劉雋琦，趙 琳，廖 宇，劉友波

（1. 德國華人新能源協(xié)會(huì),法蘭克福 60311,德國；2. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川省成都市 610065）

0 引言

城市能源系統(tǒng)作為支撐現(xiàn)代城市生活運(yùn)作的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,其碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃及實(shí)施對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略具有舉足輕重的作用。按照巴黎氣候協(xié)定、歐盟環(huán)境法案以及德國環(huán)境保護(hù)法,要改善全球溫室效應(yīng)需要減少溫室氣體（包含CO2、CH4等6 種氣體,或按照CO2當(dāng)量值）的排放,最終達(dá)到凈零排放目標(biāo)［1-2］。這對(duì)城市能源系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)、商業(yè)運(yùn)營模式和可持續(xù)發(fā)展提出了巨大的挑戰(zhàn)。

歐洲在城市能源系統(tǒng)的定義、規(guī)劃建模、可再生能源應(yīng)用、建筑節(jié)能、減排方法及優(yōu)化的方法論和技術(shù)等方面已經(jīng)做過不少相關(guān)研究工作。文獻(xiàn)［1］通過整理和分析大量城市能源建模研究工作的基本方法,歸納并提出了加入土地規(guī)劃模型和交通模型、引入數(shù)據(jù)整合技術(shù)和靈敏度分析的城市能源系統(tǒng)建?？蚣?。文獻(xiàn)［3］對(duì)城市建筑能源系統(tǒng)中可再生能源的建模和潛力評(píng)估、用能分析等方面進(jìn)行了深入的回顧分析,提出了針對(duì)建筑能源系統(tǒng)的聚類分析和建模方法以及運(yùn)行控制優(yōu)化框架。文獻(xiàn)［4］針對(duì)分布式能源的高滲透問題,集合其政策性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性三方面的相關(guān)條件及要求,提出一種面向城市分布式能源服務(wù)最優(yōu)化的多目標(biāo)多規(guī)則優(yōu)化方法框架。文獻(xiàn)［5-6］對(duì)目前德國建筑領(lǐng)域的能源生產(chǎn)和消耗結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排及碳中和的政策機(jī)制問題做出了分析和總結(jié)。文獻(xiàn)［7-8］從城市能源系統(tǒng)的基本含義、對(duì)經(jīng)濟(jì)和碳中和發(fā)展的影響出發(fā),對(duì)德國城市能源系統(tǒng)中的供電、供熱和電動(dòng)交通系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了宏觀分析,并提出了行動(dòng)舉措建議和方案框架。文獻(xiàn)［9］對(duì)當(dāng)前智慧城市中智慧交通和出行的政策、創(chuàng)新技術(shù)和解決方案做了深入整理和分析,在能源消耗、環(huán)境影響和碳排放等方面的可持續(xù)性進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)［10］對(duì)德國城鎮(zhèn)居民光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、技術(shù)方案和市場滲透率做出了分析比較,并對(duì)光儲(chǔ)系統(tǒng)的滲透率、與電網(wǎng)的互動(dòng)應(yīng)用及影響進(jìn)行了評(píng)估。

現(xiàn)有的研究和文獻(xiàn)主要針對(duì)城市能源系統(tǒng)的模型、仿真和優(yōu)化等頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃技術(shù),但少有對(duì)政策環(huán)境、創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用和可持續(xù)的商業(yè)運(yùn)營模式在實(shí)踐驗(yàn)證和市場推廣的全面整理和探討。本文將重點(diǎn)從實(shí)踐驗(yàn)證和市場運(yùn)營角度出發(fā),對(duì)德國城市能源體系中的電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、建筑能源、交通能源等主要組成領(lǐng)域的現(xiàn)狀和主要挑戰(zhàn)進(jìn)行整理和分析,總結(jié)和提煉出各領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上,評(píng)估德國碳中和戰(zhàn)略中政策、技術(shù)和市場模式有效的匹配和互動(dòng),從而形成可復(fù)制、可持續(xù)模式的發(fā)展方式。

1 德國城市能源系統(tǒng)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

城市能源系統(tǒng)碳中和發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵是需要從政策、技術(shù)和市場3 個(gè)不同維度進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)、精細(xì)規(guī)劃和穩(wěn)步實(shí)施,并對(duì)實(shí)施過程中的問題、成熟度和效用進(jìn)行長期跟蹤和評(píng)估。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］提出的德國城市能源系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)框架,城市能源系統(tǒng)碳中和發(fā)展的評(píng)估可包含能源系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)、市場經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展4 個(gè)方面,如圖1 所示。本文從能源技術(shù)和市場經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)德國城市能源系統(tǒng)的4 個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行簡短分析。

圖1 德國城市能源系統(tǒng)碳中和發(fā)展評(píng)估框架Fig.1 Evaluation framework for carbon neutrality development of German urban energy system

