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基于可再生能源消納的歐洲需求側管理經驗與啟示

來源: 樹人論文網 發表時間:2020-11-24
摘要:介紹了德國、英國、比利時、意大利等歐洲國家需求側管理(demandsidemanagement,DSM)項目的幾個典型企業案例,其共同特點是結合可再生能源開展需求側管理,均取得了不錯的成效,
職稱論文發表

  摘要:介紹了德國、英國、比利時、意大利等歐洲國家需求側管理(demandsidemanagement,DSM)項目的幾個典型企業案例,其共同特點是結合可再生能源開展需求側管理,均取得了不錯的成效,為企業創造了可觀的效益,這對于我國推進需求側管理和促進可再生能源消納等工作具有重要借鑒意義。結合我國電力需求側管理進程,提出幾點我國可以借鑒的應用機制,包括基于可再生能源的可中斷負荷聯動機制、輔助服務市場機制、自備電廠與可再生能源的發電權交易機制、需求側分時電價機制,為深入推進我國可再生能源消納提供借鑒。

電力需求側管理

  本文源自電力需求側管理,2020,22(06):96-100.《電力需求側管理》(雙月刊)創刊于1999年,由國家電網公司主管、國家電網公司電力需求側管理指導中心主辦、東南大學協辦。國家電網公司、國家計委、國家經貿委有關部門負責人和全國各網、省電力公司市場營銷部負責人等為本刊編委會成員。本刊圍繞國際上流行的電力需求側管理(DSM)技術,宣傳國家政策、法規、發布國內外信息,交流學術思想和實踐經驗,服務新技術、新產品的推廣應用,促進政府、電力公司、電力用戶、能源中介服務和機構互動,促進經濟、能源、環境協調發展。

  為促進綠色環境發展,可再生能源已在全球范圍內得到飛速發展,受到可再生能源裝機規模過大、本地負荷有限、外送能力不足等因素影響,一些裝機占比較大地區已遇到了可再生能源消納問題[1]。為了促進可再生能源消納,減少棄風棄光棄水,很多學者都提出了創新思路,并且得到了實踐。特別是在供給側方面,電源端的機制創新很大程度上提升了可再生能源消納機會,但是在需求側方面仍然存在較大的探索空間。

  近年來,基于可再生能源的需求側管理機制逐步得到應用并取得了一定成效,特別是在歐洲一些發達國家其應用較為廣泛[2,3]。這一機制主要是在需求側建立促進可再生能源消納的市場機制,一方面在需求側就地新建分布式可再生能源(主要為太陽能、風電等),實現本地負荷盡可能就地平衡,另一方面通過市場機制促進可再生能源消納(如分時電價、輔助服務市場等)[4],鼓勵企業購買可再生能源滿足生產需要。

  需求側管理在歐洲主要國家的工業生產運行中起著十分重要的作用,需求側管理能夠深入挖掘工業生產中電力系統柔性負荷的潛在價值[5,6],并轉化為經濟價值,這在歐洲主要國家已經得到廣泛認同。根據近年來提出的歐洲清潔能源“一攬子協議”,預計到2030年,電力消費結構中將有大約60%的電能來自可再生能源,目前這在很多其他國家是難以想象的。依據該發展趨勢,初步測算得出,只要使得歐洲工業用電需求的10%具有靈活性,每年將可以節省15億歐元,極強的經濟吸引力使歐洲持續推進需求側管理工作。事實上,DSM一定程度上減少了對發電能力的投資與依賴,需求側靈活性的增強,還可以提高對可再生能源發電的消納。這對工業企業來說是一個誘人的商機,可以在幫助電力系統實現低碳化的同時獲得可觀的經濟效益[7]。

  為了將這一理論付諸實踐,歐洲一些國家早在21世紀初就開展此類研究,在分析了適用于工業企業的多種DSM商業模式可行性的基礎上,逐步將此計劃推廣實施。自2013年以來,歐洲銅業協會(Europeancopperinstitute,ECI)就一直主張工業需求側管理是深入整合可再生能源電力的一條十分重要的途徑。他們結合一系列的DSM案例研究,分析了激勵和阻礙DSM項目推廣的情況,總結提出不少適用歐洲工業發展的DSM推廣先進經驗,這對于我國DSM項目落地具有很好的借鑒意義。為了學習歐洲一些典型的DSM實施經驗,促進我國DSM項目深入發展,本文介紹了5個國家、6種能源密集型工業類型的DSM項目實施情況,總結了幾點經驗,希望能為我國DSM項目與可再生能源項目綜合發展產生一些作用。

