德国电网2050研究报告.pdf

TransnetBW有限公司的研究项目有限公司的研究项目 电网 2050 内容内容 前言前言 01 内容提要内容提要 03 1.0 导论导论 07 1.1 研究动机 08 1.2 目标和步骤 08 1.3 研究项目顾问委员会 10 2.0 世界能源世界能源 20502050 11 2.1 部门耦合能源互补和电气化 12 2.1.1 能源系统的低碳化 12 2.1.2 电力需求的灵活性 13 2.1.3 提高能源效率 14 2.2 方法论、数据基础和假设 14 2.2.1 系统边界和前提 14 2.2.2 气候和能源政策目标 16 2.2.3 未来的能源基础设施 16 2.2.4 终端能源消费的发展 18 2.2.5 关于区域化的假设 19 2.3 模拟研究的结果 19 2.3.1 部门耦合能源互补：能源流 19 2.3.2 电力行业的未来 21 2.3.3 欧洲内部电力市场 25 2.3.4 欧洲低碳化能源系统 27 2.4 巴登符腾堡州的概览 28 3.0 电网电网20502050 31 3.1 2050年电网发展规划的方法论 32 3.2 初始情况分析 33 3.2.1 参考电网 33 3.2.2 特高压电网的负荷率 34 3.2.3 所选线路潮流状况的评估 36 3.3 到2050年的高压直流输电线路的扩建 39 3.3.1 高压直流输电线路技术的重要性 39 3.3.2 确定与巴符州连接的其他高压直流输电线路 39 3.4 到2050年未来电网的发展情况 41 3.4.1 针对目标电网发展的假设 41 3.4.2 TransnetBW的一揽子措施 41 3.4.3 未来电网情况 45 3.5 未来未来电网的电网的潜在潜在规划方案规划方案 45 3.5.1 与巴伐利亚州电网互联 45 3.5.2 高压直流输电线路通过高压直流电网与瑞士电网互联 47 4.0 针对能源世界针对能源世界20502050的问卷调查的问卷调查 49 前言前言 2 近年来，能源转型引发了社会、经济和新技术发展方面的巨大变化。然而，距离成功实现所有能源转型和气候保护目标，我们还有很长的一段路要走。毋庸置疑的是：电网基础设施的建设将对能源转型的成功发挥决定性的作用。我们目前确定了2050年能源系统的要求，即实现德国和欧洲的碳中和。在未来十至十五年，电网发展规划（NEP）是基于需求的电网渐进式发展规划。TransnetBW恰恰聚焦于此：2050年电网研究项目（Studie Stromnetz 2050）旨在为德国和欧洲基本达到碳中和的能源系统制定目标蓝图，并以巴登-符腾堡州的电网开发为例，提出开发长期电网结构的系统方法。实现能源和气候政策目标的核心条件是进一步扩大可再生能源发展以及热力供应产业和运输产业的广泛电气化。研究结果表明，因电气化而产生的净电力需求增幅达到50%以上。我们所制定的目标蓝图显示，相较于2018年，2050年风能和光伏系统的装机容量将提高三至四倍。若要在2050年成功实施能源转型，电网发展规划2030所规划的未来电网不足以满足需求。可再生能源的集成需要一整套在全德范围内实施的措施，该套措施远远超出了电网发展规划涵盖的措施，不但要求广泛地加强电网建设，还需建造额外的高压直流传输线路。欧洲内部电力市场也将同步增长，欧洲各电力市场彼此之间的跨境电力贸易将呈增长态势。整个欧洲将继续普及可再生能源的使用。各地可再生能源的资源禀赋不同，可以平衡供需关系在时间上和地区之间的波动，并将太阳能和风能资源充足的地区与负荷中心连结在一起。2050年电网研究项目是对电网发展规划在方法论上的延伸。在TransnetBW看来，当前的电网发展规划是满足电网扩建需求所迈出的重要的第一步，有助于成功实现能源转型。这项研究可用于检验所设计的输电网络的长期可持续性。本研究采用“自上而下”法进行了前所未有的详尽分析，我们非常愿意将研究成果与所有有识之士共同分享，一同探讨。内容摘要内容摘要 4 德国和欧洲将实现气候保护目标德国和欧洲将实现气候保护目标 通过通过电气化电气化增加增加电力需求电力需求 本研究项目假定，在电力、供热和交通运输应用领域，化石能源燃烧所引起的二氧化碳排放量相较于1990年将下降90%。为了实现欧洲能源系统的完全碳中和，我们必须采取额外措施，以减少本研究未涉及的其他领域（主要包括航空和航运、工业的热力需求、农业）的温室气体排放。为此，进口零碳的氢能或合成碳氢化合物是有意义的举措。