劉雋琦，趙 琳，廖 宇，劉友波

（1. 德國華人新能源協(xié)會,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)代城市生活運作的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,其碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃及實施對“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,最終達到凈零排放目標(biāo)［1-2］。這對城市能源系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)、商業(yè)運營模式和可持續(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［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?？蚣堋Ｎ墨I［3］對城市建筑能源系統(tǒng)中可再生能源的建模和潛力評估、用能分析等方面進行了深入的回顧分析,提出了針對建筑能源系統(tǒng)的聚類分析和建模方法以及運行控制優(yōu)化框架。文獻［4］針對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［5-6］對目前德國建筑領(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制問題做出了分析和總結(jié)。文獻［7-8］從城市能源系統(tǒng)的基本含義、對經(jīng)濟和碳中和發(fā)展的影響出發(fā),對德國城市能源系統(tǒng)中的供電、供熱和電動交通系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了宏觀分析,并提出了行動舉措建議和方案框架。文獻［9］對當(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)性進行了評估。文獻［10］對德國城鎮(zhèn)居民光伏儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計要求、技術(shù)方案和市場滲透率做出了分析比較,并對光儲系統(tǒng)的滲透率、與電網(wǎng)的互動應(yīng)用及影響進行了評估。

現(xiàn)有的研究和文獻主要針對城市能源系統(tǒng)的模型、仿真和優(yōu)化等頂層設(shè)計和規(guī)劃技術(shù),但少有對政策環(huán)境、創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用和可持續(xù)的商業(yè)運營模式在實踐驗證和市場推廣的全面整理和探討。本文將重點從實踐驗證和市場運營角度出發(fā),對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,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 個不同維度進行頂層設(shè)計、精細規(guī)劃和穩(wěn)步實施,并對實施過程中的問題、成熟度和效用進行長期跟蹤和評估。

根據(jù)文獻［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)展的評估可包含能源系統(tǒng)、環(huán)境保護、市場經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展4 個方面,如圖1 所示。本文從能源技術(shù)和市場經(jīng)濟性兩方面對德國城市能源系統(tǒng)的4 個子系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行簡短分析。

圖1 德國城市能源系統(tǒng)碳中和發(fā)展評估框架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)電量的比例達到近46%的歷史高點［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)致城市電力運營商面臨不斷增加的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn),具體歸納為以下幾點。

1）城市配電臺區(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、運行、監(jiān)測等方面數(shù)據(jù)處理的頻率和效率。

2）電動汽車和充電樁的推廣使充電負荷迅速增長。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)之間謹慎選擇。

3）隨著引入針對分布式能源接入的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)公司需要加強與其他能源網(wǎng)絡(luò)的互動,提高信息采集和分析能力,以提高電網(wǎng)運行可靠性,優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃方案。

5）配電網(wǎng)運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,靈活性市場還需進一步開發(fā)并驗證其宏觀經(jīng)濟及市場經(jīng)濟的可行性［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)。現(xiàn)階段,德國城市的主要供熱方式有:熱電廠遠程集中供熱、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。為了達到優(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、燃氣供能系統(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)化對實現(xiàn)碳中和目標(biāo)舉足輕重。

從1990 年代開始,德國就啟動建筑領(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,并開展被動式能源房屋、主動式能源房屋的技術(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立設(shè)計、實施和運行,未能實現(xiàn)真正的耦合和經(jīng)濟性最優(yōu)。

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

作為傳統(tǒng)的交通和汽車強國,德國交通領(lǐng)域的燃油替代和電動化的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型進展并不順利。德國交通領(lǐng)域的碳排放在20世紀90年代呈上升趨勢,進入21 世紀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)的減排進一步降低,勉強達到歐盟目標(biāo)。德國制定了2030 年電動汽車保有量達到1 000萬輛,以及建成100 萬個公共充電樁的交通電動化目標(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；

3）小區(qū)、辦公樓宇、購物中心等高密度地區(qū)的電動汽車無序充電,與整個配電臺區(qū)容量的矛盾日益凸顯出來,對電網(wǎng)的影響還有待進一步落地檢驗；

4）新冠疫情之后,德國民眾出行將以電動汽車和自行車為主,以公共交通為輔,同時,更多通過共享電動租車、共享電動單車等低碳模式出行是未來的趨勢。這對交通及其相關(guān)的電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和升級提出了新的挑戰(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 個維度進行分析和總結(jié)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)和項目的投入以及實踐示范經(jīng)驗總結(jié),圖2 對德國城市能源系統(tǒng)的關(guān)鍵減碳措施和技術(shù)從成本和潛力角度的評估進行了匯總,并將在后文作進一步介紹分析。圖中,V2G 表示電轉(zhuǎn)氣。

