【能源互联网洞悉】德国能源互联网发展现状及经验启示
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：德国是最早进行能源互联网实践探索的国家之一，其能源互联网发展侧重于通过对能源系统全环节的数字化改造，促进可再生能源开发利用，进而推动能源结构转型和能效提升。早在2008年，德国联邦经济及科技部即在《E-Energy以信息通信技术为基础的未来能源系统》项目手册中，将能源互联网描述为“能够使电力市场信息处理、交互、支付更加迅捷方便，通过端到端的数字网络进行能源基础设施的智能监测、控制和管理，连接能源基础设施与电子化交易市场，推进能源供应的高效化、迅捷化与透明化”，并号召进行“能源互联网(Internet of Energy)”系统理念和整体思路研究。在此理念支撑下，德国将建立含有高比例可再生能源的高效能源体系作为目标，通过对可再生能源进行扶持、技术创新以及法律保障，不断推进能源互联网发展。
德国能源互联网发展现状及经验启示
执笔人：吴潇雨、王雪、王轶楠
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
（一）发展基础
能源系统清洁化转型、能源信息加速融合以及健全的能源交易市场是能源互联网发展的重要基础性因素，以下从此三方面介绍德国的相关发展基础。
1）能源系统转型
德国作为能源消费大国，石油和天然气资源匮乏，需求长期依赖进口，对外依存度保持在90%左右，其能源安全压力较大。煤炭资源虽较为丰富，但主要以低燃值、高污染的褐煤为主，当前开采和使用量仍然较高。截至2018年，德国仍有37%的发电量来源于煤炭，环保减排压力较大。为此，德国政府大力推动以提升能效、充分利用可再生能源为要素的能源转型，为能源互联网建设奠定了基础。
能源供应方面，可再生能源占比持续提升。如图1所示，截至2018年，德国一次能源供应中非水可再生能源占比达14.6%，较上年增长1.3个百分点，2013―2018五年间累计增长5.6个百分点。随着碳排放限制和弃核战略的稳步实施，未来可再生能源占比将会进一步提升，能源供应体系日趋清洁低碳。
图1 德国2018年一次能源供应结构
数据来源：BP：Statistical Review of World Energy 2019。
能源消费方面，形成了以石油、天然气、电能为主的多元消费体系。如图2所示，截至2017年，德国石油、天然气、电能占终端能源消费的比例分别为41.5%、24.4%和19.7%。交通电气化水平不断提升，电动汽车保有量快速增长。截至2018年，德国电动汽车保有量达17.7万辆，新增6.7万辆，同比增长60.9%。德国2013—2018年电动汽车保有量变化如图3所示。
图2 德国2017年终端能源消费结构
数据来源：IEA：World Energy Balances 2019。
图3 德国2013—2018年电动汽车保有量变化
数据来源：IEA：Global EV Outlook 2019。
2）能源信息融合
德国高度重视信息化、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(Cyber Phsical System，CPS)和物联网(Internet of Things，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。
德国在数字化领域投资规模欧洲领先，重点支持初创企业的各项技术探索。截至2017年，德国在数字化领域的风险/私募股权投资总量达到35亿美元，孵化了大量能源数字化领域的优质初创企业。其中，德国能源行业典型初创企业主营业务和投资规模如表1所示。
表1 德国能源行业数字化应用典型初创企业
德国传统能源商也在能源数字化转型方面进行了卓有成效的探索。意昂（E.on）通过创新能源服务，以数字化、信息化解决方案满足客户需求，其实践涵盖从能源生产、传输至消费的完整链条。例如在可再生能源利用方面，通过Sunroof等线上工具，利用卫星和气象数据帮助客户计算屋顶光伏发电潜力。在能源网络优化方面，旗下配网商HanseWerk于2017年开发了基于人工智能的中压配电线路故障预警技术，结合电力线路年限和类型、维护信息、天气数据以及实时电网信息，通过全面的数据分析与自学习算法，能够提前判断出高风险故障点并告警。在客户服务方面，以智能电网与智能电表为基础，通过E.ON Plus与美国科技巨头微软合作，加强控制终端与光伏电板、储能、充电桩、智能电灯、智能制冷/加热等应用的融合，向居民客户提供智慧家居服务。
3）能源市场建设
德国能源市场体系较为完善，电力和天然气市场交易机制、监管体系比较成熟，交易量在欧盟国家中位居前列，为能源互联网多能源市场交易建设奠定了基础。
位于莱比锡的欧洲能源交易所（European Energy Exchange, EEX)是德国乃至中西欧影响最广泛的电力交易市场，以公平、透明的定价为各类市场参与者提供服务。德国联邦网络局（Bundesnetzagentur)作为电力市场监管机构，主要是保障输配电网向所有市场主体无歧视公平开放和电力供应方面的竞争，确保德国的电力供应安全、可靠、高质量。
德国天然气市场结构较为复杂。下游城市配气公司大多数归当地政府所有，并由当地政府组织运营，约有700家公司负责为城市居民和部分中小型工业用户供气。中游区域输气公司管网一般分布于某个州内或者几个州的部分地区，可灵活地进行天然气贸易。位于上游的公司则负责进口或生产天然气，供给中下游公司或直接为大型城市和特大型工业用户供气。在监管方面，德国联邦卡特尔局（Bundeskartellamt），又称企业联合管理局，负责在联邦政府颁布的竞争法令框架内对天然气公司之间的竞争进行监管，避免垄断发生。
（二）政策支持
