Assessing uncertainty space for long-term flexibility needs in future European sector-coupled energy system

技术摘要：评估未来欧洲部门耦合能源系统中长期灵活性需求的确定性空间

问题陈述
未来的欧洲能源系统日益依赖波动性可再生能源（VRE），需要大量的灵活性以确保在日、周和季节性时间尺度上的充足性。虽然现有文献承认灵活性需求的上升，但仍存在显著的研究空白。以往的研究通常侧重于单一类型的灵活性（例如电动汽车或氢能），或者仅对电力部门进行建模（忽略了部门耦合），或者仅以有限的空间分辨率代表欧洲。此外，关于灵活性选项的部署与竞争的确定性，往往是通过有限的情景分析而非稳健的参数化不确定性量化来探讨的。目前缺乏一种综合性的分析，能够同时考虑部门耦合（电力、热力、氢能、交通）、泛欧空间分辨率、多气象年份以及参数化不确定性，以识别灵活性部署的关键驱动因素。

方法论
本研究采用了 Balmorel 模型，这是一个底层的、部分均衡的、开源的优化模型，并经过扩展以代表一个泛欧部门耦合能源系统。该方法将投资优化（容量扩张）与逐小时调度模拟相结合。

• 情景设计： 分析重点关注 2030 年、2040 年和 2050 年的“净零”路径。关键假设包括交通电气化（到 2050 年达到 2.25 亿辆电动汽车）、1,000 TWh 的氢需求，以及与 IEA 世界能源展望一致的二氧化碳税轨迹。
• 部门耦合： 模型明确耦合了电力、供热（住宅、第三产业、工业、区域供热）、氢能和交通部门。它包含了智能充电、车网互动（V2G）、热泵、热储能、电解槽、氢储能以及输电。
• 时间分辨率： 为了量化不同时间尺度的灵活性需求，研究采用了基于傅里叶变换的频率滤波方法。该方法将逐小时模拟结果分解为三个频带：每日（<2 天）、每周（2–60 天）和年度（>60 天）。
• 不确定性量化：
  • 多气象年份： 研究评估了基于 2012 年气象年优化的 2050 年容量扩张，在 33 个历史气象年（1982–2015）中的稳健性，以评估年际变化对调度和峰值需求的影响。
  • 蒙特卡洛模拟： 使用拉丁超立方采样生成了 100 个蒙特卡洛情景，以探索参数化不确定性。变化的输入参数包括二氧化碳和天然气价格、可再生能源及灵活性技术（电池、电解槽、输电、等）的投资成本、电动汽车部署水平、V2G 参与率以及氢需求。
  • 敏感性分析： 计算了斯皮尔曼等级相关系数，以识别驱动特定灵活性资产部署的最具影响力的参数。

主要贡献
本文通过整合部门耦合和严格的不确定性分析，对灵活性需求进行了全面的泛欧评估。与以往研究相比，其特点在于：

1. 同时模拟了涵盖电力、热力、氢能和交通部门的全谱系主要灵活性选项。
2. 利用基于频率的方法，量化了跨每日、每周和年度时间尺度的灵活性贡献。
3. 利用 33 个气象年和 100 个蒙特卡洛模拟，探索了灵活性组合的结构性和参数化不确定性空间，超越了单点估计。
4. 识别了跨部门的权衡以及塑造未来灵活性组合的具体驱动因素（如氢需求、电动汽车部署、太阳能成本）。

主要结果

• 灵活性需求演变： 预计灵活资产的产量将从 2030 年的 662 TWh 上升到 2050 年的 1,060 TWh。电力输电容量预计将近乎翻倍，到 2050 年达到约 690 GW，成为容量最大的灵活性选项。
• 特定时间尺度的提供者：
  • 每日灵活性： 主要由热泵、电动汽车（智能充电和 V2G）、电池和电解槽提供。到 2050 年，这些需求侧和储能选项提供了三分之二的每日灵活性。
  • 每周灵活性： 由热泵、热储能、电动汽车、电解槽和氢储能共同提供。电力输电是第三大贡献者，通过利用空间上的天气差异来实现。
  • 年度灵活性： 主要由水电（具有高度国别特性）、电解槽和电力输电提供。峰值天然气机组主要在“黑暗无风期”（Dunkelflaute）运行。
• 峰值天然气的角色： 尽管由于二氧化碳税的存在，转型向生物甲烷驱动，但峰值天然气容量仍然作为低容量因子的备用电源至关重要。2050 年所需的中位容量为 212 GW（在不同情景下范围为 167–275 GW），其中天然气发电量下降至接近于零，而生物甲烷发电量上升至 88 TWh。
• 部门耦合协同作用： 跨部门相互作用至关重要。例如，较高的氢储能成本会将灵活性供给转向电力部门（增加电池和 V2G）；而较高的海上风电成本会将生产转向陆上风电，从而减少电力输电需求，但增加了氢能输电的部署。
• 不确定性驱动因素：
  • V2G 与电池： 其输出对太阳能光伏投资成本和电动汽车部署水平高度敏感。较高的太阳能光伏产量与 V2G 和电池的使用增加相关。
  • 峰值天然气： 其需求量与二氧化碳税、天然气价格和陆上风电部署呈负相关。相反，受限的氢储能或减少的电力输电会增加峰值天然气的容量需求。
  • 地理差异： 灵活性资产的不确定性在人口众多且具有高峰值需求的国家（如德国、意大利）以及太阳能丰富的地区最为显著。西班牙的灵活性组合受氢生产不确定性的驱动，而德国的灵活性组合则受氢需求不确定性的影响。
• 气象年影响： 多气象年分析表明，峰值天然气容量需求与供热需求呈正相关。虽然中位容量保持稳定，但峰值天然气机组的运行小时数随具体气象年的不同而显著变化（各国在 43 到 419 小时之间），这凸显了稳健备用容量的需求。

意义与主张
作者声称，这项研究通过证明确保系统充足性依赖于在不同时间尺度和部门间运行的多样化、互补型灵活性资产组合，为能源系统建模提供了必要的进步。论文强调：

• 部门耦合是必不可少的： 仅考虑电力部门的方法可能会误估灵活性需求；跨部门协同作用（如电气化供热和交通）可以释放显著的灵活性。
• 不确定性是结构性的： 氢能和电动汽车等新兴技术的部署路径为 2050 年的灵活性格局引入了巨大的不确定性，特别是对于高度依赖这些技术的国家而言。
• 政策启示： 政策必须促进多样化的灵活性选项组合，包括需求侧管理、部门耦合、输电扩张和储能。此外，维持由绿色燃料（生物甲烷）驱动的运行峰值天然气容量，被认为是保障供应安全的关键，特别是在冬季面临持续系统压力期间。

研究承认了其局限性，包括使用代表性时间片进行容量扩张、未考虑电动汽车充电对配电网的约束（可能高估了 V2G）以及假设具有完全预见性。然而，作者断言，其研究结果为理解净零排放欧洲能源系统中复杂灵活性选项的相互作用提供了一个稳健的框架。