若要在德国和欧洲降低能源领域的温室气体排放，就有必要对能源系统做一番全面的转型改革，包括提高电力部门的可再生能源发电比例，特别是风能和光伏的利用，以及推动热力和交通运输部门的电气化进程。各部门的能源互补电气化转型预计将大幅提高电力需求。德国电力需求净值的增加比例预计将超过50%，增长至800太瓦时以上（再加上40太瓦时的电网损耗）。其中，热力和交通运输部门的电气化就需要315太瓦时的电力供应。未来系统的柔性电力需求：未来系统的柔性电力需求：大规模波动性的可再生能源发电对需求侧响应和储能设施的需求越来越大。热力、交通运输和气体能源部门在电力、热力和气态能源的储存领域具有很大的潜力。部门的能源互补综合能源利用能够挖掘电力需求侧响应能力和储能设备潜力。例如，在可再生能源供给充沛的时段，电动汽车可以利用可再生能源的电力充电。这些灵活用电设施的同时使用能将电力最大负荷提高两倍，提升值超过200吉瓦。热力生产以电力和天然气为主：热力生产以电力和天然气为主：通过采用高能效热泵和电阻加热器，德国热力供给体系到2050年将实现近40%的电气化，间接使用可再生能源供能。带热电联产的高效燃气和汽轮机发电厂、小型和大型热网集中供暖网络中的供热厂和分布式的燃气采暖系统可以满足大约60%的热力需求。此外，储热设施可以智能控制热力生产（从而调节电力需求）。电动出行将主导交通运输部门电动出行将主导交通运输部门：为了实现运输部门的低碳化，内燃机机动车将主要被电动汽车所取代。长途运输则采用能源密度更高且充电时间更短的燃料电池汽车。然而，相对于电池驱动的机动车，燃料电池汽车只占假定汽车行驶里程很小的一部分。在交通领域的能源转型背景下，交通运输部门的终端能源消耗也将明显降低，电动汽车消耗每千瓦时电力的行驶里程大约是使用超级汽油（0.11升超级汽油的能量含量相当于1千瓦时的电力）、内燃机的同类机动车的大约3.5倍。电动汽车的优化充电和储电性能有助于提高电力部门的高度灵活性。5 大刀阔斧的风能和光伏设施扩建大刀阔斧的风能和光伏设施扩建 德国能源转型的基础德国能源转型的基础 燃气发电厂确保供电安全燃气发电厂确保供电安全 更多的可再生能源，更多的电力更多的可再生能源，更多的电力运输运输电网发展规划的输电网电网发展规划的输电网络还不足够络还不足够 数字化和创新推动电网的智能化数字化和创新推动电网的智能化发展发展 电力部门的可再生能源扩建为全面建立碳中和的能源系统奠定了基础。今后将继续扩大陆上和海上的风力设施以及屋顶和空地光伏系统。这个过程需要关注扩建工程对人（例如民众的接受度）和环境（例如物种保护）的影响。因此，随着可再生能源的普及，屋顶光伏系统的重要性渐增。陆上风电的技术潜力还并未得到充分的挖掘。德国风电装机容量将从2018年的58吉瓦增长到2050年的177吉瓦，提高了两倍之多。其中，55吉瓦来自于海上风电设施。与此同时，光伏设施的装机容量从2018年的44吉瓦升值2050年的173吉瓦。不同部门的能源互补综合能源利用使得能源需求实现高度的灵活性，从而使可再生能源的电力生产能够几乎完全融入。德国不太可能建立氢能或基于电力的碳氢化合物相关生产：德国不太可能建立氢能或基于电力的碳氢化合物相关生产：氢能或基于电力的碳氢化合物预计将用于满足工业的热力需求，并在航空和航运中发挥作用。根据我们的假设，鉴于技术和经济框架条件的限制和可再生能源的有限潜力，德国不太可能生产基于电力的碳氢化合物。欧洲以外的合适产地将主要负责这类产品的生产和出口。为了保障电力和热力供给，除了上文所述的储能方案之外，高效的汽轮机以及带有热电联产功能的气体和蒸汽组合轮机将得到广泛的应用。以典型气象年为基础，德国需要的燃气发电厂净额定功率大约需要达到50吉瓦。本研究所展示的2050年（能源转型的目标年）电力供给系统要求进一步发展电网发展规划2030和2019年远景目标中所确定的输电网络。首先，德国北部和西北部的目标电网系统将出现较为严重的网络阻塞。造成这种情况的主要原因是北海海上风电设施的扩建，这些海上风电设施的发电量约占可再生能源发电总量的三分之一。所生产的电力必须运送到德国西部和南部人口稠密及高度工业化的负荷中心，这些地区的热力和交通运输部门因高度电气化，其电力需求将进一步强劲增长。南北干线上的输电需求也相应增长。全德范围内，必须在2019年版的电网发展规划2030的基础上进一步扩建电网体系，总长度需增加15700多公里，这样方能实现能源转型。所增加的长度相当于德国当前输电线路的40%。