北極星售電網訊:編者按：當前世界范圍內能源轉型加速，國家電網公司也提出建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業的戰略目標。建設能源互聯網是承接國家能源安全新戰略，推動電網和發展高質量發展的關鍵。在新時代和新戰略下，對能源互聯網的認識也需要不斷深化。國網能源研究院能源互聯網研究所聚焦于能源互聯網基礎理論、綜合能源系統規劃優化與市場機制、能源電力轉型發展、能源互聯網新技術新元素、城市智慧能源系統等領域開展了深入研究。本專欄圍繞能源互聯網關鍵問題，從理論研究、模型方法和經驗實踐等方面展開，結合相關成果和研究思考與讀者進行交流分享。
（來源：微信公眾號“中國電力” ID：ELECTRIC-POWER 作者：國網能源研究院）
文章導讀：德國是最早進行能源互聯網實踐探索的國家之一，其能源互聯網發展側重于通過對能源系統全環節的數字化改造，促進可再生能源開發利用，進而推動能源結構轉型和能效提升。早在2008年，德國聯邦經濟及科技部即在《E-Energy以信息通信技術為基礎的未來能源系統》項目手冊中，將能源互聯網描述為“能夠使電力市場信息處理、交互、支付更加迅捷方便，通過端到端的數字網絡進行能源基礎設施的智能監測、控制和管理，連接能源基礎設施與電子化交易市場，推進能源供應的高效化、迅捷化與透明化”，并號召進行“能源互聯網(Internet of Energy)”系統理念和整體思路研究。在此理念支撐下，德國將建立含有高比例可再生能源的高效能源體系作為目標，通過對可再生能源進行扶持、技術創新以及法律保障，不斷推進能源互聯網發展。
德國能源互聯網發展現狀及經驗啟示
執筆人：吳瀟雨、王雪、王軼楠
（國網能源研究院 能源互聯網研究所）
（一）發展基礎
能源系統清潔化轉型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市場是能源互聯網發展的重要基礎性因素，以下從此三方面介紹德國的相關發展基礎。
1）能源系統轉型
德國作為能源消費大國，石油和天然氣資源匱乏，需求長期依賴進口，對外依存度保持在90%左右，其能源安全壓力較大。煤炭資源雖較為豐富，但主要以低燃值、高污染的褐煤為主，當前開采和使用量仍然較高。截至2018年，德國仍有37%的發電量來源于煤炭，環保減排壓力較大。為此，德國政府大力推動以提升能效、充分利用可再生能源為要素的能源轉型，為能源互聯網建設奠定了基礎。
能源供應方面，可再生能源占比持續提升。如圖1所示，截至2018年，德國一次能源供應中非水可再生能源占比達14.6%，較上年增長1.3個百分點，2013―2018五年間累計增長5.6個百分點。隨著碳排放限制和棄核戰略的穩步實施，未來可再生能源占比將會進一步提升，能源供應體系日趨清潔低碳。
圖1 德國2018年一次能源供應結構
數據來源：BP：Statistical Review of World Energy 2019。
能源消費方面，形成了以石油、天然氣、電能為主的多元消費體系。如圖2所示，截至2017年，德國石油、天然氣、電能占終端能源消費的比例分別為41.5%、24.4%和19.7%。交通電氣化水平不斷提升，電動汽車保有量快速增長。截至2018年，德國電動汽車保有量達17.7萬輛，新增6.7萬輛，同比增長60.9%。德國2013—2018年電動汽車保有量變化如圖3所示。
圖2 德國2017年終端能源消費結構
數據來源：IEA：World Energy Balances 2019。
圖3 德國2013—2018年電動汽車保有量變化
數據來源：IEA：Global EV Outlook 2019。
2）能源信息融合