圖2 德國城市能源系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和關(guān)鍵創(chuàng)新措施評估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

對于促進可再生能源的使用,德國政府采取了了不同的補貼政策引導(dǎo)。隨著新能源產(chǎn)品逐漸成熟,政策的趨勢將是補貼政策的逐漸減少甚至取消,取而代之的是法律義務(wù)下的強制安裝。在2021 年德國新政府上臺后,能源部提出了從2020 年起,引入在新建建筑屋頂強制安裝光伏發(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,而德國各個聯(lián)邦州對于風(fēng)機到住宅的距離有嚴格的規(guī)定［13］,使得風(fēng)力發(fā)電在城市能源系統(tǒng)中占比很小。

德國補貼政策主要應(yīng)用于新能源發(fā)電、安裝光伏儲能系統(tǒng)、利用可再生能源的電動汽車充電系統(tǒng)等。在補貼之外,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)中將對業(yè)主更具有吸引力。戶用儲能系統(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)邦政府及各個聯(lián)邦州都出臺了關(guān)于儲能的補貼政策。

2）建筑能源政策

德國于2020 年底頒布并實施新建筑能源法案,對新建建筑和節(jié)能改造出臺了新規(guī)定,比如新建住宅房屋必須達到超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn),并加入對屋頂光伏、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,同時規(guī)定這兩種高能耗技術(shù)的退役步驟,以此激勵系統(tǒng)改造。同時結(jié)合歐盟環(huán) 境-社會-治理（environmental-social-governance,ESG）可持續(xù)發(fā)展規(guī)則要求,推動綠色資產(chǎn)金融服務(wù),鼓勵綠色建筑認證。

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,并制定強制改造規(guī)劃要求。統(tǒng)籌、完善和簡化多項能源法規(guī)對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)濟性和推廣性。

3）電動交通政策

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

此外,德國政府已頒布多個充電新基建及運營相關(guān)法案,定義充電樁基建運營商（CPO）（類似電網(wǎng)運營公司）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)公司未來重點趨勢是加大數(shù)字化轉(zhuǎn)型的力度,通過以下手段來提高對于電網(wǎng)的感知力和控制力。

1）為了應(yīng)對不穩(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)進一步加強智能電網(wǎng)建設(shè),改造運營和調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)和規(guī)程,提高對中小型發(fā)電機組的控制能力。文獻［15］研究了一套基于中壓開關(guān)新型集成式傳感器,及自動機器學(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)測性維護系統(tǒng),實現(xiàn)面向未來配電網(wǎng)的低碳智能運行系統(tǒng)。

2）面對用戶側(cè)分布式光儲充等系統(tǒng)給配電網(wǎng)的建設(shè)和運行帶來的諸如電壓、潮流流向和設(shè)備負荷方面的巨大變化,配電網(wǎng)需要充分利用供電臺區(qū)內(nèi)分布式發(fā)電、儲能和用電設(shè)備（如電動汽車、熱泵和家庭儲能裝置）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,支持市場參與者有效挖掘分散的靈活性潛力,同時,保證市場操作的安全和透明度,實現(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)塊鏈平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible resource blockchain platform

3）通過推廣Redispatch 2.0 加強電網(wǎng)和VPP 及靈活資源聚集商的互動和合作,進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、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,實現(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)化以市場動態(tài)電價為引導(dǎo)的負荷側(cè)靈活資源響應(yīng)和電網(wǎng)激勵管理機制,比如引入動態(tài)過網(wǎng)費,也是德國城市配電網(wǎng)改革的重要研究方向［18］。