  1、基本情況

  本文重點介紹在不同能源密集類型工業企業實施需求側管理的典型案例,主要包括6個歐洲國家:比利時、法國、德國、意大利、西班牙和英國,普遍執行了基于可再生能源消納的DSM項目的實施與推廣[8,9],取得了一定成效,研究其先進經驗可為我國需求側管理創新實踐提供重要借鑒。

  隨著過去幾年可再生能源成本的大幅降低,可再生能源與電力系統的成本效益整合是下一個即將面對的挑戰。特別是在高耗能工業企業中實施DSM是實現這一目標最有希望的途徑,而且企業在較短時間內就可以實現收益。當然,這需要DSM意識能夠廣泛普及并得到工業企業的認可,否則生產過程中的需求側靈活性潛力及其帶來的項目機會也難以得到挖掘。

  根據市場模式設計和相關法律法規對歐洲工業企業DSM進行分類,可分為4種商業模式:(1)電費削減,通過DSM機制調整企業用電曲線,如:移峰填谷等,降低企業整體電費支出;(2)提供系統服務,企業主動參與負荷側市場調節,如:儲能,根據需要調整用電方式,從而減輕系統調峰壓力;(3)場外可再生能源的平衡服務合同(balancingservicecontract,BSC),即企業通過與可再生能源企業簽訂BSC,在后者有調整出力需求時,前者作出對應調整,從而減少系統調整壓力,實現共贏;(4)場內可再生能源電費削減,建立基于場內可再生能源的企業負荷調整機制,實現場內可再生能源可靠消納,也能降低場外電能消納規模,實現整體電費削減。涉及的6個主要工業領域包括化學品、有色金屬、冷藏行業、鋼鐵、紙張和水處理,其電量消費每年超過400TWh,約占其全國電量消費的10%以上。

  歐洲主要國家實施工業企業DSM項目時,一般都需對DSM項目進行深入評估,主要目的是識別、評估和利用企業需求側靈活性的可行性,確定項目實施的最終評判標準是其經濟性。在評估DSM項目過程中,一方面需要評估現項目的可行性和經濟性,另一方面還會根據當前項目方案提出完善措施與建議,進而保證項目實施后能夠取得可觀的經濟效益,這種DSM項目評估方式被定義為靈活性設計,包括3個步驟:(1)綜合評估項目實施過程中的需求側靈活性;(2)對綜合評估結果進行量化;(3)將量化結果進行貨幣化,確定其經濟性,從而判定DSM項目是否實施。在量化步驟中,對每個靈活性負荷的具體靈活性進行建模,一旦企業項目的需求側靈活性在模型中被量化,那么其靈活性的價值就可以在估值階段計算出來,即為貨幣化。

  本文主要介紹5個國家在6個主要工業類型中的DSM實施和量化情況。

  (1)德國:廢水處理行業,主要通過場內可再生能源減少電費支出;化工行業和有色金屬行業,通過現貨市場購買可再生能源實現電費削減。

  (2)比利時:造紙工業,主要通過場外可再生能源平衡服務合同實施需求側管理。

  (3)英國:冷藏行業,提供系統服務(主要是儲能)和需求側電費削減(主要基于分時電價、日前電價購買可再生能源)。

  (4)意大利:鋼鐵行業,通過需求側管理實現電費削減(主要基于分時電價、現貨市場電價購買可再生能源等),如:增加低谷時段用電、減少高峰時段用電等。

  (5)法國:冷藏行業,通需求側管理實現電費削減(主要基于現貨市場電價購買可再生能源),特別是在可在生能源出力較大時段,其價格偏低,該時段用電有利于企業降低成本。

  其中,比利時造紙工業和德國化工行業的案例主要是通過增加附屬投資來提高需求側靈活性,從而實現對可再生能源消納規模的提升,而在其他案例中,主要是通過對現有生產過程的需求側管理提高可再生能源消納。