1.1 德國城市電力系統(tǒng)減排現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

得益于德國完備的新能源法的保障和完善的能源市場交易機(jī)制,新能源在德國電力系統(tǒng)中的比例不斷增加。在2020 年,新能源發(fā)電量的比例達(dá)到近46%的歷史高點(diǎn)［11］。在城市能源系統(tǒng)中,接入城市配電網(wǎng)的分布式屋頂光伏是主要的新能源電源。但由于城市中的建筑物密度大,產(chǎn)權(quán)及建筑用途復(fù)雜,老城保護(hù)和環(huán)保多方面的限制,城市中新能源發(fā)電僅能為城市電力能源提供小部分的能源補(bǔ)充。此外,基于生物質(zhì)能等小型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于辦公樓、高層住宅和商業(yè)區(qū)。

不斷變化的發(fā)電側(cè)和用電側(cè)需求將導(dǎo)致城市電力運(yùn)營商面臨不斷增加的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn),具體歸納為以下幾點(diǎn)。

1）城市配電臺(tái)區(qū)中發(fā)電裝置不多且小型化、碎片化,要求配電網(wǎng)公司顯著提高規(guī)劃、運(yùn)行、監(jiān)測等方面數(shù)據(jù)處理的頻率和效率。

2）電動(dòng)汽車和充電樁的推廣使充電負(fù)荷迅速增長。這使得電網(wǎng)公司需要在電網(wǎng)再投資和投入新調(diào)控技術(shù)之間謹(jǐn)慎選擇。

3）隨著引入針對(duì)分布式能源接入的Redispatch 2.0（二次調(diào)度）,導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)度的復(fù)雜性提高。配電網(wǎng)公司將面臨電網(wǎng)調(diào)控技術(shù)和成本上的挑戰(zhàn)。

4）隨著多能互補(bǔ)及能源互聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展,配電網(wǎng)公司需要加強(qiáng)與其他能源網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng),提高信息采集和分析能力,以提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性,優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃方案。

5）配電網(wǎng)運(yùn)營商缺少有效的市場手段調(diào)配供電區(qū)域內(nèi)的靈活性資源以實(shí)現(xiàn)可再生能源的就地消納,但未來需要主導(dǎo)區(qū)域靈活性市場。目前,靈活性市場還需進(jìn)一步開發(fā)并驗(yàn)證其宏觀經(jīng)濟(jì)及市場經(jīng)濟(jì)的可行性［12］。

1.2 德國城市供熱系統(tǒng)減排現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

與城市電力供應(yīng)同樣重要的還有城市熱能供應(yīng)以及與其緊密相連的天然氣供應(yīng)?，F(xiàn)階段,德國城市的主要供熱方式有:熱電廠遠(yuǎn)程集中供熱、基于天然氣網(wǎng)的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱及入戶式供熱、樓宇柴油供熱、樓宇電熱及熱泵系統(tǒng)供熱和光熱輔助供能。

在能源供給方面,德國還十分依賴天然氣及柴油等傳統(tǒng)石化能源。城市遠(yuǎn)程供暖網(wǎng)絡(luò)并不能完全滿足供熱需求,而在住宅中供熱系統(tǒng)基于本地安裝的小型低效供熱系統(tǒng)。近年來,越來越多替代傳統(tǒng)能源的供熱方式被采納,如利用生物質(zhì)能的小型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置,燃料電池、太陽能光熱以及基于熱泵的電能替代技術(shù)等。

然而,現(xiàn)階段城市熱能系統(tǒng)的主要問題是缺少規(guī)模效應(yīng)。由于城市產(chǎn)權(quán)、使用目的和建造年代等多種因素的約束,供暖的解決方案呈現(xiàn)出多樣化、不兼容、不互聯(lián)的特點(diǎn)。為了達(dá)到優(yōu)化和改造現(xiàn)有供熱系統(tǒng),提高系統(tǒng)效率,減少碳排放的目的,就需要根據(jù)不同需求狀況,制定不同的政策和解決方案。但這也同時(shí)加大了供熱問題的難度和深度。

1.3 德國城市建筑能源系統(tǒng)減排現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

德國總共擁有近2 170 萬棟住宅建筑以及工商用和公共建筑,而其中使用燃油、燃?xì)夤┠芟到y(tǒng)的高耗能老式建筑占到了70%。2020 年德國建筑領(lǐng)域總能耗為8 650 億kW·h,用能占到了全國總能源消耗的近40%［6］,占總碳排放比例的近25%。由此可見,建筑領(lǐng)域的減排和能耗優(yōu)化對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)舉足輕重。

從1990 年代開始,德國就啟動(dòng)建筑領(lǐng)域節(jié)能減排,制定建筑節(jié)能法案法規(guī)以及統(tǒng)一的能耗標(biāo)準(zhǔn)證書,并開展被動(dòng)式能源房屋、主動(dòng)式能源房屋的技術(shù)研究及示范。但到目前,建筑領(lǐng)域的減排總體進(jìn)展大大低于預(yù)期,其面臨的主要挑戰(zhàn),表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面:

