德意志聯(lián)邦共和國(guó)位于中歐，北鄰丹麥，西部與荷蘭、比利時(shí)、盧森堡和法國(guó)接壤，南鄰瑞士和奧地利，東部與捷克和波蘭接壤，領(lǐng)土面積 357167 平方公里，人口約8293 萬(wàn)人。德國(guó)是歐洲四大經(jīng)濟(jì)體之一，2018 年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）達(dá)到 4.0 萬(wàn)億美元。早在二十世紀(jì)八十年代德國(guó)就提出了可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，截至 2018 年底，德國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到 2.2 億千瓦，可再生能源占比超過(guò) 58.4%；德國(guó)國(guó)內(nèi)總發(fā)電量超過(guò) 5956 億千瓦時(shí)，可再生能源占比約為 35%，其中風(fēng)電發(fā)電量占比超過(guò) 17.2%，太陽(yáng)能發(fā)電量占比為 7.1%，生物質(zhì)發(fā)電量占比為 8.0%。
受生物質(zhì)發(fā)電成本和資源制約，風(fēng)電和光伏發(fā)電是德國(guó)可再生能源比重提升的主要依靠力量。但同時(shí)，風(fēng)電和光伏發(fā)電比重的大幅提高對(duì)于德國(guó)電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行也提出了更高要求。以 2019 年 1 月冬季為例，除去可再生能源供給后德國(guó)凈負(fù)荷的波動(dòng)性大幅增加。當(dāng)前德國(guó)通過(guò)充分挖掘火電機(jī)組、跨省區(qū)跨境輸電、需求側(cè)響應(yīng)以及儲(chǔ)能等不同途徑的靈活性潛力，利用多級(jí)市場(chǎng)，保障了其電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，控制可再生能源棄電率處于 2~4% 的合理范圍之內(nèi)。但隨著可再生能源發(fā)電量占比突破 30%，德國(guó)的棄風(fēng)率開始呈上升趨勢(shì)。
一、電源側(cè)靈活性資源情況
在德國(guó)火電、核電、抽水蓄能以及生物質(zhì)發(fā)電都被視為是可控電源。截至 2018 年底，德國(guó)可調(diào)度電源裝機(jī)容量達(dá)到 1.1 億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量的 50.2%。其中火電機(jī)組和抽水蓄能是電源側(cè)主要的靈活性來(lái)源，抽水蓄能將在后續(xù)儲(chǔ)能章節(jié)進(jìn)行介紹。
火電機(jī)組資源情況
德國(guó)的靈活火電機(jī)組主要包括四類：硬煤發(fā)電機(jī)組、褐煤發(fā)電機(jī)組、單循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組（OCGT）以及聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組（CCGT）。截至 2018 年底，德國(guó)火電發(fā)電裝機(jī)容量超過(guò) 8300 萬(wàn)千瓦，占國(guó)內(nèi)總裝機(jī)容量的 37.3%，其中褐煤裝機(jī)容量約為2120 萬(wàn)千瓦，硬煤為 2370 萬(wàn)千瓦，天然氣約為 2940 萬(wàn)千瓦；2018 年德國(guó)國(guó)內(nèi)火電發(fā)電量達(dá)到 3173 億千瓦時(shí)，占全國(guó)總發(fā)電量的 49.1%，其中褐煤發(fā)電量約為 1455 億千瓦時(shí)，硬煤為 832 億千瓦時(shí)，天然氣為 834 千瓦時(shí)。從機(jī)組類型來(lái)看，德國(guó)煤電以大型發(fā)電機(jī)組為主，約占 56.7%，其中 68.1% 的燃煤機(jī)組為熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機(jī)組，將近一半的單機(jī)容量在 60 萬(wàn)千瓦以上，35% 在 30 萬(wàn)千瓦到 60 萬(wàn)千瓦之間；燃?xì)鈾C(jī)組以小型發(fā)電機(jī)組為主，其中燃?xì)?CHP 占燃?xì)庋b機(jī)總量的 59.4%，絕大部分單機(jī)容量小于 30 萬(wàn)千瓦。
火電機(jī)組靈活性參數(shù)分析