5）分布式氫儲能系統(tǒng)將會進入戶用領(lǐng)域。相較于電池的短時儲能應(yīng)用,氫能可以提供跨季度的長時儲能形式。比如可以將夏天的光伏發(fā)電電能以氫氣的形式儲存起來,在冬季通過燃料電池對供電系統(tǒng)進行供電。如德國HPS 公司已經(jīng)開始嘗試將電-氫-電的長時電解氫儲能模式進行商業(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。對城市各個能源系統(tǒng),如供暖、供氣、供水、供電系統(tǒng)進行3D 建模,將熱能和電力繪圖與城市和街區(qū)發(fā)展規(guī)劃進行對接。在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字孿生系統(tǒng),對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)嶋H用戶負荷消納、城市供應(yīng)能力以及碳排放指數(shù)進行數(shù)字化評估和優(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)、儲配站、計量及調(diào)壓等設(shè)施和技術(shù)可以快速、經(jīng)濟地將氫氣輸送給供熱系統(tǒng)。現(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）推動高溫集中式熱泵替代現(xiàn)有石化能源產(chǎn)熱為城市遠程供熱網(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］）對住宅、商業(yè)區(qū)和超市進行供熱。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)儲能裝置中。由于熱泵還可以進行反向制冷,使得這項技術(shù)可以在未來參與到熱能系統(tǒng)負荷的正向和反向調(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VPP,在提升新能源消納同時,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［25］中,針對包含光伏發(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?？紤]天氣預(yù)測、熱負荷預(yù)測、熱儲能和管網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)、電力市場價格等因素,對區(qū)域熱網(wǎng)系統(tǒng)運行模式進行小時級實時優(yōu)化和靈活調(diào)整,并將在示范項目中進行驗證［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、儲能和家用充電樁為一體的樓宇綜合能源系統(tǒng)以實現(xiàn)規(guī)模性應(yīng)用；另一方面,針對區(qū)域熱網(wǎng)的高溫?zé)岜靡仓鸩竭M入示范應(yīng)用階段。

2）進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,到實施和運營的全流程化及全景數(shù)字化,并設(shè)計可持續(xù)的運營模型。比如,針對面向社區(qū)建筑能源和用戶系統(tǒng)多樣而缺少統(tǒng)一規(guī)劃和評價指標(biāo)的問題,文獻［27］提出了包含光伏預(yù)測、碳排放計算、系統(tǒng)費用評價,結(jié)合地理信息分析、機器學(xué)習(xí)的綜合規(guī)劃仿真和運營優(yōu)化模型。文獻［28］研究并實現(xiàn)了一種集成自動建筑信息模型（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)改造項目中實現(xiàn)基于此模型的分布式能源模型預(yù)測優(yōu)化運行控制（MPC）的暖通和供能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和運行系統(tǒng)［29］。

3）擴大以零碳園區(qū)或零碳社區(qū)的整體方案和項目,對以地?zé)帷⒈罾?、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)實踐和推廣,同時,提高分布式光儲充系統(tǒng)滲透比例,打造多能互補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［30］針對包含100%的可再生電力供應(yīng)、電熱轉(zhuǎn)換的零排放供熱系統(tǒng)以及能源存儲單元的全電力零碳園區(qū),研究設(shè)計了一種多層級模型預(yù)測控制技術(shù)（HMPC）的能源數(shù)字管理平臺,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)進行BIM 建筑數(shù)字化建模和改造設(shè)計,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

為解決電動汽車在市內(nèi)或小區(qū)高密度區(qū)域的充電和負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)可自定義充電同時性特性、充電分配模式,集合實時臺區(qū)配電變壓器用電容量和負荷側(cè)監(jiān)測等技術(shù)手段,基于模型預(yù)測控制方法,實現(xiàn)靜態(tài)或動態(tài)自動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)合機器學(xué)習(xí)技術(shù),有效跟蹤和識別用戶或該區(qū)域用戶群體的充電行為,并結(jié)合進一步優(yōu)化充電管理模式。該技術(shù)方案可以有效減少與配電臺區(qū)管理的矛盾,保證設(shè)施的可擴展性,從而提高充電樁的投資及運營效益,已經(jīng)在商業(yè)項目中逐步落地推廣。

表1 智能充電管理模式對比Table 1 Comparison of intelligent charging management modes

2）V2G 充電與電網(wǎng)互動

德國在電動汽車為電網(wǎng)反向送電技術(shù)方面已有多項研究和技術(shù)示范,如文獻［34-35］對德國V2G為輸電網(wǎng)提供系統(tǒng)服務(wù)的潛力進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 研究的重點是進行真實系統(tǒng)實踐和市場推廣。德國輸電網(wǎng)運營商Tennet 聯(lián)合汽車企業(yè)、充電服務(wù)商TMH通過實踐示范,基于分布式區(qū)域控制、區(qū)塊鏈能源和碳排放計量,將電動汽車當(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、多階段多場景的實踐應(yīng)用項目,對電動汽車在真實場景中的充電同時性特性、與配電網(wǎng)提供需求管理互動等進行了深入分析、實踐和模式驗證,并將引入日常運營［37］。此類智能充電與電網(wǎng)互動的實踐驗證表明,基于網(wǎng)費減免、附加補貼等相關(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),打造跨運營商、跨境的高可信、防篡改、自動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)建開放運營生態(tài)系統(tǒng)［38-39］。