1）建筑領(lǐng)域能源結(jié)構(gòu)依舊老化,特別是供熱系統(tǒng),使用傳統(tǒng)燃油和天然氣供暖的占比依舊很大；

2）舊房節(jié)能改造的成本居高不下,且未能打破“投資-收益-困境”的經(jīng)濟(jì)難題,還未形成成熟可持續(xù)的商業(yè)模式；

3）分布式能源在建筑領(lǐng)域和用戶側(cè)的應(yīng)用雖然催生了新的商業(yè)模式,如Mieterstrom 鄰里售電（類似國內(nèi)隔墻售電）和供熱微網(wǎng)等,但各子系統(tǒng)和其模式還主要是獨(dú)立設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行,未能實(shí)現(xiàn)真正的耦合和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

1.4 德國城市電動(dòng)交通系統(tǒng)減排現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

作為傳統(tǒng)的交通和汽車強(qiáng)國,德國交通領(lǐng)域的燃油替代和電動(dòng)化的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型進(jìn)展并不順利。德國交通領(lǐng)域的碳排放在20世紀(jì)90年代呈上升趨勢(shì),進(jìn)入21 世紀(jì)小幅下降后基本都保持在年排放量1.65 億t左右。直到2020 年受新冠疫情的影響,出行減少才使交通行業(yè)的減排進(jìn)一步降低,勉強(qiáng)達(dá)到歐盟目標(biāo)。德國制定了2030 年電動(dòng)汽車保有量達(dá)到1 000萬輛,以及建成100 萬個(gè)公共充電樁的交通電動(dòng)化目標(biāo)。而德國的軌道交通基本已經(jīng)完成了電氣化,如德國高鐵系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)綠電供應(yīng)。

目前德國城市交通領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)為:

1）新建設(shè)充電樁網(wǎng)絡(luò),特別是公共充電樁的滲透率,明顯落后于新能源車輛的增速；

2）雖然德國已經(jīng)定義了統(tǒng)一完善的充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求,但高度的市場化要求跨售電商充電結(jié)算、跨國漫游充電,還需要進(jìn)一步打破技術(shù)和市場壁壘,降低充電成本和提高用戶充電體驗(yàn)；

3）小區(qū)、辦公樓宇、購物中心等高密度地區(qū)的電動(dòng)汽車無序充電,與整個(gè)配電臺(tái)區(qū)容量的矛盾日益凸顯出來,對(duì)電網(wǎng)的影響還有待進(jìn)一步落地檢驗(yàn)；

4）新冠疫情之后,德國民眾出行將以電動(dòng)汽車和自行車為主,以公共交通為輔,同時(shí),更多通過共享電動(dòng)租車、共享電動(dòng)單車等低碳模式出行是未來的趨勢(shì)。這對(duì)交通及其相關(guān)的電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和升級(jí)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 德國碳中和城市能源系統(tǒng)創(chuàng)新

本章將對(duì)德國碳中和城市能源系統(tǒng)的政策發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新以及模式創(chuàng)新3 個(gè)維度進(jìn)行分析和總結(jié)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)和項(xiàng)目的投入以及實(shí)踐示范經(jīng)驗(yàn)總結(jié),圖2 對(duì)德國城市能源系統(tǒng)的關(guān)鍵減碳措施和技術(shù)從成本和潛力角度的評(píng)估進(jìn)行了匯總,并將在后文作進(jìn)一步介紹分析。圖中,V2G 表示電轉(zhuǎn)氣。

圖2 德國城市能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和關(guān)鍵創(chuàng)新措施評(píng)估Fig.2 Evaluation of key innovative measures to achieve carbon neutrality in German urban energy system

2.1 政策發(fā)展

1）供能系統(tǒng)政策

對(duì)于促進(jìn)可再生能源的使用,德國政府采取了了不同的補(bǔ)貼政策引導(dǎo)。隨著新能源產(chǎn)品逐漸成熟,政策的趨勢(shì)將是補(bǔ)貼政策的逐漸減少甚至取消,取而代之的是法律義務(wù)下的強(qiáng)制安裝。在2021 年德國新政府上臺(tái)后,能源部提出了從2020 年起,引入在新建建筑屋頂強(qiáng)制安裝光伏發(fā)電和光熱裝置義務(wù)的建議［11］。在此政策執(zhí)行以后,將有效加速分布式光伏裝置在城市電網(wǎng)的滲透率。在風(fēng)力發(fā)電方面,由于城市建筑密度大,而德國各個(gè)聯(lián)邦州對(duì)于風(fēng)機(jī)到住宅的距離有嚴(yán)格的規(guī)定［13］,使得風(fēng)力發(fā)電在城市能源系統(tǒng)中占比很小。