隨著大量風(fēng)光可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，德國(guó)很多火電廠由于發(fā)電利用小時(shí)數(shù)偏低而面臨倒閉的風(fēng)險(xiǎn)，為此提供電力系統(tǒng)靈活性服務(wù)成為火電企業(yè)新的盈利點(diǎn)。德國(guó)火電企業(yè)主要通過(guò)降低最小出力、提高爬坡速率、縮短啟動(dòng)時(shí)間以及為 CHP 機(jī)組增加儲(chǔ)熱裝置等措施來(lái)提升機(jī)組的靈活性。四種火電機(jī)組中，總體來(lái)看 OCGT 靈活性最強(qiáng)，褐煤機(jī)組靈活性最差；常規(guī) OCGT 單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的平均爬坡率可以達(dá)到 8%~12%/ 分鐘，是其他機(jī)組的 4~6 倍，而熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)時(shí)間相比 CCGT 的 3~4 小時(shí)和煤電機(jī)組的 1~10 小時(shí)，OCGT 只需要 5~11 分鐘；硬煤機(jī)組最小穩(wěn)定出力優(yōu)勢(shì)明顯，可以壓至額定容量的
25~40%，其他三種機(jī)組最小穩(wěn)定出力可以降至 40%~60% 之間。
為進(jìn)一步挖掘電源側(cè)的靈活性資源，德國(guó)的火電機(jī)組也在不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和靈活性升級(jí)，其中褐煤機(jī)組優(yōu)化潛力最大，最先進(jìn)機(jī)組最小穩(wěn)定出力可以從額定容量的50%~60% 下降到 35%~50%，爬坡率從 1%~2%/ 分鐘提升到 2%~6%/ 分鐘，熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)時(shí)間可以分別從 4~6 小時(shí)、8~10 小時(shí)降低至 1.25~4 小時(shí)和 5~8 小時(shí)。燃?xì)鈾C(jī)組靈活性提升主要體現(xiàn)在最小出力的進(jìn)一步降低，先進(jìn)的 OCGT 和 CCGT 機(jī)組最小穩(wěn)定出力已經(jīng)可以達(dá)到與燃煤機(jī)組相同的水平，部分 OCGT 機(jī)組的最小穩(wěn)定出力甚至可以達(dá)到20%，未來(lái)隨著天然氣發(fā)電量占比不斷攀升，燃?xì)鈾C(jī)組有望成為德國(guó)最重要的電源側(cè)靈活性資源。
CHP 機(jī)組供暖季靈活性分析
德國(guó)的供暖季一般從當(dāng)年 10 月到次年 4 月，由于冬季 CHP 機(jī)組需優(yōu)先滿足供暖需求，隨著風(fēng)光占比的大幅提高，德國(guó)使用了大型儲(chǔ)熱設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn) CHP 機(jī)組的熱電解耦，提升火電的靈活性。例如位于德國(guó)杜塞爾多夫的 Lausward Fortuna 聯(lián)合循環(huán)燃?xì)?CHP電廠，建造了容量為 36000 平方米的世界第一大熱水儲(chǔ)熱罐，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)從熱啟動(dòng)到達(dá)滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)僅需 25 分鐘，不僅為電網(wǎng)提供了靈活性保障，同時(shí)即使電廠停運(yùn)也能滿足杜塞爾多夫整個(gè)城市多天的供暖需要。
二、 電網(wǎng)側(cè)靈活性資源情況
德國(guó)雖然可再生能源發(fā)電占比不斷提升，但其電力系統(tǒng)中斷時(shí)間（SAIDI）卻逐步走低，2018 年德國(guó) SAIDI 僅為 13.91 分鐘。然而，為了維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，近年來(lái)德國(guó)電網(wǎng)的阻塞管理成本大幅提高，2018 年其總成本是 2013 年的 6.7 倍。研究主要關(guān)注大電網(wǎng)的靈活互濟(jì)，因此本章節(jié)將著重介紹德國(guó)跨境輸電靈活性的釋放。
跨國(guó)電網(wǎng)靈活互濟(jì)狀況
德國(guó)境內(nèi)主干電網(wǎng)電壓等級(jí)主要為 220 千伏和 380 千伏，全國(guó)主干電網(wǎng)線路長(zhǎng)度約為 35000 公里，由四個(gè) TSO 企業(yè) Tennet、Amprion、50Hertz 以及 Transnet 分區(qū)進(jìn)行運(yùn)行和管理。同時(shí)德國(guó)是歐洲互聯(lián)電網(wǎng) ENTSO-E 的成員國(guó)之一，屬于五個(gè)同步區(qū)域之一的 UCTE；與區(qū)域內(nèi)國(guó)家主要通過(guò) 380~400 千伏（紅色）和 220 千伏（綠色）的交流輸電線路連接，與其他同步電網(wǎng)則通過(guò)高壓直流輸電線路（粉色）連接；目前德國(guó)與 9個(gè)鄰國(guó)開展實(shí)時(shí)跨國(guó)電力交換。
