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. 四川大學電氣工程學院,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鍵基礎設施,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需要減少溫室氣體（包含CO2、CH4等6 種氣體,或按照CO2當量值）的排放,最終達到凈零排放目標［1-2］。這對城市能源系統(tǒng)的技術系統(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、可再生能源應用、建筑節(jié)能、減排方法及優(yōu)化的方法論和技術等方面已經(jīng)做過不少相關研究工作。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)整合技術和靈敏度分析的城市能源系統(tǒng)建?？蚣?。文獻［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、技術性和經(jīng)濟性三方面的相關條件及要求,提出一種面向城市分布式能源服務最優(yōu)化的多目標多規(guī)則優(yōu)化方法框架。文獻［5-6］對目前德國建筑領域的能源生產(chǎn)和消耗結構、節(jié)能減排及碳中和的政策機制問題做出了分析和總結。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］對當前智慧城市中智慧交通和出行的政策、創(chuàng)新技術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)設計要求、技術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)化等頂層設計和規(guī)劃技術,但少有對政策環(huán)境、創(chuàng)新技術轉(zhuǎn)化應用和可持續(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域的現(xiàn)狀和主要挑戰(zhàn)進行整理和分析,總結和提煉出各領域關鍵技術和商業(yè)模式創(chuàng)新。在此基礎上,評估德國碳中和戰(zhàn)略中政策、技術和市場模式有效的匹配和互動,從而形成可復制、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)略的關鍵是需要從政策、技術和市場3 個不同維度進行頂層設計、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)權及建筑用途復雜,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)應用于辦公樓、高層住宅和商業(yè)區(qū)。

不斷變化的發(fā)電側和用電側需求將導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）,導致電網(wǎng)調(diào)度的復雜性提高。配電網(wǎng)公司將面臨電網(wǎng)調(diào)控技術和成本上的挑戰(zhàn)。

4）隨著多能互補及能源互聯(lián)技術的不斷發(fā)展,配電網(wǎng)公司需要加強與其他能源網(wǎng)絡的互動,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)

與城市電力供應同樣重要的還有城市熱能供應以及與其緊密相連的天然氣供應?，F(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。由于城市產(chǎn)權、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,建筑領域的減排和能耗優(yōu)化對實現(xiàn)碳中和目標舉足輕重。

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

1）建筑領域能源結構依舊老化,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域和用戶側的應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。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。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。

目前德國城市交通領域面臨的主要挑戰(zhàn)為:

1）新建設充電樁網(wǎng)絡,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)一完善的充電技術標準和要求,但高度的市場化要求跨售電商充電結算、跨國漫游充電,還需要進一步打破技術和市場壁壘,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。這對交通及其相關的電力網(wǎng)絡的規(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、技術創(chuàng)新以及模式創(chuàng)新3 個維度進行分析和總結。根據(jù)相關技術和項目的投入以及實踐示范經(jīng)驗總結,圖2 對德國城市能源系統(tǒng)的關鍵減碳措施和技術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。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)邦州對于風機到住宅的距離有嚴格的規(guī)定［13］,使得風力發(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準,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的退役步驟,以此激勵系統(tǒng)改造。同時結合歐盟環(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,鼓勵綠色建筑認證。

通過政策引導改變投資收益關系,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）等新技術和業(yè)務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,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,結合屋頂光伏和儲能設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領域,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奠定了良好的基礎。

2.2 城市能源系統(tǒng)技術及商業(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,改造運營和調(diào)度系統(tǒng)技術和規(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新型集成式傳感器,及自動機器學習結合人在回路的人工智能技術的配電網(wǎng)數(shù)字孿生監(jiān)測和預測性維護系統(tǒng),實現(xiàn)面向未來配電網(wǎng)的低碳智能運行系統(tǒng)。

2）面對用戶側分布式光儲充等系統(tǒng)給配電網(wǎng)的建設和運行帶來的諸如電壓、潮流流向和設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,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,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,未來如何更好地結合及優(yōu)化以市場動態(tài)電價為引導的負荷側靈活資源響應和電網(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)將會進入戶用領域。相較于電池的短時儲能應用,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。在此基礎上建立數(shù)字孿生系統(tǒng),對未來城市新能源建設和低碳布局規(guī)劃提供基礎性服務,并著重在城市供暖領域?qū)嶋H用戶負荷消納、城市供應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)壓等設施和技術可以快速、經(jīng)濟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)域示范項目中,將氫氣混合比例從目前技術規(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。大型高溫熱泵在清潔熱源和可再生能源發(fā)電的基礎上,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)域低溫熱網(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［24］）對住宅、商業(yè)區(qū)和超市進行供熱。低溫熱網(wǎng)可以有效地將不同的熱源和熱需求結合在同一系統(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）技術結合熱網(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。比如文獻［25］中,針對包含光伏發(fā)電、光熱、P2H 結合地源熱泵技術的區(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)絡的優(yōu)化控制方法?？紤]天氣預測、熱負荷預測、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,新建樓宇中熱泵應用增長迅速,結合光伏、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)模性應用；另一方面,針對區(qū)域熱網(wǎng)的高溫熱泵也逐步進入示范應用階段。

