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德国如何进行能源数字化转型?

没有数字化转型,能源转型就不会成功。在可再生能源高比例并网的德国,数字化是如何助力能源转型的?

在未来几十年,数字技术将使世界各地的能源系统更加智能、高效、可靠和可持续。诸如智能家电,共享移动、3D打印等数据等分析和互联技术的进步正在推动一系列新的数字应用。未来的数字化能源系统能够确定谁需要能源并在正确的时间,正确的地点以最低的成本交付能源。但要让一切实现并非易事。


在德国,数字化转型的速度也在加快。作为能源转型的先行者,德国的能源转型有赖于两大基本支柱:发展可再生能源及提升能效。众所周知,德国的能源市场在过去十年中经历了重大转变。2020年可再生能源发电将占德国电力消费的46%以上,并且在明年全部淘汰核电,预计到 2038 年淘汰煤电,进一步推动了向可再生能源转变的进程。对于分散的可再生能源整合是未来能源系统面临的一大挑战——尤其是对德国电网而言。


随着新能源比例的不断提升,复杂的IT系统将成为能源转型下一阶段的焦点。“没有数字化转型,能源转型就无法成功,”公用事业协会 BDEW 负责人 Kerstin Andreae 说。


德国一直高度重视信息化、数字化建设。2013年,德国提出“工业4.0”国家战略,以信息物理系统(CyberPhsicalSystem,CPS)和物联网(InternetofThings,IoT)为基础技术架构,展望了以信息技术为核心的智能化生产与“智能工厂”愿景。在此背景下,德国能源系统也提出利用先进信息通信技术对能源系统全环节进行数字化改造,能源领域信息化建设加快推进,为能源与信息深度融合奠定了基础。数字化在提高能源系统的安全性、生产效率、可访问性和可持续性等方面的作用不言而喻,但它也在改变市场、企业和就业,与此同时新的商业模式正在随之兴起。




全新的试验



在德国,和其他行业一样,能源领域的数字化转型也是新的尝试。能够实时读取和传送数据的传感器在德国被认为是能源部门数字化转型的起点,其次是电力流量的远程控制。这些能够在电力生产者和消费者之间进行双向通信的“智能电表”是“智能电网”的基础,可以检测并立即对当地的发电和需求变化做出反应,提高效率和灵活性。


为此,德国出台了《能源转型数字化法案》,主要是推广智能电表(Smart Meters)的安装与使用,提供安全通讯平台,能够使电力系统符合能源转型的需要,广大消费者和用户安装了智能电表后,需求侧可控制的用电设备等各种灵活性资源就可以被市场价格等信号调动起来,参与市场供需平衡,构成供给和需求双向互动的电力系统,以应对高比例可再生能源发电前景下供给侧的波动性。


这一法案也为智能计量系统这项新技术创造了法律保障。该技术连接了电网生产侧和消费侧,成为可靠的信息交换平台,使电网系统符合能源转型的要求,从而开发更多的能效潜力。只有被证明符合要求极高的隐私权保护标准和数据安全的系统才能获得德国联邦信息技术安全局的认证。


未来能源供应体系越来越多地依靠分布式、产量波动的能源生产主体,智能计量系统将降低体系转型的难度。


除了法案,德国能源经济部也资助了一批能源数字化领域的数字化项目。2016年12月,德国“智慧能源——能源转型数字化”展示计划(简称SINTEG)正式启动,该计划在德国五个大型示范区域进行能源数字化研究及试点项目,核心在于发电侧与用电侧的智能互联、以及创新电网技术、运营管理及商业概念的应用,以测试能源转型数字化的新技术、服务、流程和商业模式。


德国联邦经济和能源部(BMWi)为这个展示计划共出资2亿欧元,加上企业的投资,总额超过5亿欧元,共有300多个项目合作伙伴参与其中。他们希望实现以下五个目标:可再生能源高比例上网的同时实现安全高效的电网运行;充分利用效率和灵活性潜力;在智慧能源网络中为所有参与者建立有效和安全的互动;有效利用现有的网络结构;在配电网层面减少新建网络的需求;在能源领域开发新的商业模式。


