电网2050

电网2050 内容 01 内容提要03 1.0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205011 2.1.1能源系统的低碳化122.1.2电力需求的灵活性132.1.3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142.2.2气候和能源政策目标162.2.3未来的能源基础设施162.2.4终端能源消费的发展182.2.5关于区域化的假设19 2.3.1部门耦合能源互补：能源流192.3.2电力行业的未来212.3.3欧洲内部电力市场252.3.4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205031 3.12050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333.2.2特高压电网的负荷率343.2.3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393.3.2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413.4.2TransnetBW的一揽子措施413.4.3未来电网情况45 3.5.1与巴伐利亚州电网互联453.5.2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2050的问卷调查49 前言 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 德国和欧洲将实现气候保护目标 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。 通过电气化增加电力需求 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：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：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：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。 大刀阔斧的风能和光伏设施扩建德国能源转型的基础 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：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。 燃气发电厂确保供电安全 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。 更多的可再生能源，更多的电力运输——电网发展规划的输电网络还不足够 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。 数字化和创新推动电网的智能化发展 巴登-符腾堡州：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 巴登-符腾堡州（Baden-Württemberg，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：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。 扩建高压直流输电线路，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：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。 欧洲寄希望于可再生能源和强化能源交流 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 1.0研究动机 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。该目标已经确立。然而，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。 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