面对高比例可再生能源并网,德国是如何规划电网的?
发布者:lzx | 来源:南方能源观察 | 0评论 | 369查看 | 2020-02-27 17:56:43    

中国与欧洲国家的电网规划过程虽存在诸多不同,但随着可再生能源利用的不断增加,高比例可再生能源并网、远距离输电等问题是中国和欧洲面临的共同挑战。


在制定规划时,欧洲的电网运营商基于气候变化与能源政策,做出精细的情景模拟。其中,欧洲十年网络发展规划就考虑了基于气候变化不同能源政策的三种情景;德国在制定《2019-2030年电网发展计划》时,也基于2030年将可再生能源发电提高到65%的目标以及逐步退煤的建议,新增了2038年的无煤情景。


欧洲电网规划中市场导向性更强,未来电力系统的电源配比,以及是否需要新建传输线等,均可通过市场模拟模型来解决。同时,公众参与也是其制定规划的重要环节。


德国如何在电网规划中整合不同因素?


能源转型对德国电网提出了巨大的挑战。可再生能源发电受天气条件影响,发电波动性较大,有时并网电量过多电网无法消纳。德国的大型风电场主要建在北部,而南部和西部则是主要的电力负荷地,电网扩建跟不上可再生能源的发展步伐,因此经常出现输电阻塞现象。有时甚至不得不关停整个风电场,以避免电网过载。2015年和2016年,德国因输电阻塞造成的重新调度成本高达10亿欧元/年。电网重新调度成本通过电网过路费最终会分摊到电力消费者身上。


为了减少输电阻塞造成的成本,2016年,德国联邦经济和能源部牵头成立了一个专门工作小组,研究相应对策,这个工作小组的研究结果认为,通过合理提高电源富集地现有电网的负荷率,可在中短期内减少约2亿欧元的电网阻塞成本。近年来,德国提出了不同领域的电气化方案(PowertoX),即基于可再生能源发电,在交通、工业、能源、建筑、供暖等领域应用电制氢、电制油、电制气等,以此扩大绿色电力的使用,提高负荷率。


该小组同时指出,合理提高现有电网负荷率只是一个过渡性的解决方案,要持续提高电网的输电能力,就必须扩建电网。因此,联邦和州政府已做好相应准备,与50Hertz、Amprion、TenneT和TransnetBW这四大电网运营商共同开展电网的规划和建设。


德国输电网运营商在向政府提出电网规划方案时,将时间跨度一直延续到了2030年。他们主要采用基于发展情景和市场模式的规划方法,大致分为5个阶段:包括情景框架、电网发展计划与环境评估、联邦要求计划、联邦及区域规划与批准,最后才是开工建设。


德国电网规划步骤


情景框架是电网发展规划制定的基础。输电网运营商(TSOs)通常提前10年提出电网规划方案。


通过情景框架把未来的电力生产和电力消费预测联系起来,考虑的因素包括国民生产总值(GDP)预测,到2030年即将关停、退役的发电机组,可再生能源容量可信度,人口变化,用电量预测等,进而推算出未来全德国电网中需要输送的电力情况,输电网运营商利用这些数据进行市场模拟。


TSOs先把全德国的输电需求值分解到各个地区,并计算出纳入所有能源来源的情况下,每个电网节点所能提供的最大输电功率,再通过模型计算出各地区的电力交换量值,在这一基础上计算出输电需求,即在高负荷情况下,输电网必须有多少输送电力的能力。


有了这些数据,TSOs就可与现有电网输电能力和政府已经批准的电网扩建项目做对比,从而确定输电网是否有足够的输送能力,还是必须做出进一步的改建或扩建。电网运营商提出计划后,提交监管机构审核。


基于该计划,第二年TSOs将做环境评估,同年8—10月再经由监管机构进行多轮咨询,包括公共机构、个人等利益相关方都能提出意见,参与到电网规划之中。在当年年底,监管机构会公布他们批准的未来十年新建电网规划。供职于德国经济与能源部的Schope博士向eo记者表示,通常情况下,TSOs提出的新建输电网或既有输电网的扩建需求,会超出立法者批准的输电网项目扩建规模。


此后,联邦电网管理局(BnetzA)会向政府提交通过审核和评估的新建线路提案,由政府提交议会。与此同时,第三年TSOs还将进行另一个情景模拟,于下一年提交BNetzA进行评估。最终议会会将这四年的评估结果打包形成一个法案(FederalRequirementPlan),法律上通过之后才可实施。


在第四阶段,TSOs提交文件,联邦或州政府进行规划,划定输电线沿线的大致走廊,通常需要一到两年,接着分到各区域来确定输电线路的具体位置,TSOs才可以开工修建。在此期间,利益相关方还将提出其公共利益及环境诉求。


给规划实施按下“加速键”


2017年初,输电网运行商已就电网发展规划草稿征询了公众的意见,并收到了2000余条反馈意见。修改后的规划稿在当年5月提交给了BNetzA,评估后,BNetzA认为输电网运行商在该版本的电网发展规划中提出的160项措施中有90项是必要的,其它70项措施被认为“尚不能确认”。