另一方面,德國政府從2021 年底將電動汽車充電也納入了碳配額交易,規(guī)定每位電動汽車車主可以出售自己的減碳配額。針對此類電動汽車碳配額交易的創(chuàng)新數(shù)字化及區(qū)塊鏈平臺服務(wù)也應(yīng)運而生,為電動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 示范項目及應(yīng)用示例

德國政府對城市能源系統(tǒng)的碳中和改造和升級投入了大量財政補貼,積極支持技術(shù)成熟度（technology readiness level,TRL）接近市場化（TRL 大于7）的實踐示范項目。表2 匯總了具有代表性的示范項目,并對其中4 個有代表性的項目做簡要介紹。

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

1）TransUrban.NRW 項目目的是研究和探索處在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進程中的典型煤炭礦區(qū)的城市供熱新思路,這對于建設(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)帷U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 個城鎮(zhèn)中進行實踐示范。此外,該項目的數(shù)字化平臺建設(shè)了以電、熱、冷3 種載體動態(tài)仿真和優(yōu)化的模型,加以經(jīng)濟性與減碳的雙重優(yōu)化對城市級的綜合能源供應(yīng)提出了極有建設(shè)意義的思路［41］。

2）CrossChargePoint 項目為在不同規(guī)模和經(jīng)濟特征的城鎮(zhèn)實施的基于不同儲能、充電設(shè)施的VPP示范項目,主要以快充和需求側(cè)負荷管理來實施對交通和能源系統(tǒng)的整體優(yōu)化。同時,基于電轉(zhuǎn)氣（P2G）和燃料電池實現(xiàn)氫能和純電的新能源汽車與電網(wǎng)、分布式儲能的互動,并且參與電力市場以激勵不同車輛的充電與駕駛行為。針對源網(wǎng)荷之間互動的VPP、需求響應(yīng)（DR）、V2G、P2G 等多系統(tǒng)多平臺數(shù)據(jù)和通信標(biāo)準(zhǔn)混亂和欠缺的問題,本項目開發(fā)了一體化rEMS 云平臺,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 項目旨在設(shè)計一個以園區(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)、有機建筑光伏、基于園區(qū)電池儲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估機制的多能耦合及互補能源管控平臺,以實現(xiàn)對現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)的零碳改造［43］。

4）TbiEnergy 項目以區(qū)塊鏈技術(shù)對智能電網(wǎng)的底層運行機制進行重構(gòu),用智能合約對一個城市的基礎(chǔ)設(shè)施的供需方的實時在線交易進行優(yōu)化和安全機制保障,充分發(fā)揮“Proof of Stake”關(guān)聯(lián)交易驗證技術(shù),保障隔墻售電和用戶間互動行為與潛力的數(shù)字化運營,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)展對中國的借鑒意義

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

1）為應(yīng)對當(dāng)下歐洲的能源供應(yīng)危機,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)前提下同時確定進一步加速推進新能源的推廣,以實現(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,推動可再生能源的高效利用,最終實現(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,以逐步實現(xiàn)可持續(xù)化長期目標(biāo)。特別是在綜合能源多能互補、能源數(shù)字化以及源網(wǎng)荷儲充售等領(lǐng)域,從技術(shù)研發(fā)、市場政策及模式的設(shè)計以及引導(dǎo)規(guī)?；l(fā)展等方面提供了有價值的參考。此外,引導(dǎo)金融系統(tǒng)對碳中和項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)險意識,同時通過交易市場建設(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)品從示范項目到產(chǎn)業(yè)落地推廣形成了聯(lián)邦和地方政府各自補貼,大公司小公司各有貢獻的共享型協(xié)作體系。特別是各種智慧綜合能源示范項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地讓地方研究機構(gòu)和中小創(chuàng)新公司加入,提升整個行業(yè)的零碳意識和人人有為的參與意識。

5 結(jié)語

本文對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)進行了整理和分析,并對各領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)及其模式創(chuàng)新以及重點實踐示范項目進行了詳細總結(jié)。面對未來的國際能源環(huán)境和發(fā)展趨勢,以兼顧能源自主安全和碳中和發(fā)展平衡為整體目標(biāo),德國還需要進一步調(diào)整和改進頂層設(shè)計、政策制定和技術(shù)及市場創(chuàng)新。而德國城市能源系統(tǒng)將進一步突出能源互聯(lián),多能互補的技術(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。