当前的电网发展规划是满足电网扩建需求所迈出的重要一步，有助于成功实现能源转型，但也只是第一步而已。除了通过不同部门的能源互补来灵活调节电力需求和充分运用蓄电池的功能之外，创新型的运行设备也有助于优化电网负荷率。高压直流输电线路和相位闸门变压器（PST）可灵活地控制功率通量，以提高目标电网的利用率。依据天气情况的架空电线运营（WAFB）模式借助实时测量的天气数据，也能显著提高电网的负荷率。6 巴登巴登-符腾堡州：符腾堡州：作为欧洲的电力进口商和电力枢作为欧洲的电力进口商和电力枢纽，需要可靠和强大的电网连接纽，需要可靠和强大的电网连接 欧洲寄希望于可再生能源和强化欧洲寄希望于可再生能源和强化能源交流能源交流 巴登-符腾堡州（Baden-Wrttemberg，简称巴符州）未来将扩大对其他联邦州或海外的电力进口。到2050年，巴符州的电力需求只有一半来自于本地的电力生产，为此急需运作良好的电网连结。2050年，巴符州所生产的电力中，每两度电里就有一度电来源于光伏设备。风能及联合循环燃气轮机将各自贡献25%的电力。确保地区供给，加强与相邻地区的电力连结确保地区供给，加强与相邻地区的电力连结：根据需求扩建的高性能输电网络有助于满足大量的进口需求，并在未来确保地区的能源供给。此外，我们也须保证与国内相邻地区和欧洲邻国之间的可靠电力输送体系。扩建扩建高压直流输电线路高压直流输电线路，以满足进口需求：，以满足进口需求：由于进口需求不断升高，在电网发展规划所制定的措施之上，有必要进一步建设通向巴符州的高压直流输电线路，应在德国北部和西北部建立两条各2吉瓦的高压直流输电线路。这意味着，到2050年，巴符州总共8吉瓦的高压直流输电线路将与德国北部的发电中心相联。需要进一步扩建交流电网络：需要进一步扩建交流电网络：2019年版本的电网发展规划2030所确立的TransnetBW措施对2030年后能源经济的发展同样重要。此外，TransnetBW公司必须对其700多公里的特高压电网，也就是40%以上的输电线路额外进行加固。部门的能源互补和可再生能源的扩大应用不仅是德国未来能源系统的核心元素，也一样适用于整个欧洲的能源体系。相较于2018年，欧洲的电力净需求加上电网损耗到2050年将提高70%以上，增至大约5600太瓦时。风能和光伏将几乎完全取代传统电厂的电力生产：超过90%的发电量净值来自于可再生能源。考虑到特定的区位条件，风能和光伏的应用存在很大的地区差异。意大利和伊比利亚半岛将以光伏发电为主，而风电设施主要运用在北欧、不列颠群岛和东欧。对于德国、法国和欧洲东南部的电力生产，风能和光伏几乎平分秋色。斯堪的纳维亚和阿尔卑斯山区国家则主要采用水力发电和季节性的电力储存。热力发电厂的净额定功率到2050年下降大约65%，减少到200吉瓦以下。除了燃气发电厂之外，一些欧洲国家预计将继续使用核能（27吉瓦）来发电。欧洲内部电力市场谋求共同成长：欧洲内部电力市场谋求共同成长：供电方和耗电方的结构将发生改变，欧洲内部电力市场走强，欧洲跨境电力贸易预计将随之增长大约80%。德国与邻国的电力贸易增长有望超过平均水平。到2050年，德国的电力进口将翻三番，接近140太瓦时。在欧盟电网扩建规划的基础之上，我们从今天的角度来看，欧洲各电力市场之间的贸易能力到2050年将几乎翻一番。供需关系在时间上和地区上的波动将由此得到平衡，太阳能和风能充沛的地区将与负荷中心地区连结。1.0 导论导论 8 1.0 研究动机研究动机 能源转型的目标能源转型的目标 德国联邦政府在2010年能源方案（德国联邦经济及能源部，德国联邦环境、自然保护和核安全部，2010年）中确立了能源转型的目标，并在进一步的决议中对之加以细化（德国联邦经济及能源部，2015a）。指导原则是到2050年基本实现碳中和（德国联邦环境、自然保护和核安全部，2016）。2050年能源转型的量化目标包括：/相较于1990年，温室气体排放量至少减少80%到95%。/可再生能源在电力总消耗中至少占80 ，在终端能源消耗总量中至少占60。/提高能源效率：相较于2008年，一次能耗到2050年下降50，建筑的一次能耗减少80%。/2022年前退出核能，2038年前告别煤电。脱碳脱碳 能源系统的脱碳指减少对石油、煤炭或天然气等烃类能源的使用。1.1 目标和步骤目标和步骤 ENTSO-E 欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）的总部设在布鲁塞尔，是欧洲输电系统运营商的协会（TSO）。