德國補(bǔ)貼政策主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、安裝光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)、利用可再生能源的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)等。在補(bǔ)貼之外,光伏發(fā)電商還可以參與電力市場交易來保證一定的收益。由于當(dāng)前德國的電價(jià)高企,通過光伏裝置生產(chǎn)自用電力而非回饋到電網(wǎng)中將對(duì)業(yè)主更具有吸引力。戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以使戶用光伏發(fā)電的自用率提高到55%［14］。目前,德國聯(lián)邦政府及各個(gè)聯(lián)邦州都出臺(tái)了關(guān)于儲(chǔ)能的補(bǔ)貼政策。

2）建筑能源政策

德國于2020 年底頒布并實(shí)施新建筑能源法案,對(duì)新建建筑和節(jié)能改造出臺(tái)了新規(guī)定,比如新建住宅房屋必須達(dá)到超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn),并加入對(duì)屋頂光伏、充電樁配置的規(guī)定。

從2020 年將階梯碳稅引入建筑供暖領(lǐng)域,增加燃油和天然氣供暖成本,同時(shí)規(guī)定這兩種高能耗技術(shù)的退役步驟,以此激勵(lì)系統(tǒng)改造。同時(shí)結(jié)合歐盟環(huán) 境-社會(huì)-治理（environmental-social-governance,ESG）可持續(xù)發(fā)展規(guī)則要求,推動(dòng)綠色資產(chǎn)金融服務(wù),鼓勵(lì)綠色建筑認(rèn)證。

通過政策引導(dǎo)改變投資收益關(guān)系,刺激各方節(jié)能改造的積極性,并制定強(qiáng)制改造規(guī)劃要求。統(tǒng)籌、完善和簡化多項(xiàng)能源法規(guī)對(duì)建筑能源中新能源隔墻售電、自發(fā)自用微電網(wǎng)、虛擬電廠（VPP）等新技術(shù)和業(yè)務(wù)模式的流程和稅收模型,以助提高其經(jīng)濟(jì)性和推廣性。

3）電動(dòng)交通政策

德國政府制定了到2030 年電動(dòng)交通發(fā)展目標(biāo),配以針對(duì)交通樞紐超級(jí)充電站、公共充電樁以及非私人充電樁總計(jì)超過10 億歐元的補(bǔ)貼政策。在未來,結(jié)合屋頂光伏和儲(chǔ)能設(shè)備的綠色充電模式也將是政策支持和補(bǔ)貼的主要方向。

此外,德國政府已頒布多個(gè)充電新基建及運(yùn)營相關(guān)法案,定義充電樁基建運(yùn)營商（CPO）（類似電網(wǎng)運(yùn)營公司）和充電服務(wù)商（EMP）（類似售電公司）兩類市場角色,將類似售電市場的充分競爭引入充電服務(wù)領(lǐng)域,為用戶能夠根據(jù)自身需要更加靈活的選擇和匹配整套充電服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 城市能源系統(tǒng)技術(shù)及商業(yè)模式創(chuàng)新

2.2.1 城市電力能源系統(tǒng)碳中和創(chuàng)新

城市配電網(wǎng)公司未來重點(diǎn)趨勢(shì)是加大數(shù)字化轉(zhuǎn)型的力度,通過以下手段來提高對(duì)于電網(wǎng)的感知力和控制力。

1）為了應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定的分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)造成的影響,城市配電網(wǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè),改造運(yùn)營和調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)和規(guī)程,提高對(duì)中小型發(fā)電機(jī)組的控制能力。文獻(xiàn)［15］研究了一套基于中壓開關(guān)新型集成式傳感器,及自動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合人在回路的人工智能技術(shù)的配電網(wǎng)數(shù)字孿生監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)面向未來配電網(wǎng)的低碳智能運(yùn)行系統(tǒng)。

2）面對(duì)用戶側(cè)分布式光儲(chǔ)充等系統(tǒng)給配電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行帶來的諸如電壓、潮流流向和設(shè)備負(fù)荷方面的巨大變化,配電網(wǎng)需要充分利用供電臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和用電設(shè)備（如電動(dòng)汽車、熱泵和家庭儲(chǔ)能裝置）的靈活能力。通過基于分散式解決方案的靈活資源區(qū)塊鏈平臺(tái),支持市場參與者有效挖掘分散的靈活性潛力,同時(shí),保證市場操作的安全和透明度,實(shí)現(xiàn)靈活性資源碳排放的靈活管控［16］,如圖3 所示,圖中,P2X 表示電轉(zhuǎn)X（包括熱、氣等）。

圖3 靈活資源區(qū)塊鏈平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible resource blockchain platform

3）通過推廣Redispatch 2.0 加強(qiáng)電網(wǎng)和VPP 及靈活資源聚集商的互動(dòng)和合作,進(jìn)一步提高分布式能源的電網(wǎng)和市場接入,為城市電網(wǎng)提供更多的靈活性支持。通過靈活資源聚合管理技術(shù),提高用戶自用電及優(yōu)化資源池經(jīng)濟(jì)性,為電網(wǎng)調(diào)控提供更多手段和模式［17］。