  2、基于可再生能源消納的歐洲需求側管理典型案例

  歐洲DSM案例中,為提升需求側靈活性,主要采用應急發電機、制冷系統和充電站等設備,其經濟性價值大約為2.5歐元/TWh到7.21歐元/TWh不等,可以在一定程度上降低電費支出1%~3%,綜合來看,設置應急發電機對于提升需求側靈活性、減少電費支出的效率最高[8]。

  在意大利鋼鐵行業,一些大型工廠通過有效利用感應爐的余熱,來提升需求側的靈活性。從電費支出來看,該方式大致可以削減成本3%~4%,略低于企業總能源成本的1%。這種方式在其他很多工業中并不被看好,但是鋼鐵行業的余熱若不被有效利用,可能造成較大的資源浪費,如果增加一些附屬設備可以提高余熱利用,減少需求側電費成本。

  在德國廢水處理行業,主要有2種需求側管理方式:一種是含場內可再生能源的(主要為風力發電),其需求側靈活性體現在從多個不同小型工藝的整合、企業自身熱電聯產(combinedheatandpower,CHP)靈活性整合。從電費支出來看,采用該方式的需求響應和自身CHP生產的綜合靈活性價值大約為常規廢水處理廠總電費成本的3%。另一種是不含可再生能源的,對于不含可再生能源的需求側項目,僅通過整合需求側資源來提升資源利用率,其減少電費的靈活性價值大約為總電費成本的1%~2%。

  在德國有色金屬行業中,需求側管理措施主要是考慮在將合金熔化的間歇,如何將負荷從用電峰值時段轉移到其他電價較低時段(以可再生能源為主),通過這種方式減少電費支出,從而降低生產成本,綜合測算凈節省支出大約低于總電力成本的1%。

  在德國化學工業中,將空分裝置的液化過程與儲氣庫相結合,使DSM具有一定的靈活性,當然也會增加一定規模的投資,由于負荷側可中斷,可以更多地消納可再生能源,從而通過DSM有效削減電費支出,綜合測算該DSM措施可能帶來的生產成本節約量超過1%。

  在比利時造紙行業中,實施DSM已有豐富的經驗,主要方式是在燃氣鍋爐旁并聯設置電鍋爐,在不平衡價格時段,即在單位能耗電力價格相對于燃氣價格更有利的時候選擇電鍋爐,否則選擇使用燃氣鍋爐,這種需求側管理方式可以有選擇性地使用可再生能源,降低大量的生產成本。通過增設電鍋爐的DSM措施每年節約的總生產成本約為1.5%。但是從造紙工業投資回報率來看,增加電鍋爐可能對電網電價產生的影響(如:導致負荷規模提升),以及與燃氣鍋爐相比電鍋爐的預期壽命較短,這2方面可能導致投資決策的變化。

  在英國和法國冷藏行業中,實施DSM措施已經較為普遍,其主要方式包括增加儲能設施、分時用電等。儲能設施只在必要時啟動,可再生能源發電不足時,儲能設施放電;可再生能源發電過量時,儲能設施充電。長時間運行后,已經形成了一定規律,儲能設施得到高效利用,同時可再生能源也得到充分消納,綜合節約生產成本接近2%。

  總的說來,上述幾類歐洲DSM案例體現了需求側響應在各種類型工業企業的廣泛適應性,特別是在可再生能源富余地區,通過一定的設備改造或者整合,可以有效提升需求側靈活性,提升可再生能源消納規模,并激勵各行業積極參與需求響應機制。

  考慮具體的電力合同、選定的商業模式、企業所在國家的法律法規以及DSM模式特點,不同企業的DSM措施靈活性將有很大的差異。例如:電力市場模式不同,其價格形成機制、需求側電價(如:中長期合同、現貨市場等)也就不同。在大多數情況下,如果考慮多個DSM措施的綜合利用,或者如果使用多個DSM措施分別提供不同的需求側響應,那么需求側靈活性價值將會進一步增加。一般來說,如果電力成本占企業運營成本的百分比很高,企業就更有動力引入需求響應機制。