该协会由来自36个国家的43个输电网络运营商组成，始建于2008年12月。ENTSO-E负责履行法律规定的任务，所创建的十年电网发展规划（TYNDP）包含了2030年至2040年欧洲的发展情景分析。（电网发展规划，2020）德国和欧盟都渴望在本世纪中叶建立一个碳中和的能源和经济体系。该目标该目标已经确立。然而，脱碳脱碳的未来的清晰设想还未明确。能源系统从化石燃料向可再生能源的全面转型若要取得成功，电力部门必须做出根本性的贡献。我们希望为电力部门制定具体的目标蓝图，指出能源转型和气候保护目标向输电网络所提出的挑战，以及应对之策。按需扩建电网基础设施是能源转型成功的核心前提条件。扩建虽是艰巨的挑战，但并非不可实现。具有前瞻性的长期规划是实施的先决条件。2050年电网研究项目为之提供了讨论的基础。从2012年开始，德国四大输电网络运营商一直致力于电网发展规划（NEP）的制定，希望能预测未来电网的扩建需求。在今天看来，电网发展规划所着眼的时限比德国联邦政府的长期能源政策目标要短。后者旨在本世纪中叶前基本实现能源系统的脱碳。欧洲层面也一样：ENTSO-E当前的十年电网发展规划（TYNDP）将欧洲输电网络运营商视为未来欧洲的联合网络，该计划对2030年发展情况的展望不够长远，因此不足以充分预测欧洲的能源转型。2050年电网研究项目旨在为能源转型提供开发目标网络结构的一套体系。我们希望能推动电网发展规划的进一步发展，促使规划能够适应2030年后的能源经济发展，利于按照需求可持续地规划电网新建项目。了解未来用电中心和电力生产中心对规划能源转型电网至关重要。因此，考虑到2050年部门将实现能源互补，我们必须尽可能精准地预测电力需求变化。只有当电力需求假定在脱碳背景下充分反映了能源经济必要因素，才能切实从用电需求出发，确定未来电网的扩建需求。在能源政策领域，为了实现气候保护目标，存在着多种多样的方案和潜在发展道路。2050年电网研究项目不再研究各种情景变体，而是着眼于尽可能碳中和的未来，在当前认知和知识基础上，为电力供给体系描摹一幅结论性的目标蓝图。在这个过程中，我们尽可能确定“底部的”电网扩建需求，针对目标蓝图的四种迭代连续、不断变化的发展草案不断递推。下文图1通过图示介绍了迭代法的运作机制。9 图图1:1:迭代方法 草案草案一一 草案草案二二 草案草案三三 草案草案四四 确定确定框架条件框架条件 评估措施是否符合需评估措施是否符合需求求 评估方法的扩展 制定制定措施措施 扩展工具箱以解决网络瓶颈问题 确定网络瓶颈确定网络瓶颈 拓展所观察到的瓶颈现象 分析扩展，在分析中加入下级的子网络 进一步精确描述边界条件 模拟模拟网络荷载网络荷载 模拟模拟电力市场电力市场 每个草案首先划定2050年能源系统配置的框架条件，随后为电力市场进行相应建模。在此结果的基础之上，每项草案都模拟了电网荷载，随后确定网络阻塞，并为巴符州制定相应的电网措施。在草案实施过程中所获得的新认识将继续汇聚到其他草案的制定过程中。这样一来就能重复检验和调整各类不同的影响因素，从而在这个递推过程的最后形成经得起推敲和验证的结果，由此建立的电力供给系统在各类专家看来合乎逻辑，也具有说服力。图2展示了不同草案经过建模的电力需求和电力生产情况，让读者能够了解能源经济可能出现的变化情况。此外，比较对象选取的是2018年的数据（德国联邦经济及能源部，2019a）。根据预测，能源产业到2050年主要呈现两大变化趋势，在现有草案中，这两种趋势在地理和技术特点上有所不同：/热力和交通运输部门的电气化进程导致电力需求增加，电力需求的灵活性要求提高。/可再生能源的使用逐步普及；传统发电厂的电力生产越来越多地被可再生能源（特别是风能和光伏）发电取代。10 图图2:实现2050年欧洲电力供给体系目标的不同发展路径草案。德国电力生产和电力消耗的净额变化。电力生产和电力消耗的净额变化（太瓦时）电力生产和电力消耗的净额变化（太瓦时）图2所展示的2050年欧洲电力供给体系的目标蓝图（草案四）由一个来自科学界、政界和能源产业的代表组成的顾问委员会共同讨论和制定。此前各个草案的研究工作为这一成果铺设了坚实的基础，下文将不再展示前序的方案草案。1.2 研究项目顾问委员会研究项目顾问委员会 2050年电网研究项目聚焦于未来。为此，一个由科学家、政府代表和行业专家组成的顾问委员会专门为项目的开展保驾护航。我们提出的想法和解决方案不断接受着检验。