4）以電網(wǎng)為基礎(chǔ),打破電、熱、儲(chǔ)、充、氣之間的物理壁壘,打造不同系統(tǒng)之間的信息和通信平臺(tái),實(shí)現(xiàn)全方位的多能互聯(lián)。其中,未來如何更好地結(jié)合及優(yōu)化以市場動(dòng)態(tài)電價(jià)為引導(dǎo)的負(fù)荷側(cè)靈活資源響應(yīng)和電網(wǎng)激勵(lì)管理機(jī)制,比如引入動(dòng)態(tài)過網(wǎng)費(fèi),也是德國城市配電網(wǎng)改革的重要研究方向［18］。

5）分布式氫儲(chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入戶用領(lǐng)域。相較于電池的短時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用,氫能可以提供跨季度的長時(shí)儲(chǔ)能形式。比如可以將夏天的光伏發(fā)電電能以氫氣的形式儲(chǔ)存起來,在冬季通過燃料電池對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行供電。如德國HPS 公司已經(jīng)開始嘗試將電-氫-電的長時(shí)電解氫儲(chǔ)能模式進(jìn)行商業(yè)化［19］。

2.2.2 城市供熱系統(tǒng)碳中和創(chuàng)新

1）建立城市統(tǒng)一的能源管網(wǎng)數(shù)字化在線管理平臺(tái)。對(duì)城市各個(gè)能源系統(tǒng),如供暖、供氣、供水、供電系統(tǒng)進(jìn)行3D 建模,將熱能和電力繪圖與城市和街區(qū)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行對(duì)接。在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字孿生系統(tǒng),對(duì)未來城市新能源建設(shè)和低碳布局規(guī)劃提供基礎(chǔ)性服務(wù),并著重在城市供暖領(lǐng)域?qū)?shí)際用戶負(fù)荷消納、城市供應(yīng)能力以及碳排放指數(shù)進(jìn)行數(shù)字化評(píng)估和優(yōu)化［20-21］。

2）加速氫能在未來城市供氣供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過改造現(xiàn)有的天然氣輸配管網(wǎng)、儲(chǔ)配站、計(jì)量及調(diào)壓等設(shè)施和技術(shù)可以快速、經(jīng)濟(jì)地將氫氣輸送給供熱系統(tǒng)?，F(xiàn)階段主要研究工作集中在如何提高氫氣在天然氣管網(wǎng)中的混入比例。如在德國巴登-符騰堡州電網(wǎng)公司的氫能區(qū)域示范項(xiàng)目中,將氫氣混合比例從目前技術(shù)規(guī)范要求的10% 提高到了

30%［22］。

3）推動(dòng)高溫集中式熱泵替代現(xiàn)有石化能源產(chǎn)熱為城市遠(yuǎn)程供熱網(wǎng)供熱。大型高溫?zé)岜迷谇鍧崯嵩春涂稍偕茉窗l(fā)電的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)需求將廢熱的溫度水平提高到99 ℃左右,從而為城市主要區(qū)域的高密度用戶供熱［23］。

4）區(qū)域低溫?zé)峋W(wǎng):通過熱泵轉(zhuǎn)化廢氣、廢水?？衫脧U熱系統(tǒng)中的熱能（如分布式數(shù)據(jù)中心的高效余熱轉(zhuǎn)換技術(shù)［24］）對(duì)住宅、商業(yè)區(qū)和超市進(jìn)行供熱。低溫?zé)峋W(wǎng)可以有效地將不同的熱源和熱需求結(jié)合在同一系統(tǒng)中,集中利用熱源,并將熱能回收到系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置中。由于熱泵還可以進(jìn)行反向制冷,使得這項(xiàng)技術(shù)可以在未來參與到熱能系統(tǒng)負(fù)荷的正向和反向調(diào)節(jié)中。

5）德國利用電轉(zhuǎn)熱（P2H）技術(shù)結(jié)合熱網(wǎng)熱慣性并整合進(jìn)VPP,在提升新能源消納同時(shí),也可以通過電力輔助市場提供電網(wǎng)輔助服務(wù)。比如文獻(xiàn)［25］中,針對(duì)包含光伏發(fā)電、光熱、P2H 結(jié)合地源熱泵技術(shù)的區(qū)域混合熱網(wǎng)系統(tǒng),研究并提出一種基于貝葉斯正規(guī)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制方法。考慮天氣預(yù)測、熱負(fù)荷預(yù)測、熱儲(chǔ)能和管網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)、電力市場價(jià)格等因素,對(duì)區(qū)域熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行小時(shí)級(jí)實(shí)時(shí)優(yōu)化和靈活調(diào)整,并將在示范項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證［26］。

2.2.3 建筑能源系統(tǒng)碳中和創(chuàng)新

1）德國建筑能源系統(tǒng)下一步電氣化主要集中在通過集合清潔熱源的熱泵技術(shù)以替代傳統(tǒng)天然氣或燃油供暖。一方面,新建樓宇中熱泵應(yīng)用增長迅速,結(jié)合光伏、儲(chǔ)能和家用充電樁為一體的樓宇綜合能源系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)規(guī)模性應(yīng)用；另一方面,針對(duì)區(qū)域熱網(wǎng)的高溫?zé)岜靡仓鸩竭M(jìn)入示范應(yīng)用階段。