  3、基于可再生能源消納的歐洲需求側管理分析

  3.1 主要問題分析

  盡管在上述案例中,基本都應用了一些基于可再生能源的需求側響應措施挖掘企業需求側靈活性,但短期內實施靈活性潛力挖掘措施似乎不大可能。所有企業都需要面對復雜的實際問題,如成本問題、空間問題、時間問題、經營問題等各個方面,還需要從企業內部實際情況出發,逐步研究企業需求側靈活性潛力,找出最佳實踐項目方案,通過可行性分析后方可落地實施。但目前普遍存在的主要障礙是,大多數公司要求:新增求需求側管理項目的投資回收期少于2年,最多不超過3年,而在現有的商業模式下,由于存在對主要控制硬件和額外運營支出的預期投資,很難實現這一目標。因此,需求側管理措施的落地實施存在諸多障礙。

  除了投資回收周期問題外,企業快速實施需求側靈活性措施的其他障礙主要包括:

  (1)企業生產運營方案的較大調整以及對人員計劃和成本的影響,例如:生產運營方案復雜化之后可能需要雇傭更多員工,而企業負責人都會考慮該措施對企業運營成本帶來的的提升,過大時往往就會減少需求側靈活性措施的應用。

  (2)很多常規企業缺乏自動化控制系統,無法根據優化后的靈活性配置對生產線進行靈活監控和調整,這一問題也限制了企業引入新的需求側管理措施以及需求側管理項目的實施。

  (3)需要對傳統供電合同進行潛在變更(例如:允許在現貨市場進行購電),這通常是在影響公司整體層面上進行的。

  需求側響應潛力正在被逐步挖掘出來,如何利用是需要深入討論的課題,需求側響應與可再生能源應用也越來越受到關注。在所有上述企業中,需求側響應與可再生能源進行了良好的結合,這為我國相關行業的發展提供很好的借鑒。但是,如何有效利用這一結合點,必須通過計算所有必要的資本支出和預期的運營支出,并將其與潛在的節約和收益結合起來,進行全面的成本效益評估,以滿足企業允許的回收周期。而最終決定是否實施需求側響應措施,還需要通過復雜的決策流程,從初期設計到現場實施一般需要1至2年時間。

  3.2 實施需求側響應的方法

  除了常規的需求側響應模式外,一些企業正在積極探索應用新型的需求側響應模式,主要考慮深入挖掘需求側靈活性調整的潛力,提升其響應深度和頻次,擴大需求側響應規模。比如:可以通過優化生產流程,利用需求側分時電價、避免高峰負荷用電,從而減少需求側用電成本,必要時甚至可以向系統運營商提供一定的負荷調整服務,關鍵時刻能起到調峰作用[10]。在大多數情況下,利用需求側資源靈活性的方法包括:

  (1)跟蹤整個生產周期時間內的需求側電價變化,從而動態調整生產計劃。

  (2)通過人工關閉或降低某些用電設備的容量來降低負荷規模,甚至可以在經過成本核算后,在必要時全部關停。

  (3)部分企業可以發揮自身負荷調整優勢,根據需要向系統運營商提供電能儲備或平衡調整。

  3.3 基于可再生能源的DSM

  在上述提到的7家DSM案例企業中,有4家企業已經安裝或規劃了場內可再生能源,主要采用就地消納形式,包括屋頂太陽能電池板或小型風力發電機,企業一方面使用了綠色環保的可再生能源,另一方面還節約了電費成本。然而,企業投資成本問題不可忽略,一般小型企業可能無法負擔引入可再生能源較大的初期投資,成本回收周期將近10年,這在一定程度上阻礙了更廣泛地在需求側安裝、使用可再生能源[11]。一些主要國家的場內可再生能源包括屋頂太陽能和風力發電機,有待進一步關注的問題如下。

  (1)屋頂太陽能方面

  (1)屋頂結構的靜態約束和建筑加固所需的大量投資成本,使得屋頂太陽能成本回收周期較長,這已經成為普遍需要考慮的難題;(2)有限的屋頂空間、屋頂傾斜角度等實際問題也限制了屋頂太陽能的安裝應用;(3)一些企業擔心保險公司會因其他更高風險(如:火災、惡劣天氣等)而提高保險價格;(4)一些用戶向外部投資者出租屋頂空間時具有太長的約束期,主要是受到中長期購電協議影響。

  (2)風力發電方面

  (1)在很多國家,需求側用戶安裝使用風力發電機一般需要獲得政府部門或有關行業機構的允許,這一方式在部分地區(例如:可再生能源資源較為集中的地區)仍較為困難;(2)不斷變化和不確定的市場規則、法律法規(如:補貼減少、上網電價變化、稅收增加等)可能也會產生一些負面影響;(3)風力發電出力預測對普通企業來說成為難題,往往需要應對負荷不平衡問題,這一問題通常會造成企業生產成本增加。