顾问委员会的问题、建议和讨论推动了我们的工作，也进一步深化了我们的专有技术和知识。与顾问委员会的合作为本项目的开展建立了重要和广泛的信息基础，涵盖政治、科学和技术的各个领域。顾问委员会的成员如下：/Wilhelm Bauer 博士教授（巴登符腾堡州经济部）/Michael Becker 博士（卡尔斯鲁厄市政电网服务有限公司）/Andreas Bett 博士（弗劳恩霍夫太阳能系统研究所）/Wolf Fichtner 博士教授（卡尔斯鲁厄理工学院）/Katrin Flinspach（Teranets bw有限公司）/Martin Konermann 博士（巴登符腾堡州电网有限公司）/Felix Christian Matthes 博士（生态研究院）/Helmfried Meinel 部长（巴登符腾堡州环境部）/Stefan Tenbohlen 博士教授（斯图加特大学）TransnetBW感谢顾问委员会成员在编写研究报告过程中所提供的帮助、富有建设性的讨论和专业意见。TransnetBW对本研究结果负责。不同框架条件下的研究结果：不同框架条件下的研究结果：草案一：其他部门电气化程度高的德国能源转型德国能源转型 基础：德国能源署DENA的主题研究（技术混合95）和2016欧盟参考情景分析 草案二：其他部门电气化程度低的欧洲能源转型欧洲能源转型 基础：欧洲电网十年规划2018（TYNDP情景分析至2050年的外推）草案三：其他部门电气化程度高的欧洲能源转型欧洲能源转型 基础：TransnetBW能源系统模型 草案四：TransnetBW和顾问委员会的欧洲电力供给系统目标蓝图欧洲电力供给系统目标蓝图 基础：TransnetBW能源系统模型 发展路径 研究内容 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2018 草案一 草案二 草案三 草案四 其他 光伏 海上发电 陆上发电 热电厂 电力需求净值加上电商损耗 电网2050 2.0 能源世界能源世界2050 我们将在这一章节里描摹2050年巴符州、德国和欧洲能源世界的未来图景。12 2.12.1部门的部门的能源互补能源互补和电气化和电气化 2.1.12.1.1 能源系统的能源系统的低碳化低碳化 总总用用电量电量 总用电量是国内电力总产量（风电、水力、太阳能、煤电、石油、天然气等）加上国外电力进口总额再减去出口电力总量后的所得结果，其中包含了电网损耗和能源转换损失，以及发电厂自身的电力消耗。（德国联邦经济及能源部，2019）若要实现章节1.0规定的气候和能源政策目标，就必须对能源系统进行全面的转型改革。转型的根本任务是告别化石燃料，将可再生能源纳入电力、热力和交通运输应用领域（下称电力、热力和交通运输部门）。不同部门的能源互补是热力和交通运输部门脱碳的重要工具（参见章节2.1.1），在整合波动性的可再生能源时也能充分挖掘需求的灵活性潜力（参见章节2.1.2），提高能效及降低一次能源需求（参见章节2.1.3）。1990年出台的并电入网法（并电入网法，1990）和2000年生效的可再生能源法（EEG，2000）为德国的能源转型奠定了核心基础。可再生能源在总总耗电量耗电量中的占比由此从1990年的3.4%提高至2018年的37.8%（德国联邦经济及能源部，2019b）。过去二十年的风电、太阳能和生物质发电增加是上述变化的原因所在。一方面，可再生能源接入电力供给系统已经取得了很大的进步，另一方面，热力和交通运输的转型却异常困难：热力领域的可再生能源占比在2018年增至14.2%，运输领域则只有5.7%。德国终端能耗中的可再生能源占比总共只有不到14%（德国联邦经济及能源部，2019b）。德国2018年归因于可再生能源使用的减排量达到了大约1.87亿吨二氧化碳当量，相当于德国全年温室气体排放量（2018年达8.66亿吨）的20%左右（联邦环境署，2019）。根据当前估计，2019年相较于参考年份1990年，二氧化碳的排放量总共减少了35%（Agora，2020）。目前减排总量中有近77%由电力部门贡献。热力和交通运输部门需要进一步加强能源系统的脱碳工作。为大幅降低这些部门的矿物燃料使用比例，必须推进电动出行和热力部门的电气化进程，与此同时提高电力部门的可再生能源占比。此外也可以使用基于电力、碳中和的碳氢化合物，鉴于可再生能源的有限潜力和经济框架条件，未来有可能在德国之外的地区生产这类碳氢化合物。