2）進(jìn)一步推廣建筑能源數(shù)字化規(guī)劃和節(jié)能優(yōu)化,打造從基于數(shù)字孿生的規(guī)劃和設(shè)計(jì),到實(shí)施和運(yùn)營的全流程化及全景數(shù)字化,并設(shè)計(jì)可持續(xù)的運(yùn)營模型。比如,針對(duì)面向社區(qū)建筑能源和用戶系統(tǒng)多樣而缺少統(tǒng)一規(guī)劃和評(píng)價(jià)指標(biāo)的問題,文獻(xiàn)［27］提出了包含光伏預(yù)測、碳排放計(jì)算、系統(tǒng)費(fèi)用評(píng)價(jià),結(jié)合地理信息分析、機(jī)器學(xué)習(xí)的綜合規(guī)劃仿真和運(yùn)營優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［28］研究并實(shí)現(xiàn)了一種集成自動(dòng)建筑信息模型（BIM）樓宇結(jié)構(gòu)和能源混合模型生成方法,并在零碳建筑社區(qū)改造項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)基于此模型的分布式能源模型預(yù)測優(yōu)化運(yùn)行控制（MPC）的暖通和供能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行系統(tǒng)［29］。

3）擴(kuò)大以零碳園區(qū)或零碳社區(qū)的整體方案和項(xiàng)目,對(duì)以地?zé)?、冰蓄冷、廢熱等清潔熱源配合熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)的新型供熱系統(tǒng)實(shí)踐和推廣,同時(shí),提高分布式光儲(chǔ)充系統(tǒng)滲透比例,打造多能互補(bǔ)或全電能替代的零碳園區(qū)及社區(qū)數(shù)字化能源管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)［30］針對(duì)包含100%的可再生電力供應(yīng)、電熱轉(zhuǎn)換的零排放供熱系統(tǒng)以及能源存儲(chǔ)單元的全電力零碳園區(qū),研究設(shè)計(jì)了一種多層級(jí)模型預(yù)測控制技術(shù)（HMPC）的能源數(shù)字管理平臺(tái),并結(jié)合長期全電力供能合作及合約模式應(yīng)用到柏林地區(qū)全新的碳中和創(chuàng)新工業(yè)園區(qū)［31］。

4）推動(dòng)老舊建筑資產(chǎn)能耗數(shù)字化管理和大數(shù)據(jù)分析,大力推廣流程數(shù)字化裝配式節(jié)能改造,比如energiesprong 流程化裝配式節(jié)能改造方案。首先應(yīng)用全景3D 掃描技術(shù)進(jìn)行BIM 建筑數(shù)字化建模和改造設(shè)計(jì),同步到工業(yè)4.0 靈活定制化的建筑和供能設(shè)備模塊生產(chǎn)及供應(yīng)鏈管理；最后,通過數(shù)字化工地實(shí)施,打造全流程定制化的碳中和節(jié)能改造解決方案,并能夠大幅縮短改造工期和成本［32］。

2.2.4 城市電動(dòng)交通系統(tǒng)碳中和創(chuàng)新

1）用戶側(cè)有序智能充電管理

為解決電動(dòng)汽車在市內(nèi)或小區(qū)高密度區(qū)域的充電和負(fù)荷管理之間的矛盾問題,德國相關(guān)技術(shù)服務(wù)商研發(fā)并實(shí)踐了多種充電管理模式,如表1 所示。其主要目標(biāo)是從用戶側(cè)入手,根據(jù)可自定義充電同時(shí)性特性、充電分配模式,集合實(shí)時(shí)臺(tái)區(qū)配電變壓器用電容量和負(fù)荷側(cè)監(jiān)測等技術(shù)手段,基于模型預(yù)測控制方法,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)自動(dòng)匹配配電變壓器富余容量資源的多模式多場景智能充電管理［33］。此外,通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),有效跟蹤和識(shí)別用戶或該區(qū)域用戶群體的充電行為,并結(jié)合進(jìn)一步優(yōu)化充電管理模式。該技術(shù)方案可以有效減少與配電臺(tái)區(qū)管理的矛盾,保證設(shè)施的可擴(kuò)展性,從而提高充電樁的投資及運(yùn)營效益,已經(jīng)在商業(yè)項(xiàng)目中逐步落地推廣。

表1 智能充電管理模式對(duì)比Table 1 Comparison of intelligent charging management modes

2）V2G 充電與電網(wǎng)互動(dòng)