  4、對我國的啟示及有關建議

  我國需求側管理機制的推廣應用相對較晚,基于可再生能源的需求側管理機制也存在著經驗不足的問題。在我國一些經濟發展較好地區(如:華東沿海)可以探索推廣基于可再生能源的需求側管理機制,特別是負荷規模較大的企業,增加分布式可再生能源投入,實施DSM機制,通過優化自身生產運營流程,增加對可再生能源的消納。基于上述各國需求側管理先進案例及我國國情,提出以下幾點啟示與建議:

  (1)建立基于可再生能源的可中斷負荷聯動機制。目前我國可中斷負荷機制的已得到一定應用,但是多數地區仍未形成規模,除東北等少數地區建立了有關規則外,鮮有基于可再生能源的可中斷負荷機制的實際案例。但是對于現階段我國較為困難的可再生能源消納問題,可以借鑒歐洲DSM項目實施經驗,先從可中斷負荷機制入手,深入挖掘需求側響應資源,通過市場機制鼓勵需求側資源積極參與電力市場,提升消納水平。考慮到現階段我國正在推進可再生能源消納責任權重機制,有關責任主體將會高度重視可再生能源消納責任考核,下一步可基于兩者訴求研究設計市場機制,提升可再生能源消納水平。

  (2)輔助服務市場機制有待全面實行。目前我國輔助服務市場機制多數通過“兩個細則”的方式實施,尚未規模化地通過市場化方式實施,為促進可再生能源的可靠消納,輔助服務市場機制勢在必行。盡管近年來,國家相關部門提出加快建立輔助服務市場機制,但并未達到預期效果。下一步可以結合各地實際,借鑒歐洲國家的需求側機制措施,選取可再生能源消納困難地區開展試點,逐步推廣至可再生能源消納地區,將消納地區輔助服務市場機制建立起來,可再生能源本地輔助服務和消納地區輔助服務并行開展、協同互濟,共同促進可再生能源消納。

  (3)可進一步推廣應用需求側分時電價機制。分時電價機制是目前我國需求側管理應用較為普遍的手段,但相比于歐洲電力市場的成熟發展仍有較大差距。為了進一步提升需求側響應機制靈活性,在我國現貨市場建設尚未普及的背景下,仍需要不斷擴大需求側分時電價機制的應用范圍,不斷細化需求側分時電價機制的時間周期,具備條件的地區可以結合電力直接交易、現貨市場建設同步推進,實現高峰高價、低谷低價。考慮到我國已經具備一定基礎條件,不遠的將來需求側管理機制可以得到很好的推廣應用,同時售電公司作為新的市場主體進入電力市場后,可以為需求側管理提供更好的綜合能源服務,從而需求側分時電價機制的推廣應用會變得更加便捷。

  (4)自備電廠與可再生能源的發電權交易機制可因地制宜發展。自備電廠作為需求側發電企業,更多時候僅作為企業自身電源,其系統調節作用尚未完全發揮,可以考慮進一步挖掘其參與系統調節的深度。新疆、甘肅、上海等省份的自備電廠一定程度上參與了促進可再生能源消納的系統調節,典型機制就是發電權交易。類似于歐洲的平衡服務合同,這一市場機制是將自備電廠(一般為燃煤發電)的發電指標轉讓給可再生能源發電企業,后者給前者一定經濟補償,從而實現了發電權交易。現階段這一交易方式開展地區較少,未來仍有較大發展空間,可再生能源消納困難地區可以結合本地實際開展相關交易,挖掘自備電廠潛力,發揮需求側電源調節能力,有效拓展可再生能源消納空間。

  5、結束語

  本文介紹了德國、英國等歐洲國家基于可再生能源開展的典型需求側管理項目,此類項目取得了較好的經濟效益和社會效益,對我國促進可再生能源消納等工作具有重要借鑒意義;結合我國可再生能源消納情況,提出基于可再生能源的可中斷負荷聯動機制、輔助市場機制、自備電廠與可再生能源的發電權交易機制、需求側分時電價機制,對我國從需求側促進可再生能源消納提出了具體建議,具有參考價值。D

  參考文獻:

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