图图3:3:2018年电力、热力和交通运输部门的终端能源消耗。资料来源：德国联邦环境署（德国联邦环境署，2019），自行计算。25702570太瓦时太瓦时 Transport:交通运输 Strom:电力 Wrme:热力 Konventionell:常规 Erneuerbar:可再生 Treibstoff:发动机燃料 Sonstige:其他 13 图图4 4：德国可再生能源的理论可用和最大可用比例取决于柔性方案的可用功率。资料来源：根据泛欧市场建模数据库和泛欧气候数据库自行计算（ENTSO-E，2019a）。100%80%60%柔性柔性 0吉瓦 10吉瓦 20吉瓦 30吉瓦 40吉瓦 50吉瓦 60吉瓦 70吉瓦 80吉瓦 40%20%0%0%20%40%60%80%100%理论上能够达到的可再生能源占比 终端能源消耗终端能源消耗 终端能源消耗（EEV）指能源的使用量在扣除了能量转换损失、线路损失、能量转换部门的自身耗能以及所用一次能源的非能量消耗之后所剩余的有效能部分。（德国联邦经济及能源部，2018）2.1.22.1.2 电力需求电力需求的灵活性的灵活性 柔性柔性 柔性指的是响应外部信号（价格信号或激活）调整发电上网或负荷用电的做法，其目的在于为能源系统提供服务。（德国联邦网络管理局，2017）当前德国终端能源消耗终端能源消耗中的化石燃料占比超过了80%。为了实现气候和能源政策目标，该比例必须远远低于20%。只有大幅提高风能和光伏的使用，同时推动热力和交通运输部门的电气化，方能实现上述目标。到目前为止，电力供给体系集成可再生能源主要依靠灵活使用传统的发电厂以及扩建输配电网络。然而，为了保障供应安全，同时提高可再生能源占比，实现电网的可再生能源集成，需求侧和供给侧也须长期提高柔性及灵活度（参见图4）。一旦可再生能源占比超过50%，就存在储存电力和用电需求柔性发展的要求，因为这样才能尽可能多地集成可再生能源。德国若要实现电力系统的完全可再生能源供给，预计需要大约80吉瓦的柔性空间柔性空间（假定存在足够的储能容量，根据泛欧市场建模数据库和泛欧气候数据库自行计算（ENTSO-E，2019a）。直接储存电力（主要利用抽水蓄能式水电站和蓄电池）及电力需求的柔性发展往往成本高，潜力也有限。另一方面，热力、交通运输和用气部门拥有储存电力（电动出行）、热力（敏感、潜热和热化学热力储存设备）及氢气或甲烷（用气基础设施）的较高技术及经济潜力。部门的能源互补能够挖掘电力需求柔性化发展的储能设备潜力。柔性运行的热电厂和供热厂也有助于保障电力和热力的供应。燃气发电厂则可以通过使用基于电的碳氢化合物或沼气，以部分或完全碳中和的方式发电或产热。部门的能源互补一方面为热力和交通运输部门的脱碳提供了机会，另一方面也为电力部门内波动性可再生能源的集成创造了必要的灵活性。最大可用的可再生能源占比 14 2.1.32.1.3 提升提升能源效率能源效率 热泵热泵 热泵作为热发生器，在存在能源供应（通常是电力）的情况下，可在低温条件下额外吸收环境能量，并使其用于加热目的。（Baunetz Wissen，2020）热电联产热电联产 热电联产（CHP）指在热力学过程中将所使用的能量同时转化为机械能或电能以及可用热力。发电同时产生的热力用于加热和热水制备或生产工艺。热电联产有助于减少能源消耗和二氧化碳排放。（德国联邦环境署，2020）2.22.2 方法方法论论、数据基础和假设、数据基础和假设 2.2.12.2.1 系统边界和前提系统边界和前提 为了进一步降低能源相关的二氧化碳排放，实施能效提高措施是必须之举。内燃机驱动技术向电池电动汽车的转轨能够显著降低交通运输部门的一次和终端能源需求。热力部门则主要通过进一步对楼宇开展节能改造来实现减排。改善后的隔热保温可降低终端能源消耗，热泵热泵供热或热电联产则有助于提高一次能源的使用效率。天然气取代褐煤和硬煤更是锦上添花之举。这是因为天然气的二氧化碳单位排放系数更低，特别是气体和蒸汽组合轮机，它们的有效系数远远高于燃煤发电厂。此外，燃气发电厂的运行高度灵活，可以充分适应风电和光伏的波动性。热电联产热电联产、热泵及电动出行结合后，有助于减少一次能源需求，为提高能源效率做出巨大贡献。此次研究旨在展示德国和欧洲能源经济到2050年的发展路径，并由此推演出输电网络的扩建需求，以实现气候和能源政策目标。我们在研究能源产业发展和变化的过程中使用了一个能源系统模型。