德國高度重視信息化、數字化建設。2013年，德國提出“工業4.0”國家戰略，以信息物理系統(Cyber Phsical System，CPS)和物聯網(Internet of Things，IoT)為基礎技術架構，展望了以信息技術為核心的智能化生產與“智能工廠”愿景。在此背景下，德國能源系統也提出利用先進信息通信技術對能源系統全環節進行數字化改造，能源領域信息化建設加快推進，為能源與信息深度融合奠定了基礎。
德國在數字化領域投資規模歐洲領先，重點支持初創企業的各項技術探索。截至2017年，德國在數字化領域的風險/私募股權投資總量達到35億美元，孵化了大量能源數字化領域的優質初創企業。其中，德國能源行業典型初創企業主營業務和投資規模如表1所示。
表1 德國能源行業數字化應用典型初創企業
德國傳統能源商也在能源數字化轉型方面進行了卓有成效的探索。意昂（E.on）通過創新能源服務，以數字化、信息化解決方案滿足客戶需求，其實踐涵蓋從能源生產、傳輸至消費的完整鏈條。例如在可再生能源利用方面，通過Sunroof等線上工具，利用衛星和氣象數據幫助客戶計算屋頂光伏發電潛力。在能源網絡優化方面，旗下配網商HanseWerk于2017年開發了基于人工智能的中壓配電線路故障預警技術，結合電力線路年限和類型、維護信息、天氣數據以及實時電網信息，通過全面的數據分析與自學習算法，能夠提前判斷出高風險故障點并告警。在客戶服務方面，以智能電網與智能電表為基礎，通過E.ON Plus與美國科技巨頭微軟合作，加強控制終端與光伏電板、儲能、充電樁、智能電燈、智能制冷/加熱等應用的融合，向居民客戶提供智慧家居服務。
3）能源市場建設
德國能源市場體系較為完善，電力和天然氣市場交易機制、監管體系比較成熟，交易量在歐盟國家中位居前列，為能源互聯網多能源市場交易建設奠定了基礎。
位于萊比錫的歐洲能源交易所（European Energy Exchange, EEX)是德國乃至中西歐影響最廣泛的電力交易市場，以公平、透明的定價為各類市場參與者提供服務。德國聯邦網絡局（Bundesnetzagentur)作為電力市場監管機構，主要是保障輸配電網向所有市場主體無歧視公平開放和電力供應方面的競爭，確保德國的電力供應安全、可靠、高質量。
德國天然氣市場結構較為復雜。下游城市配氣公司大多數歸當地政府所有，并由當地政府組織運營，約有700家公司負責為城市居民和部分中小型工業用戶供氣。中游區域輸氣公司管網一般分布于某個州內或者幾個州的部分地區，可靈活地進行天然氣貿易。位于上游的公司則負責進口或生產天然氣，供給中下游公司或直接為大型城市和特大型工業用戶供氣。在監管方面，德國聯邦卡特爾局（Bundeskartellamt），又稱企業聯合管理局，負責在聯邦政府頒布的競爭法令框架內對天然氣公司之間的競爭進行監管，避免壟斷發生。
（二）政策支持
德國政府相繼出臺了大量政策法規引導社會各界聚焦可再生能源開發利用、能效提升等領域（如表2所示），這也為能源互聯網的發展提供了政策支持。通過目標導向類政策，德國為能源發展設定了階段目標，規劃了技術路徑。例如2010年德國聯邦經濟與技術部公布的《能源戰略2050》，從總體上明確了德國未來40年能源轉型的行動路徑，提出了可再生能源利用、能效提升等9個具體行動領域。同時，德國通過一系列財政激勵政策對相關領域給予了經濟補貼、稅費減免等支持。例如2000年制定的《可再生能源法》，明確提出了對可再生能源上網電價進行補貼，以推動可再生能源發電快速發展。此后，德國還結合其可再生能源利用現狀，多次修訂《可再生能源法》，在鼓勵可再生能源發展方面建立了一整套完善的法律法規體系。
表2 德國能源互聯網發展相關政策
（三）典型實踐
在政府部門引導下，德國分階段開展了兩個批次的系列示范項目，對能源互聯網進行了初步探索和試驗示范。其中，2008年啟動的E-energy項目，從市場、技術、系統層面全方位探索了信息通信技術推動不同能源系統之間耦合、互聯、交易的潛力和實現方式。2012年啟動的C-sells項目隸屬于“智慧能源——能源數字化轉型”展示計劃（SINTEG），致力于打造小型的數字化能源互聯系統，實現區域內的能源產消微平衡和優化。