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)劃和設計,到實施和運營的全流程化及全景數(shù)字化,并設計可持續(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)劃和評價指標的問題,文獻［27］提出了包含光伏預測、碳排放計算、系統(tǒng)費用評價,結合地理信息分析、機器學習的綜合規(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）樓宇結構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測優(yōu)化運行控制（MPC）的暖通和供能系統(tǒng)優(yōu)化設計和運行系統(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,對以地熱、冰蓄冷、廢熱等清潔熱源配合熱泵技術為基礎的新型供熱系統(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、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),研究設計了一種多層級模型預測控制技術（HMPC）的能源數(shù)字管理平臺,并結合長期全電力供能合作及合約模式應用到柏林地區(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。首先應用全景3D 掃描技術進行BIM 建筑數(shù)字化建模和改造設計,同步到工業(yè)4.0 靈活定制化的建筑和供能設備模塊生產(chǎn)及供應鏈管理；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,德國相關技術服務商研發(fā)并實踐了多種充電管理模式,如表1 所示。其主要目標是從用戶側入手,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監(jiān)測等技術手段,基于模型預測控制方法,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,通過結合機器學習技術,有效跟蹤和識別用戶或該區(qū)域用戶群體的充電行為,并結合進一步優(yōu)化充電管理模式。該技術方案可以有效減少與配電臺區(qū)管理的矛盾,保證設施的可擴展性,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)反向送電技術方面已有多項研究和技術示范,如文獻［34-35］對德國V2G為輸電網(wǎng)提供系統(tǒng)服務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,將電動汽車當做用戶側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、附加補貼等相關收益可為充電網(wǎng)絡服務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。

3）充電服務數(shù)字化和碳交易

一方面,針對充電服務高度市場化下跨服務商的充電結算、跨國漫游充電等問題,德國科研機構和充電服務商通過大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈技術,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算解決方案,并在此基礎上構建開放運營生態(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)塊鏈平臺服務也應運而生,為電動汽車車主和充電服務上帶來了新的商業(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構轉(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。來自地熱、廢水和低溫余熱的可再生能源應大量應用到供熱系統(tǒng)中,并結合P2H 和分布式能源站設計雙向低溫第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提出了極有建設意義的思路［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、充電設施的VPP示范項目,主要以快充和需求側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（DR）、V2G、P2G 等多系統(tǒng)多平臺數(shù)據(jù)和通信標準混亂和欠缺的問題,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,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)塊鏈技術對智能電網(wǎng)的底層運行機制進行重構,用智能合約對一個城市的基礎設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”關聯(lián)交易驗證技術,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結合起來的解決方案。

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）為應對當下歐洲的能源供應危機,德國重新審視碳中和戰(zhàn)略與能源安全戰(zhàn)略之間的平衡關系,在保證包含化石能源的安全供應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、建筑等主要領域同步開展,并兼顧政策、技術和市場三方面的協(xié)調(diào)發(fā)展,以逐步實現(xiàn)可持續(xù)化長期目標。特別是在綜合能源多能互補、能源數(shù)字化以及源網(wǎng)荷儲充售等領域,從技術研發(fā)、市場政策及模式的設計以及引導規(guī)?；l(fā)展等方面提供了有價值的參考。此外,引導金融系統(tǒng)對碳中和項目的投入和收益測算保證了金融系統(tǒng)足夠的支撐和風險意識,同時通過交易市場建設為碳中和技術和服務落地的新型商業(yè)模式提供基礎。

3）德國碳中和技術和產(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,并對各領域關鍵技術及其模式創(chuàng)新以及重點實踐示范項目進行了詳細總結。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,德國還需要進一步調(diào)整和改進頂層設計、政策制定和技術及市場創(chuàng)新。而德國城市能源系統(tǒng)將進一步突出能源互聯(lián),多能互補的技術和模式結合,逐步過渡到以溫室氣體排放為主要調(diào)控和優(yōu)化目標,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。