中國與歐洲國家的電網規劃過程雖存在諸多不同,但隨著可再生能源利用的不斷增加,高比例可再生能源并網、遠距離輸電等問題是中國和歐洲面臨的共同挑戰。
在制定規劃時,歐洲的電網運營商基于氣候變化與能源政策,做出精細的情景模擬。其中,歐洲十年網絡發展規劃就考慮了基于氣候變化不同能源政策的三種情景;德國在制定《2019-2030年電網發展計劃》時,也基于2030年將可再生能源發電提高到65%的目標以及逐步退煤的建議,新增了2038年的無煤情景。
歐洲電網規劃中市場導向性更強,未來電力系統的電源配比,以及是否需要新建傳輸線等,均可通過市場模擬模型來解決。同時,公眾參與也是其制定規劃的重要環節。
德國如何在電網規劃中整合不同因素?
能源轉型對德國電網提出了巨大的挑戰。可再生能源發電受天氣條件影響,發電波動性較大,有時并網電量過多電網無法消納。德國的大型風電場主要建在北部,而南部和西部則是主要的電力負荷地,電網擴建跟不上可再生能源的發展步伐,因此經常出現輸電阻塞現象。有時甚至不得不關停整個風電場,以避免電網過載。2015年和2016年,德國因輸電阻塞造成的重新調度成本高達10億歐元/年。電網重新調度成本通過電網過路費最終會分攤到電力消費者身上。
為了減少輸電阻塞造成的成本,2016年,德國聯邦經濟和能源部牽頭成立了一個專門工作小組,研究相應對策,這個工作小組的研究結果認為,通過合理提高電源富集地現有電網的負荷率,可在中短期內減少約2億歐元的電網阻塞成本。近年來,德國提出了不同領域的電氣化方案(PowertoX),即基于可再生能源發電,在交通、工業、能源、建筑、供暖等領域應用電制氫、電制油、電制氣等,以此擴大綠色電力的使用,提高負荷率。
該小組同時指出,合理提高現有電網負荷率只是一個過渡性的解決方案,要持續提高電網的輸電能力,就必須擴建電網。因此,聯邦和州政府已做好相應準備,與50Hertz、Amprion、TenneT和TransnetBW這四大電網運營商共同開展電網的規劃和建設。
德國輸電網運營商在向政府提出電網規劃方案時,將時間跨度一直延續到了2030年。他們主要采用基于發展情景和市場模式的規劃方法,大致分為5個階段:包括情景框架、電網發展計劃與環境評估、聯邦要求計劃、聯邦及區域規劃與批準,最后才是開工建設。
德國電網規劃步驟
情景框架是電網發展規劃制定的基礎。輸電網運營商(TSOs)通常提前10年提出電網規劃方案。
通過情景框架把未來的電力生產和電力消費預測聯系起來,考慮的因素包括國民生產總值(GDP)預測,到2030年即將關停、退役的發電機組,可再生能源容量可信度,人口變化,用電量預測等,進而推算出未來全德國電網中需要輸送的電力情況,輸電網運營商利用這些數據進行市場模擬。
TSOs先把全德國的輸電需求值分解到各個地區,并計算出納入所有能源來源的情況下,每個電網節點所能提供的最大輸電功率,再通過模型計算出各地區的電力交換量值,在這一基礎上計算出輸電需求,即在高負荷情況下,輸電網必須有多少輸送電力的能力。
有了這些數據,TSOs就可與現有電網輸電能力和政府已經批準的電網擴建項目做對比,從而確定輸電網是否有足夠的輸送能力,還是必須做出進一步的改建或擴建。電網運營商提出計劃后,提交監管機構審核。
基于該計劃,第二年TSOs將做環境評估,同年8—10月再經由監管機構進行多輪咨詢,包括公共機構、個人等利益相關方都能提出意見,參與到電網規劃之中。在當年年底,監管機構會公布他們批準的未來十年新建電網規劃。供職于德國經濟與能源部的Schope博士向eo記者表示,通常情況下,TSOs提出的新建輸電網或既有輸電網的擴建需求,會超出立法者批準的輸電網項目擴建規模。
此后,聯邦電網管理局(BnetzA)會向政府提交通過審核和評估的新建線路提案,由政府提交議會。與此同時,第三年TSOs還將進行另一個情景模擬,于下一年提交BNetzA進行評估。最終議會會將這四年的評估結果打包形成一個法案(FederalRequirementPlan),法律上通過之后才可實施。
在第四階段,TSOs提交文件,聯邦或州政府進行規劃,劃定輸電線沿線的大致走廊,通常需要一到兩年,接著分到各區域來確定輸電線路的具體位置,TSOs才可以開工修建。在此期間,利益相關方還將提出其公共利益及環境訴求。
給規劃實施按下“加速鍵”
2017年初,輸電網運行商已就電網發展規劃草稿征詢了公眾的意見,并收到了2000余條反饋意見。修改后的規劃稿在當年5月提交給了BNetzA,評估后,BNetzA認為輸電網運行商在該版本的電網發展規劃中提出的160項措施中有90項是必要的,其它70項措施被認為“尚不能確認”。
2017年夏,BNetzA再次向公眾公布最新版的電網發展規劃征詢意見,所有感興趣的公眾在2017年10月16日前提出了自己對電網發展規劃的意見。此外,BNetzA還在多個時間段分別在萊比錫、杜塞爾多夫和漢堡舉行電網發展規劃信息介紹和咨詢活動。