该模型基于开放源代码PyPSA模型（Brown,Hrsch&Schlachtberger,2018），涵盖了欧洲的电力、热力、交通运输和用气部门，并根据本研究的重点进行了配置和扩展，加入了额外的功能。基本输入变量包括：/电力、热力和交通运输部门的终端能源消耗加上输电网络的损失；/现有能源基础设施和可再生能源的发展潜力；/能源转换、储存和运输技术的技术和经济性参数；/欧洲和德国的气候和能源政策目标。能源系统模型用以计算出最低成本（投资和运营成本）情况下的能源基础设施扩建及使用情况，同时考虑到电力、热力和交通运输部门的供应任务（章节3.2.2）以及气候和能源政策目标（章节3.2.3）。根据德国和欧洲的气候保护目标，假定研究对象部门的能源相关二氧化碳排放量应较1990年总体减少90%。此外，根据德国可再生能源法（EEG，2016）假定，德国至少80%的电力需求须由可再生能源覆盖。2040年至2050年期间的能源经济发展状况借助了全球气候行动（Global Climate Action）的情景分析（十年电网发展规划，2018）。能源系统模型涵盖了电力、热力和氢能终端能源消耗量的大约四分之三，还包括了家庭、GHD（手工业、商业、服务业）、工业和运输部门的输电网络损失。未纳入考虑范围的是工业的热需求（工艺流程用热、室内采暖和热水）以及航运和航空的终端能源消耗。基于对输电网络的保守解释，我们假定未被纳入考虑的15 这部分终端能源消耗主要通过直接使用碳中和的能源（基于电力的碳氢化合物）来覆盖，因此不属于扩建输电网络的驱动因素。铜版画铜版画 假定市场区域内不存在网络阻塞，因此实行统一电价。研究项目在此基础上确定和规划必要的电网扩建工作。北欧北欧 北欧电网同步地区包括了挪威、芬兰、瑞典和丹麦东部。本研究重点关注的领域仅限于欧洲输电网络运营商协会负责的领土范围，不含阿尔巴尼亚、冰岛、黑山、马其顿北部、土耳其和塞浦路斯。模型中最小的空间实体是国家：因此，国内输电网络扩建不包括在研究范围之内（假定无传输限制假定无传输限制）。）。丹麦的东西部划分是一个例外，这是为了将欧洲大陆联合网络与北欧北欧同步电网区域进行区分。为了概括展示研究结果，我们将一些国家合并为了地区来研究（参见图5）。图图5：能源系统模型的重点地理区域 北欧 不列颠群岛 荷比卢 德国 东欧和波罗的海国家 阿尔卑斯山区 欧洲东南部 意大利 法国 伊比利亚半岛 16 2.2.22.2.2 气候和能源政策目标气候和能源政策目标 2050年的剩余二氧化碳预算值是最为基本的气候政策目标值：模型所列的二氧化碳排放量高于1990年参考值的比例不得超过10%。这一规定既适用于德国，也适用于整个研究区域。这里并没有考虑其他人为造成的温室气体排放（例如工业流程和农业）。模型所涵盖的排放源约占1990年二氧化碳排放量的68%。假设将90%的二氧化碳减排目标分配给属于和不属于研究对象的排放源，则模型所研究的部门2050年的排放总量不得超过7100万吨（参见图5）。图图6：德国二氧化碳排放量的变化情况。资料来源：自行计算。二氧化碳排放（百万吨）二氧化碳排放（百万吨）其他部门 纳入考察的部门 气候政策目标 3400万吨二氧化碳 7100万吨二氧化碳 能源系统的进一步脱碳预计需要应用基于电的（碳氢化合）氢能且达到工业规模化的使用程度。研究假设，这类能源的产地位于具有良好区位条件的欧洲以外地区，生产后出口至欧洲和德国。2.2.32.2.3 未来的能源基础设施未来的能源基础设施 能源系统模型从电力、热力和交通运输部门现有或已计划的能源基础设施出发，计算成本最低的扩建需求（能源生产、储能和转换技术，以及跨境贸易能力）。我们在这个过程中考虑到技术和经济潜力、接受因素以及可再生能源和其他技术的政策目标。人们对可再生能源的接受度和对环境保护举措的理解通过额外土地限制得到了加强，这也降低了可以挖掘的潜力。另外，我们假定整个欧洲到2050年将完全脱碳，能源部门不采用碳收集和碳储存技术。电力部门电力部门 2050年，电力将基本上或完全依靠零碳的方式生成。除了风能、太阳能光伏和水力等可再生能源之外，热电联产的气体和蒸汽组合轮机、汽轮机和德国以外地区的核电厂也在其列。跨境电力交易的能力至少达到十年电网发展规划2018全球气候行动情景分析中针对目标年2040年的规定值。1200 1000 800 600 400 200 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 17 热力部门热力部门 热力供应原则上通过小区或大型热网及分布式的供热方式。