德國(guó)作為擁有高可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比的國(guó)家，跨境電力傳輸在可再生能源消納方面發(fā)揮了重要作用，例如當(dāng)?shù)聡?guó)可再生能源發(fā)電大發(fā)時(shí)刻，奧地利和盧森堡會(huì)從電力市場(chǎng)中購(gòu)買大量德國(guó)電力，以享受低廉的價(jià)格。同時(shí)在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)，跨境輸電也為德國(guó)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和安全供給提供了保障，例如 2015 年 3 月 20 日的“日食危機(jī)”，9~10 點(diǎn)之間德國(guó)從丹麥進(jìn)口電量增加了 169%，從對(duì)瑞典的電力出口轉(zhuǎn)向電力進(jìn)口，此外瑞士也為德國(guó)額外提供了 42.3 萬(wàn)千瓦的發(fā)電容量支持。
電網(wǎng)靈活性提升舉措
為提升電網(wǎng)靈活性、防止電網(wǎng)阻塞，德國(guó)采用 GORE 原則發(fā)展電網(wǎng)，即首選電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化，其次電網(wǎng)改造，最后電網(wǎng)擴(kuò)建。其中電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化包括遠(yuǎn)程控制可再生能源電站、建立實(shí)時(shí)發(fā)電數(shù)據(jù)追蹤系統(tǒng)等；電網(wǎng)改造包括增加輸電線路溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備、使用移相變壓器等；電網(wǎng)擴(kuò)建則重點(diǎn)需要考慮成本和公眾接受程度。
三、用戶側(cè)靈活性資源情況
德國(guó)的用戶側(cè)靈活性資源主要來(lái)自工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和居民，以價(jià)格型需求側(cè)管理為主。2014 年據(jù)德國(guó)航空航天中心（DLR）評(píng)估，德國(guó)“降低負(fù)荷”需求響應(yīng)的資源潛力達(dá)到 1380 萬(wàn)千瓦，約占德國(guó)最高負(fù)荷的 17%；“提升負(fù)荷”需求響應(yīng)的資源潛力達(dá)到3230 萬(wàn)千瓦，約占最高負(fù)荷的 40%。從經(jīng)濟(jì)性角度看，德國(guó)工業(yè)需求側(cè)響應(yīng)的固定成本在 0.2~8 歐元 / 千瓦之間，可變成本也不高于 0.5 歐元 / 千瓦，僅為發(fā)電機(jī)組靈活性改造的十分之一。盡管如此，目前可以實(shí)際規(guī)?；瘏⑴c靈活性服務(wù)的主要是工業(yè)領(lǐng)域的鋁企業(yè)。
工業(yè)負(fù)荷靈活性資源
工業(yè)用戶主要通過(guò)短暫加快或放緩生產(chǎn)活動(dòng)，或者改變生產(chǎn)時(shí)間來(lái)提供需求響應(yīng)。德國(guó)能源署（dena）研究表明，德國(guó)幾乎所有的工業(yè)部門如冶金業(yè)、化工、橡膠和塑料工業(yè)都能提供不同程度的需求側(cè)靈活性服務(wù)，其中大型高耗能企業(yè)可以獨(dú)立參與靈活性服務(wù)，而小型用能企業(yè)則通過(guò)虛擬電廠（VPP）模式集中參與。據(jù)德國(guó)能源經(jīng)濟(jì)研究中心（FfE）評(píng)估，德國(guó)擁有 900 萬(wàn)千瓦的工業(yè)負(fù)荷可以通過(guò)中斷的方式提供 5 分鐘以內(nèi)的需求側(cè)響應(yīng)，擁有 250 萬(wàn)千瓦的負(fù)荷可以連續(xù)提供 1 小時(shí)以上的靈活性服務(wù)。其中化工、冶金企業(yè)相較于其他部門擁有更大的需求響應(yīng)潛力，例如 Trimet 公司是德國(guó)最大的鋁生產(chǎn)和冶煉企業(yè)，也是德國(guó)最先進(jìn)的工業(yè)用戶靈活性供應(yīng)商，一秒鐘能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷8~60 萬(wàn)千瓦，可以為電力系統(tǒng)提供一級(jí)備用、二級(jí)備用以及可中斷負(fù)荷服務(wù)。