2017年夏,BNetzA再次向公众公布最新版的电网发展规划征询意见,所有感兴趣的公众在2017年10月16日前提出了自己对电网发展规划的意见。此外,BNetzA还在多个时间段分别在莱比锡、杜塞尔多夫和汉堡举行电网发展规划信息介绍和咨询活动。


广泛的公众参与之下,电网扩建仍然困难重重。Schope博士表示,主要问题在于,虽然德国议会已将扩建规划纳入《联邦要求计划》范围,但剩下的沟通、实施仍需TSOs和公共机构去做。这个过程相当复杂,所以项目总是一拖再拖,最终能源部长就成为了“众矢之的”。


德国经济与能源部部长PeterAltmaier在2018年一上任,就将解决电网扩建的问题提为其任内的一项重要政治任务,对电网建设设立了严格的时间节点,德国联邦政府也就此设计了6个时间节点,每个节点分别对应电网规划的不同阶段。


分别是区域规划的提出请求和决定阶段(Requestand decision on theregional planning),详细规划的提出请求和决定阶段(Request and decision on the detailed planning)以及开始施工和调试阶段(Beginning of construction and commissioning)。


BnetzA和区域当局会与TSOs之间商定时间目标,他们要求这些时间目标必须切合实际,而非基于“最佳假设”。同时,他们将每三个月对项目进展进行监督,对可能延期的项目采取措施。


欧洲结合能源政策的多情景模拟


在欧洲,可再生能源的发展离不开区域间协作。各国参与的区域电力市场(coupledmarket)和远距离输送(interconnections)对欧洲的电力平衡起到了关键作用。欧洲电网规划中市场导向性更强,未来电力系统电源配比、是否需要修建新传输线等,均可通过市场模拟模型来解决。


2009年,由欧洲36个国家的43个输电运营商共同组成了欧洲输电运营商联盟(European Network of Transmission System Operators for Electricity,ENTSO-E),该机构是欧洲电力领域最具影响力的机构之一。其主要职责包括制定电网规划、协调电力输送、制定电力市场标准、推动新能源发展等,旨在促进欧洲统一电力市场建设。


十年网络发展规划(Ten-Year Network Development Plan,TYNDP)是欧盟授权ENTSO-E推动输电系统发展的长期规划,其以十年为目标时间节点,每两年定期发布,旨在实现欧洲能源转型及低碳化发展。发展情景是规划研究的核心。


2019年11月,ENTSO-E发布了十年网络发展规划2020年的情景模拟(TYNDP 2020 Scenario)。该计划不仅评估了未来电力和天然气基础设施的项目需求,还考虑了天然气和电力系统之间的相互作用,以此来评估多元能源系统的建设需求。


TYNDP的发展情景描述了未来实现欧洲排放目标的3种截然不同、但都富有挑战性的路径,具体指的是:


1.国家趋势情景(National Trends Scenario)


反映各欧盟成员国的国家能源和气候计划(NECP)草案,并认可欧盟的气候目标。


2.分布式能源情景(Distributed Energy)


产消合一,利用小规模发电、电池和电-气转换,消费者也可以向电力系统送电。


3.全球雄心情景(Global Ambition)


全力推进全球低碳化,大规模开发电力和天然气领域的可再生能源,即控制全球升温在1.5°C内。


TYNDP2020情景方案显示,所有的情景都表明,到2025、2030和2040年,化石能源发电将稳步减少,风能和太阳能发电将大大增加。此外,水电和抽水蓄能发电略有增加,生物质能发电和其他可再生能源发电变化不大。但其他非可再生能源(主要是规模较小的热电联产)对于脱碳很重要。同时,3种场景表明,需求侧和储能技术有可能参与市场,并有助于调峰和降低电价水平。到2050年,欧洲的能源系统可以实现碳中和。


在无新增电网的情况下,一直到2040年,能源系统每年花费的成本将达到430亿欧元。为了在2040年之前实现能源转型,需要在输电网上投资1400亿欧元。到2025年,电网投资将主要集中在直流上。


2018年,ENTSO-E及欧洲输气运营商联盟ENTSO-G首次联手,共同研究提出了TYNDP2018,更加注重欧洲的清洁发展、跨国互联和电气化水平提升。该报告对如何实现高可再生能源占比的能源系统稳定性提出了具体目标,包括新建输电网络及相应的电源容量配比等。


该报告提出,到2030年,可再生能源覆盖负荷需求的48%—58%,新建166个输电工程,15个储能工程(12个抽水蓄能、3个压缩空气储能),二氧化碳减排量达到1990年水平的65%—75%,投资1140亿欧元,每年节约发电成本20亿—50亿欧元。


到2040年,可再生能源覆盖负荷需求的65%—81%,二氧化碳减排量达到1990年水平的80%—90%。通过网络优化减少边际发电成本3—14欧元/MWh、减少可再生能源电量消耗58—156TWh。


不难看出,欧洲的十年电网规划是一个灵活性解决方案的组合,包括电网和储能、需求侧响应以及不同能源品类的耦合等,这也是实现稳定的

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