为此可采用下列技术：燃气冷凝锅炉、热泵、电阻采暖设备、热电联产的气体和蒸汽组合轮机、燃气热电厂和太阳能热力厂，再加上热水储存设备的使用。热泵借助环境热量，相对于其他技术具有非常高的有效系数。假设热功率与驱动能（电力）的平均比率为3。电动出行领域的储能容量电动出行领域的储能容量 电动汽车可用的技术储能容量大致是1太瓦时。相比之下：德国抽水蓄能电站的储能容量目前约为40吉瓦时。交通运输行业交通运输行业 此外假定，交通运输部门在脱碳过程中主要用电动汽车（80%）和燃料电池车辆（20%）取代内燃机车辆。电池电动车辆的储存容量也可以部分用于平衡电力部门的供求关系。我们假设，用于此目的的技术储能容量技术储能容量约为1太瓦时，但因用户行为的问题，该储能容量仅部分开放给能源系统。气体部门气体部门 气体部门包括了天然气、合成甲烷、沼气和氢气。合成甲烷可以通过电解和萨巴蒂耶（Sabatier）工艺由水、二氧化碳和电力生成。假定二氧化碳供应来自于大气中的捕集（直接空气捕获DAC）。能源和经济体系的全面脱碳使得其他二氧化碳来源的可用性有限。因利用环境大气中的二氧化碳捕集，制造合成甲烷的整个工艺有效系数相对较低（使用电力生成合成甲烷的整个工艺有效系数为60%（Brown,Schlachtberger,Kies,Schramm,&Greiner,2018）。使用其他二氧化碳来源，例如水泥、钢和铝生产中的二氧化碳捕集和储存，有助于达到更高的有效系数。然而，出于上述技术细节的深度问题，本次研究无法将这类工艺纳入考虑范畴。气态能源可以借助现有的天然气基础设施进行运输和储存，借助各种技术用于电力和热力生产，也可以作为燃料直接用于燃料电池车辆。与电力、热力和交通运输部门相比，现有天然气基础设施的储存能力和效率相对较高。将不超过5%的氢气混合到天然气网的做法具有技术上的可行性。至于更高的混合比例是否可行，这也是当前研究的一大主题，但在本文中未加以考虑。我们假设2050年将不再为生物质能源应用项目提供资助，但沼气厂负责把生物废料加工成沼气，制备成具有天然气形式的气体，然后输送入天然气网络（德国联邦能源与水经济协会，2019）。天然气作为燃料的进口成本价格假设为21.60欧元/MWhth（定价基于较高的热值）（Schrder,Kunz,Meiss,Mendelvitch,&von Hirschhausen,2013）。由可再生电力制成的合成甲烷作为燃料的进口成本价格为120欧元/MWhth（Agora，2018）。18 2.2.42.2.4 终端能源终端能源消费的发展消费的发展 提示信息：净电力需求提示信息：净电力需求（净）电力需求包括电力的终端能源消耗以及热力、气体和交通运输部门的电力需求，但发电厂的自身能耗和电网损耗排除在外。电网损耗电网损耗 电网损耗这个概念指的是输电或变压过程中损失的电力。电网损耗可视为馈送点处的能量读数与最终用户处的计费能量之间的差值。（Dipl.-Ing.Zebisch,1959）从油箱到车轮从油箱到车轮“从油箱到车轮”指将加油或充电的能源转换为行驶公里数的效率（从车辆中的能源储存设备到行驶公里数）。（德国联邦环境署，2013）电力部门电力部门 研究假定电力终端能源消耗到2050年基本保持稳定，提升能效的措施和耗电设备（主要因为数字化）的增加两者的作用正好抵消。2050年的终端能源消耗以2017年的电力需求净值电力需求净值为基础（德国：520太瓦时）（德国联邦经济及能源部，2019a）。在计算终端能源消耗时，用电需求净值去除了热力和交通运输的用电量：用电需求净值中扣除了室内采暖和热水制备的用电量（51太瓦时），以及燃气烹饪和柴油铁路运输的完全电气化所需的电力需求（19太瓦时）。由此得到的终端能源消耗为488太瓦时电力。根据预分析，电网损耗估计为39太瓦时。事后的电网计算得出实际的电网损耗电网损耗是37太瓦时，与估计值相差不大。由此可得，2050年电力的终端能源消耗加上电网损耗总共为527太瓦时。因热电联产而产生的额外电力需求（例如电动汽车充电或热泵的电力消耗）也体现在模拟结果中，将在章节2.3中另行介绍。热力热力部门部门 研究假定，建筑部门的热力终端能源消耗因能效提升到2050年有明显的下降。我们预计德国家庭、工商业、贸易和服务的室内采暖、热水制备和其他工艺用热的终端能源消耗量为427太瓦时。本研究未考虑工业的热力终端能源消耗（理由见章节2.2.2）。为了确保网络规划的切实可行，我们