廣泛的公眾參與之下,電網擴建仍然困難重重。Schope博士表示,主要問題在于,雖然德國議會已將擴建規劃納入《聯邦要求計劃》范圍,但剩下的溝通、實施仍需TSOs和公共機構去做。這個過程相當復雜,所以項目總是一拖再拖,最終能源部長就成為了“眾矢之的”。
德國經濟與能源部部長PeterAltmaier在2018年一上任,就將解決電網擴建的問題提為其任內的一項重要政治任務,對電網建設設立了嚴格的時間節點,德國聯邦政府也就此設計了6個時間節點,每個節點分別對應電網規劃的不同階段。
分別是區域規劃的提出請求和決定階段(Requestand decision on theregional planning),詳細規劃的提出請求和決定階段(Request and decision on the detailed planning)以及開始施工和調試階段(Beginning of construction and commissioning)。
BnetzA和區域當局會與TSOs之間商定時間目標,他們要求這些時間目標必須切合實際,而非基于“最佳假設”。同時,他們將每三個月對項目進展進行監督,對可能延期的項目采取措施。
歐洲結合能源政策的多情景模擬
在歐洲,可再生能源的發展離不開區域間協作。各國參與的區域電力市場(coupledmarket)和遠距離輸送(interconnections)對歐洲的電力平衡起到了關鍵作用。歐洲電網規劃中市場導向性更強,未來電力系統電源配比、是否需要修建新傳輸線等,均可通過市場模擬模型來解決。
2009年,由歐洲36個國家的43個輸電運營商共同組成了歐洲輸電運營商聯盟(European Network of Transmission System Operators for Electricity,ENTSO-E),該機構是歐洲電力領域最具影響力的機構之一。其主要職責包括制定電網規劃、協調電力輸送、制定電力市場標準、推動新能源發展等,旨在促進歐洲統一電力市場建設。
十年網絡發展規劃(Ten-Year Network Development Plan,TYNDP)是歐盟授權ENTSO-E推動輸電系統發展的長期規劃,其以十年為目標時間節點,每兩年定期發布,旨在實現歐洲能源轉型及低碳化發展。發展情景是規劃研究的核心。
2019年11月,ENTSO-E發布了十年網絡發展規劃2020年的情景模擬(TYNDP 2020 Scenario)。該計劃不僅評估了未來電力和天然氣基礎設施的項目需求,還考慮了天然氣和電力系統之間的相互作用,以此來評估多元能源系統的建設需求。
TYNDP的發展情景描述了未來實現歐洲排放目標的3種截然不同、但都富有挑戰性的路徑,具體指的是:
1.國家趨勢情景(National Trends Scenario)
反映各歐盟成員國的國家能源和氣候計劃(NECP)草案,并認可歐盟的氣候目標。
2.分布式能源情景(Distributed Energy)
產消合一,利用小規模發電、電池和電-氣轉換,消費者也可以向電力系統送電。
3.全球雄心情景(Global Ambition)
全力推進全球低碳化,大規模開發電力和天然氣領域的可再生能源,即控制全球升溫在1.5°C內。
TYNDP2020情景方案顯示,所有的情景都表明,到2025、2030和2040年,化石能源發電將穩步減少,風能和太陽能發電將大大增加。此外,水電和抽水蓄能發電略有增加,生物質能發電和其他可再生能源發電變化不大。但其他非可再生能源(主要是規模較小的熱電聯產)對于脫碳很重要。同時,3種場景表明,需求側和儲能技術有可能參與市場,并有助于調峰和降低電價水平。到2050年,歐洲的能源系統可以實現碳中和。
在無新增電網的情況下,一直到2040年,能源系統每年花費的成本將達到430億歐元。為了在2040年之前實現能源轉型,需要在輸電網上投資1400億歐元。到2025年,電網投資將主要集中在直流上。
2018年,ENTSO-E及歐洲輸氣運營商聯盟ENTSO-G首次聯手,共同研究提出了TYNDP2018,更加注重歐洲的清潔發展、跨國互聯和電氣化水平提升。該報告對如何實現高可再生能源占比的能源系統穩定性提出了具體目標,包括新建輸電網絡及相應的電源容量配比等。
該報告提出,到2030年,可再生能源覆蓋負荷需求的48%—58%,新建166個輸電工程,15個儲能工程(12個抽水蓄能、3個壓縮空氣儲能),二氧化碳減排量達到1990年水平的65%—75%,投資1140億歐元,每年節約發電成本20億—50億歐元。
到2040年,可再生能源覆蓋負荷需求的65%—81%,二氧化碳減排量達到1990年水平的80%—90%。通過網絡優化減少邊際發電成本3—14歐元/MWh、減少可再生能源電量消耗58—156TWh。
不難看出,歐洲的十年電網規劃是一個靈活性解決方案的組合,包括電網和儲能、需求側響應以及不同能源品類的耦合等,這也是實現穩定的