联邦经济事务和能源部 SINTEG 资助计划的目标是推动能源行业的数字化并支持能源系统的转型。正在德国的五个示范地区进行实际测试,以研究如何设计未来的智能能源供应,以及如何建立智能能源系统。专家们正在利用示范区开发和测试新技术、流程和商业模式,并为能源部门数字化带来的技术、经济和监管挑战设计解决方案。正在制定如何将能源行业数字化的蓝图,然后可以在德国和世界各地多次应用。


其中很重要的一个项目就是数字市场平台的设计,该平台将使能源和灵活性服务能够有效交易(基于区块链和基于云的使用)。这些市场平台将使捆绑和使用分布在许多不同系统中的灵活性成为可能——不仅是风电场等大型发电系统,还有私人家庭小型储能系统。在 SINTEG 中开发和测试的第一个用例将涉及网络运营商在遇到瓶颈时使用这些灵活性来优化网络运营。这有助于稳定电网并确保其以具有成本效益的方式运行。


SINTEG项目还正在开发和测试新的数字业务模型,这些模型由于能够合并、处理和分析与能源相关的数据而出现。许多数字初创公司也参与了这项工作。此外,正在调整标准,以便它们也可以应用于智能能源系统内的新技术和已更改的流程。现代信息和通信基础设施也在开发中,其中包括部署 4万 多个智能测量系统,并为网络配备更多传感器,以改善对网络状态的监控。以SINTEG条例为监管依据,SINTEG由此成为能源转型数字化的监管箱。


这些新的数字化尝试正在逐渐融合到能源转型的进程中,在未来也是加快这一进程。


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数字化的方向



德国的电力系统正在向清洁的以分散的可再生能源为主体的系统转变,由于分布式可再生能源发电、电动汽车和热泵等的更多使用,活跃市场参与者的数量正在大幅增加。这种发展和可再生能源发电的波动性迫使能源网络进行重组和灵活化。


为了引领能源转型取得成功,需要协调能源生产和消费,并以灵活和智能的方式管理能源流动。能源系统数字化有助于以经济高效的方式有效应对这一挑战。


未来,数字市场平台、智能测量系统和智能变压器等数字技术将使发电厂、网络、消费者和存储设施都集成到智能能源网络中。在能源基础设施中以紧密间隔分布的大量传感器将在一天中的每一刻监控和记录其状态。然后可以通过数据平台在能源系统的不同部分之间交换这些信息。


在能源网络中捕获的所有数据也将用于改进对发电和消费的预测,以便能源系统中的各个组件以最佳方式协同工作。


电力将以多种方式灵活使用,从为电动汽车充电到在工业中产生蒸汽。虚拟电厂将各种发电设施和存储设施捆绑在一起,以便能够更灵活地应对变化。自动化交易平台将确保协调能源生产和消费的成本保持在较低水平。


德国公用事业公司将分散式能源生产、高效电力使用和电网灵活性的协调视为在德国能源部门应用数字技术的最重要领域。未来 10 年将是能源行业发生根本性变化的时代,因为越来越多的公司利用数字化,有可能将短期收益提高 3% 至 4%,将长期收益提高 25% 或更多。


为应对数字化、电气化、能源转型,德国能源部门正在经历一场大规模变革。在短期内,公用事业公司将继续专注于他们的主要优先事项——财务绩效、卓越运营和客户满意度。新进入者的商业模式围绕技术创新和分布式发电,例如虚拟发电厂和能源存储。少数传统公用事业公司将尽早进入数字革命,整合和简化其业务,以创造额外的客户价值。从长远来看,比如未来 5 到 10 年,能源部门将去中心化,提供更加个性化的解决方案,并将现有产品和服务与其他部门的产品和服务相结合。


能源转型成功的关键因素是整个组织及其员工做好接触和获取数字价值的准备。“然而,德国在数字化的许多领域还有很多事情要做。这涉及缺乏熟练工人、行政数字化以及宽带的扩展等问题。数字技术有助于降低能源转型的成本;更好地利用稀缺资源,通过更快、更直接的沟通为客户提供更好的服务。但游说团体表示,日益数字化也将导致更大的电力需求,这凸显了加快可再生能源推广的必要性。


业内人士呼吁建立一个创新的监管框架以实现可持续的数字化,一种通过数字和物理基础设施连接不同部门的综合规划方法,使用人工智能的新规则,快速推出宽带基础设施、各级公共行政部门的数字化推动,以加快转型。


随着德国加速经济脱碳,持续数字化和开发更灵活、更高效的电力系统对于德国能源转型的下一阶段至关重要。


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