力供应，也有助于政策制定者和公众预想如何才能建立一个清洁、可靠和具有成本效益的未来能源系统。此致，科琳娜博林蒂纳努 德国能源署（dena）中德能源转型研究项目主任 侯安德 德国国际合作机构（GIZ）中德能源转型项目主任 6 供应安全包括两个方面：发电容量充裕度；电网和系统充裕度。5 关于容量充裕度，调查研究了电力市场在特定时期内是否以及如何才能达到供需平衡。这种平衡可以通过对一个国家或一组国家的电力市场进行建模来决定。6 为保持一致性，本报告使用“容量充裕度”一词，作为发电充裕度和资源充裕度的同义词，虽然引用报告的作者会使用其他术语表达相同的概念。电网和系统充裕度涉及电网的稳定运行。电网规划和运营中的一项重要基本原则被称为 n-1 安全供电原则。该原则指出，如果单个发电机组或灵活性措施失灵，则电网技术参数（例如电流、电压或频率）必须保持在一定的容差范围内。7 本报告篇章架构如下：第 2 节讨论了容量充裕度的分析方法，并在 第 2.2.2、2.2.4 和第 3节中探讨了电网和系统充裕度问题。第 4 节通过一个长格式表比较了前几节中讨论的所有方法，指出了它们的异同、优势和劣势。第 5 节概述了因德国逐步淘汰煤电和核能，预计将发生的容量充裕度评估方法上的变化。鉴于正在进行的低碳能源转型，本节还讨论了对当前方法进行其他更改的可能性或必要性。本报告回答了以下主要问题：德国是如何定义供电安全、容量充裕度以及电网和系统充裕度的？在德国，容量充裕度的估算和计算过程中涉及哪些主要参与者？他们承担哪些责任？德国系统规划者如何估算发电容量、互连容量和系统灵活性（需求响应、储能、发电厂爬坡率）是否足以满足在 1 到 10 年间任何相关时段内该年所有小时的系统负荷？德国规划者如何将电网灵活性、发电厂灵活化和需求侧灵活性等系统要素纳入容量评估中？德国使用哪些量化指标，例如：等效带负荷能力(ELCC)？在评估较长时期内的系统充裕度时，相较于传统火力（煤及核能）电源相比，系统规划者如何定量评估不同形式电源（如波动性可再生能源（RE）、波动性可再生能源和储能结合（混合）、独立储能、分布式储能等）？如何确定德国的备用容量大小？如何对电厂进行补偿？参与的电厂类型以及未来十年将如何变化？随着德国越来越多煤电和核电站退役，未来十年这些计算和估值将发生何种变化？德国电力系统评估方法应作出哪些必要的改变？1 1 引言：报告的目的、定义和研究问题引言：报告的目的、定义和研究问题 本报告旨在诠释当前和未来德国电力系统评估中所采用的量化方法。这种评估最重要的目的是在保证供电安全的同时，建立一个能满足经济和生态要求的电力系统。7 2.12.1 流程、职责和定义流程、职责和定义的的背景背景 德国的输电系统运营商、联邦经济和气候行动部及