第三產(chǎn)業(yè)靈活性資源
據(jù)德國(guó)航空航天中心 2014 年的評(píng)估，德國(guó)第三產(chǎn)業(yè)“降低負(fù)荷”和“提升負(fù)荷”需求響應(yīng)的理論潛力超過(guò) 400 萬(wàn)千瓦，其中近一半的潛力來(lái)自于商業(yè)通風(fēng)。德國(guó)弗朗霍夫研究所（Fraunhofer ISI）通過(guò)對(duì) 1000 家服務(wù)業(yè)企業(yè)進(jìn)行采訪評(píng)估，發(fā)現(xiàn)酒店、辦公樓、餐廳等建筑物具有巨大的靈活性潛力，可以通過(guò) VPP 參與現(xiàn)貨市場(chǎng)或平衡市場(chǎng)作為二級(jí)備用和分鐘備用，但當(dāng)前缺少有效的激勵(lì)機(jī)制阻礙了服務(wù)業(yè)靈活性潛力的釋放。
電動(dòng)汽車靈活性資源
2018 年德國(guó) EV 數(shù)量達(dá)到 18 萬(wàn)輛，累計(jì)建設(shè)交流充電樁約 7900 個(gè)和直流充電樁超過(guò) 1400 個(gè)，目前已經(jīng)開始嘗試電動(dòng)汽車（EV）靈活性資源的利用，V2G 在部分地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入到試點(diǎn)階段。德國(guó) VPP 集成商 Next Kraftwerke 和荷蘭智能充電平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商Jedlix 計(jì)劃自 2019 年起，共同開展 EV 電池提供二級(jí)備用的試點(diǎn)項(xiàng)目，能為德國(guó)電力系統(tǒng)提供正向或負(fù)向的調(diào)頻服務(wù)。
四、儲(chǔ)能靈活性資源情況
德國(guó)儲(chǔ)能設(shè)施主要包括抽水蓄能、電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）以及電制 X （PtX）。截至 2018 年，德國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)容量已達(dá)到近 790 萬(wàn)千瓦，主要為電力系統(tǒng)提供快速和短期的靈活性服務(wù)，其中抽水蓄能仍然是德國(guó)目前裝機(jī)容量最大、經(jīng)濟(jì)性最好的儲(chǔ)能設(shè)施；隨著技術(shù)的發(fā)展和成本降低，電池儲(chǔ)能也開始進(jìn)入到大型商業(yè)化應(yīng)用階段，技術(shù)類型和商業(yè)模式逐漸多樣化；壓縮空氣儲(chǔ)能具有靈活性高且運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，但由于建設(shè)條件較為苛刻，目前德國(guó)僅有一個(gè)商業(yè)化運(yùn)行項(xiàng)目；當(dāng)前電制 X 在德國(guó)還處在小規(guī)模試驗(yàn)階段，預(yù)計(jì) 2020 年后才會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行。
抽水蓄能資源
德國(guó)從二十世紀(jì)五十年代末開始建設(shè)抽水蓄能電站，截至 2018 年底，境內(nèi)抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到 680 萬(wàn)千瓦，主要分布于德國(guó)中部和南部；除此之外，臨近的盧森堡、瑞士和奧地利約 300 萬(wàn)千瓦的抽水蓄能電站也由德國(guó)電網(wǎng)管理。德國(guó)抽水蓄能電站的最小穩(wěn)定出力一般約為額定容量的 30%，通?？梢栽?75 秒到 100 秒內(nèi)爬升至最大容量，并為電力平衡市場(chǎng)提供一級(jí)備用、二級(jí)備用和分鐘備用。例如德國(guó)最大的抽水蓄能電站 Goldisthal 位于圖林根州，裝機(jī)容量 106 萬(wàn)千瓦，在非高峰用電時(shí)段從褐煤發(fā)電廠購(gòu)買價(jià)格低廉的盈余電力蓄水，當(dāng)用電高峰來(lái)臨時(shí)參與電網(wǎng)的調(diào)峰服務(wù)，單機(jī)運(yùn)行容量能在數(shù)秒鐘內(nèi)從最低的 4 萬(wàn)千瓦上升到 26.5 萬(wàn)千瓦滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
電池儲(chǔ)能資源