1）E-Energy系列示范項目
E-Energy是德國聯邦經濟技術部（BMWi）發起的能源互聯網創新計劃，綜合地區能源結構特點、經濟發展特點、能源消費模式、基礎支撐平臺等多維因素，選取了6個具體試點項目，主要研究內容如表3所示。
表3 德國E-Energy項目主要研究內容
綜合考量上述6個子項目的基本特征，可以看出E-energy是德國在能源互聯網背景下進行的一次能源與信息技術融合發展的卓有成效的探索。通過先進信息通信技術，構建出需求側資源、能源市場等幾個關鍵元素協調互動，促進可再生能源可靠消納的關鍵應用場景。
2）C-sells項目
C-sells項目選址在德國南部的巴伐利亞州、巴登—符騰堡州和黑森州，覆蓋了德國重要的工業負荷中心如斯圖加特、萊茵—內卡區域、大慕尼黑地區，涵蓋2602個城鎮，3000萬人口，80萬個能源用戶。C-sells項目通過數字基礎設施連接大量智能樓宇、社區、城市，形成多能流耦合規劃和控制的“細胞”單元，在此基礎上構建區域優化的蜂窩能源互聯系統，如圖4所示。
圖4 C-sells蜂窩能源系統的運行示意圖
C-sells項目實現了單個“細胞”的能源信息融合調度。一個細胞結構的基本功能是為位于其中的用戶供應能源，該結構可以通過分布式能源、生產者與消費者之間的互動，將能源網絡整體劃分為“細胞”進行治理，有助于應對電網日益增長的復雜性。將來還需要進一步開發供能系統的靈活性，例如通過能源和信息基礎設施將不同基礎元素連接起來，保證信息和能源的安全流動互通，并通過電、熱、冷等多能互補實現細胞結構內的局部優化。C-sells采用使能源系統更加靈活的蜂窩組網方式，實現能量互濟和綜合優化，提升整體運行效率。
（四）總結與啟示
1）現狀總結
總體來看，德國能源互聯網發展具有以下特點：
一是發展動因上，德國受化石能源匱乏、核能角色弱化、減排目標壓力大等多重因素影響，對可再生能源利用、能效提升需求迫切，德國政府提出大力推動以“能效優先、可再生能源開發利用、跨領域耦合”為三大要素的能源轉型，建設能源互聯網是其推動能源轉型的關鍵著力點。
二是發展方向上，德國結合其“工業4.0”發展戰略和自身數字化產業發展優勢，在能源互聯網建設過程中側重于推動能源數字化發展，利用先進信息技術對能源系統進行全環節改造，通過能源信息深度融合來推動能源系統向著清潔化、智能化、高效化的方向發展。
三是實踐探索上，通過E-enegy、C-sells等一系列示范項目對能源信息融合應用、新型能源市場機制等關鍵要素進行了探索，并組成系列項目以形成規模化示范效應，同時在項目實施中大膽創新，提出了細胞電網、區域蜂窩能源系統等創新理念。
2）經驗啟示
一是雖未形成明確的能源互聯網發展模式，但基于自身國情和能源系統特點進行了針對性的探索。德國油、氣等化石資源匱乏，發展可再生能源、提升能源效率需求迫切，其結合自身數字化技術和產業優勢，以提升可再生能源消納、促進能效提升等為目標，推動能源信息融合、數字化電網等能源互聯網關鍵要素的針對性探索。
二是數字化技術成為德國推動能源轉型和未來賦能能源互聯網建設的主要驅動力。德國充分把握本國“工業4.0”戰略契機，大力推進數字化技術在能源領域的推廣和應用，相關投資規模位列歐洲前列，以E-energy為代表著重實踐了能源信息融合相關技術，取得了良好的成效。
三是打造出具有世界影響力的能源互聯網示范項目，對能源互聯網關鍵元素和重點領域的進行了良好的試點示范。德國對于能源互聯網相關示范項目的推進具有詳細的規劃，并注重對能源互聯網構建的關鍵要素，以“分區遴選，各有側重”的方式進行全面的試點，如其E-energy示范項目在全國篩選出六個地區，組成系列化示范，獲得了良好的示范效應。