德國在電動(dòng)汽車為電網(wǎng)反向送電技術(shù)方面已有多項(xiàng)研究和技術(shù)示范,如文獻(xiàn)［34-35］對(duì)德國V2G為輸電網(wǎng)提供系統(tǒng)服務(wù)的潛力進(jìn)行了深入分析并提供了一種分散式控制策論框架。下一步,V2G 研究的重點(diǎn)是進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)實(shí)踐和市場推廣。德國輸電網(wǎng)運(yùn)營商Tennet 聯(lián)合汽車企業(yè)、充電服務(wù)商TMH通過實(shí)踐示范,基于分布式區(qū)域控制、區(qū)塊鏈能源和碳排放計(jì)量,將電動(dòng)汽車當(dāng)做用戶側(cè)靈活資源集成到電網(wǎng)再調(diào)度和阻塞管理系統(tǒng)和流程中［36］。德國配電網(wǎng)運(yùn)營公司巴登-符騰堡電網(wǎng)已經(jīng)通過多用戶參與、多階段多場景的實(shí)踐應(yīng)用項(xiàng)目,對(duì)電動(dòng)汽車在真實(shí)場景中的充電同時(shí)性特性、與配電網(wǎng)提供需求管理互動(dòng)等進(jìn)行了深入分析、實(shí)踐和模式驗(yàn)證,并將引入日常運(yùn)營［37］。此類智能充電與電網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐驗(yàn)證表明,基于網(wǎng)費(fèi)減免、附加補(bǔ)貼等相關(guān)收益可為充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商和終端用戶帶來增值收益,為電網(wǎng)的可持續(xù)運(yùn)營和商業(yè)模式的推廣奠定了基礎(chǔ)。

3）充電服務(wù)數(shù)字化和碳交易

一方面,針對(duì)充電服務(wù)高度市場化下跨服務(wù)商的充電結(jié)算、跨國漫游充電等問題,德國科研機(jī)構(gòu)和充電服務(wù)商通過大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈技術(shù),打造跨運(yùn)營商、跨境的高可信、防篡改、自動(dòng)化支付的高效充電支付和結(jié)算解決方案,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建開放運(yùn)營生態(tài)系統(tǒng)［38-39］。

另一方面,德國政府從2021 年底將電動(dòng)汽車充電也納入了碳配額交易,規(guī)定每位電動(dòng)汽車車主可以出售自己的減碳配額。針對(duì)此類電動(dòng)汽車碳配額交易的創(chuàng)新數(shù)字化及區(qū)塊鏈平臺(tái)服務(wù)也應(yīng)運(yùn)而生,為電動(dòng)汽車車主和充電服務(wù)上帶來了新的商業(yè)模式和變現(xiàn)渠道［40］。

3 示范項(xiàng)目及應(yīng)用示例

德國政府對(duì)城市能源系統(tǒng)的碳中和改造和升級(jí)投入了大量財(cái)政補(bǔ)貼,積極支持技術(shù)成熟度（technology readiness level,TRL）接近市場化（TRL 大于7）的實(shí)踐示范項(xiàng)目。表2 匯總了具有代表性的示范項(xiàng)目,并對(duì)其中4 個(gè)有代表性的項(xiàng)目做簡要介紹。

表2 德國城市能源系統(tǒng)碳中和項(xiàng)目匯總Table 2 Summary of carbon neutralization projects in German urban energy systems

1）TransUrban.NRW 項(xiàng)目目的是研究和探索處在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程中的典型煤炭礦區(qū)的城市供熱新思路,這對(duì)于建設(shè)于傳統(tǒng)能源發(fā)展期要完成新能源轉(zhuǎn)型的城市非常有借鑒意義。來自地?zé)?、廢水和低溫余熱的可再生能源應(yīng)大量應(yīng)用到供熱系統(tǒng)中,并結(jié)合P2H 和分布式能源站設(shè)計(jì)雙向低溫第5 代區(qū)域供熱管網(wǎng),并分別在北萊茵-威斯特法倫州的4 個(gè)城鎮(zhèn)中進(jìn)行實(shí)踐示范。此外,該項(xiàng)目的數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)了以電、熱、冷3 種載體動(dòng)態(tài)仿真和優(yōu)化的模型,加以經(jīng)濟(jì)性與減碳的雙重優(yōu)化對(duì)城市級(jí)的綜合能源供應(yīng)提出了極有建設(shè)意義的思路［41］。

2）CrossChargePoint 項(xiàng)目為在不同規(guī)模和經(jīng)濟(jì)特征的城鎮(zhèn)實(shí)施的基于不同儲(chǔ)能、充電設(shè)施的VPP示范項(xiàng)目,主要以快充和需求側(cè)負(fù)荷管理來實(shí)施對(duì)交通和能源系統(tǒng)的整體優(yōu)化。同時(shí),基于電轉(zhuǎn)氣（P2G）和燃料電池實(shí)現(xiàn)氫能和純電的新能源汽車與電網(wǎng)、分布式儲(chǔ)能的互動(dòng),并且參與電力市場以激勵(lì)不同車輛的充電與駕駛行為。針對(duì)源網(wǎng)荷之間互動(dòng)的VPP、需求響應(yīng)（DR）、V2G、P2G 等多系統(tǒng)多平臺(tái)數(shù)據(jù)和通信標(biāo)準(zhǔn)混亂和欠缺的問題,本項(xiàng)目開發(fā)了一體化rEMS 云平臺(tái),旨在打破數(shù)據(jù)孤島和系統(tǒng)壁壘,在交通轉(zhuǎn)型和能源轉(zhuǎn)型中起到積極示范作用［42］。