隨著電池成本的下降，電池儲(chǔ)能近年來(lái)迎來(lái)了快速發(fā)展階段。2018 年德國(guó)電池儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到約 70 萬(wàn)千瓦，其中商用項(xiàng)目占比 52.9%，戶用項(xiàng)目占比 47.1%；目前電池儲(chǔ)能為德國(guó)電力系統(tǒng)提供一級(jí)備用、二級(jí)備用、平衡電網(wǎng)供需和提供無(wú)功補(bǔ)償?shù)?，其中提供一?jí)備用服務(wù)的商用電池裝機(jī)容量約為 37.1 萬(wàn)千瓦，以鋰電池為主。
壓縮空氣儲(chǔ)能資源
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)（CAES）早在二十世紀(jì)七十年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，它擁有啟動(dòng)時(shí)間短、啟動(dòng)穩(wěn)定以及爬坡快的優(yōu)勢(shì)，在德國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能通常為電網(wǎng)提供分鐘備用、調(diào)峰備用和對(duì)風(fēng)光進(jìn)行快速補(bǔ)償。目前德國(guó)擁有世界上最大、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的CAES 項(xiàng)目，總裝機(jī)容量為 321 兆瓦，可以在額定功率下連續(xù)供電 3 小時(shí)；該項(xiàng)目的啟動(dòng)時(shí)間一般為 10 到 12 分鐘，在緊急情況下甚至可以實(shí)現(xiàn) 5 分鐘冷啟動(dòng)；爬坡速率約為額定容量的 30%/ 分鐘，比最靈活的 CCGT（8%~12%/ 分鐘）還要快一倍以上，啟動(dòng)穩(wěn)定性可以達(dá)到 99%。
電制 X 資源
當(dāng)前德國(guó)的電制 X（PtX）項(xiàng)目主要有電制氫（PtH2）和電制甲烷（PtCH4）。截至 2018 年底，德國(guó)在運(yùn)的大于 50 kWel 的 PtX 項(xiàng)目總裝機(jī)容量達(dá)到 26 兆瓦，其中約17.5 兆瓦為電制氫項(xiàng)目，8.5 兆瓦為電制甲烷項(xiàng)目。利用系統(tǒng)中盈余的可再生能源，通過(guò)生產(chǎn) H2 和 CH4，德國(guó)的 PtX 項(xiàng)目能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供一定的靈活性。盡管目前在運(yùn)的 PtX 項(xiàng)目均屬于科研類項(xiàng)目或試點(diǎn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)盈利還有一定距離，但 PtX 在一定程度促進(jìn)了北部盈余風(fēng)電的消納。
五、靈活性市場(chǎng)機(jī)制情況
德國(guó)的各類靈活性資源可以通過(guò)平衡市場(chǎng)、現(xiàn)貨市場(chǎng)、電網(wǎng)阻塞管理以及平衡單元內(nèi)部平衡等方式參與靈活性市場(chǎng)。關(guān)于市場(chǎng)機(jī)制的更多細(xì)節(jié)，德國(guó)國(guó)際合作機(jī)構(gòu)（GIZ）的另一篇報(bào)告《德國(guó)電力市場(chǎng)靈活性》中將做詳細(xì)敘述。本章只對(duì)平衡市場(chǎng)的情況做簡(jiǎn)要概述，以便更好理解各類靈活性資源的特性。
根據(jù)靈活性需求的不同，在德國(guó)輸電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商（TSO）通過(guò)拍賣的形式確定提供服務(wù)的靈活性資源。一級(jí)備用通常在系統(tǒng)頻率出現(xiàn)較小波動(dòng)時(shí)自動(dòng)作出響應(yīng)；二級(jí)備用則用于系統(tǒng)頻率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)的非可預(yù)見事件；分鐘備用則可在大型或長(zhǎng)期停電事件中發(fā)揮作用，例如核電廠出現(xiàn)強(qiáng)制停機(jī)。由于一級(jí)備用和二級(jí)備用對(duì)響應(yīng)速度的要求較高，通常由火電機(jī)組、抽水蓄能電站、大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)以及少量電池儲(chǔ)能參與；分鐘備用則可以接納更多樣的靈活性資源，例如壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和通過(guò)虛擬電廠（VPP）集成的小型電力用戶等。