3）EnEff:Stadt InEs 項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)以園區(qū)內(nèi)部及附近的污水、廢熱、生物質(zhì)等清潔能源為基礎(chǔ),集成熱電聯(lián)產(chǎn)、有機(jī)建筑光伏、基于園區(qū)電池儲(chǔ)能和智能充電的需求響應(yīng)管理,引入新能源購電協(xié)議（PPA）模式、全過程碳足跡跟蹤和評(píng)估機(jī)制的多能耦合及互補(bǔ)能源管控平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)的零碳改造［43］。

4）TbiEnergy 項(xiàng)目以區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)的底層運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行重構(gòu),用智能合約對(duì)一個(gè)城市的基礎(chǔ)設(shè)施的供需方的實(shí)時(shí)在線交易進(jìn)行優(yōu)化和安全機(jī)制保障,充分發(fā)揮“Proof of Stake”關(guān)聯(lián)交易驗(yàn)證技術(shù),保障隔墻售電和用戶間互動(dòng)行為與潛力的數(shù)字化運(yùn)營,打造把區(qū)塊鏈和智慧城市能源供應(yīng)結(jié)合起來的解決方案。

4 德國城市能源系統(tǒng)碳中和發(fā)展對(duì)中國的借鑒意義

從德國對(duì)能源轉(zhuǎn)型和碳中和加速發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)來看,最值得借鑒和吸取經(jīng)驗(yàn)之處在于以下3 點(diǎn)。

1）為應(yīng)對(duì)當(dāng)下歐洲的能源供應(yīng)危機(jī),德國重新審視碳中和戰(zhàn)略與能源安全戰(zhàn)略之間的平衡關(guān)系,在保證包含化石能源的安全供應(yīng)前提下同時(shí)確定進(jìn)一步加速推進(jìn)新能源的推廣,以實(shí)現(xiàn)最終的能源自主和安全。這也說明,碳中和發(fā)展首先要立足能源安全,推動(dòng)可再生能源的高效利用,最終實(shí)現(xiàn)未來綠色能源體系。

2）德國碳中和戰(zhàn)略是在能源、交通、建筑等主要領(lǐng)域同步開展,并兼顧政策、技術(shù)和市場三方面的協(xié)調(diào)發(fā)展,以逐步實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化長期目標(biāo)。特別是在綜合能源多能互補(bǔ)、能源數(shù)字化以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)充售等領(lǐng)域,從技術(shù)研發(fā)、市場政策及模式的設(shè)計(jì)以及引導(dǎo)規(guī)?；l(fā)展等方面提供了有價(jià)值的參考。此外,引導(dǎo)金融系統(tǒng)對(duì)碳中和項(xiàng)目的投入和收益測算保證了金融系統(tǒng)足夠的支撐和風(fēng)險(xiǎn)意識(shí),同時(shí)通過交易市場建設(shè)為碳中和技術(shù)和服務(wù)落地的新型商業(yè)模式提供基礎(chǔ)。

3）德國碳中和技術(shù)和產(chǎn)品從示范項(xiàng)目到產(chǎn)業(yè)落地推廣形成了聯(lián)邦和地方政府各自補(bǔ)貼,大公司小公司各有貢獻(xiàn)的共享型協(xié)作體系。特別是各種智慧綜合能源示范項(xiàng)目落地并不只集中在大型城市,而是分散在中小城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村振興型新城等地區(qū),并因地制宜和有意識(shí)地讓地方研究機(jī)構(gòu)和中小創(chuàng)新公司加入,提升整個(gè)行業(yè)的零碳意識(shí)和人人有為的參與意識(shí)。

5 結(jié)語

本文對(duì)德國城市能源體系中的電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、建筑能源、交通能源等主要組成領(lǐng)域的發(fā)展過程及現(xiàn)狀和主要挑戰(zhàn)進(jìn)行了整理和分析,并對(duì)各領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)及其模式創(chuàng)新以及重點(diǎn)實(shí)踐示范項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。面對(duì)未來的國際能源環(huán)境和發(fā)展趨勢(shì),以兼顧能源自主安全和碳中和發(fā)展平衡為整體目標(biāo),德國還需要進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)頂層設(shè)計(jì)、政策制定和技術(shù)及市場創(chuàng)新。而德國城市能源系統(tǒng)將進(jìn)一步突出能源互聯(lián),多能互補(bǔ)的技術(shù)和模式結(jié)合,逐步過渡到以溫室氣體排放為主要調(diào)控和優(yōu)化目標(biāo),并通過數(shù)字化手段,從傳統(tǒng)的單一功能能源單元向綜合能源全景數(shù)字化和全周期管理發(fā)展。