德国政府相继出台了大量政策法规引导社会各界聚焦可再生能源开发利用、能效提升等领域（如表2所示），这也为能源互联网的发展提供了政策支持。通过目标导向类政策，德国为能源发展设定了阶段目标，规划了技术路径。例如2010年德国联邦经济与技术部公布的《能源战略2050》，从总体上明确了德国未来40年能源转型的行动路径，提出了可再生能源利用、能效提升等9个具体行动领域。同时，德国通过一系列财政激励政策对相关领域给予了经济补贴、税费减免等支持。例如2000年制定的《可再生能源法》，明确提出了对可再生能源上网电价进行补贴，以推动可再生能源发电快速发展。此后，德国还结合其可再生能源利用现状，多次修订《可再生能源法》，在鼓励可再生能源发展方面建立了一整套完善的法律法规体系。
表2 德国能源互联网发展相关政策
（三）典型实践
在政府部门引导下，德国分阶段开展了两个批次的系列示范项目，对能源互联网进行了初步探索和试验示范。其中，2008年启动的E-energy项目，从市场、技术、系统层面全方位探索了信息通信技术推动不同能源系统之间耦合、互联、交易的潜力和实现方式。2012年启动的C-sells项目隶属于“智慧能源——能源数字化转型”展示计划（SINTEG），致力于打造小型的数字化能源互联系统，实现区域内的能源产消微平衡和优化。
1）E-Energy系列示范项目
E-Energy是德国联邦经济技术部（BMWi）发起的能源互联网创新计划，综合地区能源结构特点、经济发展特点、能源消费模式、基础支撑平台等多维因素，选取了6个具体试点项目，主要研究内容如表3所示。
表3 德国E-Energy项目主要研究内容
综合考量上述6个子项目的基本特征，可以看出E-energy是德国在能源互联网背景下进行的一次能源与信息技术融合发展的卓有成效的探索。通过先进信息通信技术，构建出需求侧资源、能源市场等几个关键元素协调互动，促进可再生能源可靠消纳的关键应用场景。
2）C-sells项目
C-sells项目选址在德国南部的巴伐利亚州、巴登—符腾堡州和黑森州，覆盖了德国重要的工业负荷中心如斯图加特、莱茵—内卡区域、大慕尼黑地区，涵盖2602个城镇，3000万人口，80万个能源用户。C-sells项目通过数字基础设施连接大量智能楼宇、社区、城市，形成多能流耦合规划和控制的“细胞”单元，在此基础上构建区域优化的蜂窝能源互联系统，如图4所示。
图4 C-sells蜂窝能源系统的运行示意图
C-sells项目实现了单个“细胞”的能源信息融合调度。一个细胞结构的基本功能是为位于其中的用户供应能源，该结构可以通过分布式能源、生产者与消费者之间的互动，将能源网络整体划分为“细胞”进行治理，有助于应对电网日益增长的复杂性。将来还需要进一步开发供能系统的灵活性，例如通过能源和信息基础设施将不同基础元素连接起来，保证信息和能源的安全流动互通，并通过电、热、冷等多能互补实现细胞结构内的局部优化。C-sells采用使能源系统更加灵活的蜂窝组网方式，实现能量互济和综合优化，提升整体运行效率。
（四）总结与启示
1）现状总结
总体来看，德国能源互联网发展具有以下特点：
一是发展动因上，德国受化石能源匮乏、核能角色弱化、减排目标压力大等多重因素影响，对可再生能源利用、能效提升需求迫切，德国政府提出大力推动以“能效优先、可再生能源开发利用、跨领域耦合”为三大要素的能源转型，建设能源互联网是其推动能源转型的关键着力点。
二是发展方向上，德国结合其“工业4.0”发展战略和自身数字化产业发展优势，在能源互联网建设过程中侧重于推动能源数字化发展，利用先进信息技术对能源系统进行全环节改造，通过能源信息深度融合来推动能源系统向着清洁化、智能化、高效化的方向发展。
三是实践探索上，通过E-enegy、C-sells等一系列示范项目对能源信息融合应用、新型能源市场机制等关键要素进行了探索，并组成系列项目以形成规模化示范效应，同时在项目实施中大胆创新，提出了细胞电网、区域蜂窝能源系统等创新理念。
2）经验启示
一是虽未形成明确的能源互联网发展模式，但基于自身国情和能源系统特点进行了针对性的探索。德国油、气等化石资源匮乏，发展可再生能源、提升能源效率需求迫切，其结合自身数字化技术和产业优势，以提升可再生能源消纳、促进能效提升等为目标，推动能源信息融合、数字化电网等能源互联网关键要素的针对性探索。
二是数字化技术成为德国推动能源转型和未来赋能能源互联网建设的主要驱动力。德国充分把握本国“工业4.0”战略契机，大力推进数字化技术在能源领域的推广和应用，相关投资规模位列欧洲前列，以E-energy为代表着重实践了能源信息融合相关技术，取得了良好的成效。
三是打造出具有世界影响力的能源互联网示范项目，对能源互联网关键元素和重点领域的进行了良好的试点示范。德国对于能源互联网相关示范项目的推进具有详细的规划，并注重对能源互联网构建的关键要素，以“分区遴选，各有侧重”的方式进行全面的试点，如其E-energy示范项目在全国筛选出六个地区，组成系列化示范，获得了良好的示范效应。
作者介绍
吴潇雨，国网能源研究院能源互联网研究所中级研究员，电力系统自动化专业博士，工程师。主要从事能源互联网、综合能源系统、综合能源服务等研究，发表相关SCI、EI检索论文10余篇。先后参与国家能源局、国家电网公司委托的重大课题5项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，获国家电网公司软科学成果奖、国网能源院科技进步奖等奖项等。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
王轶楠，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，控制理论与控制工程专业博士，工程师。主要从事能源互联网、智能电网、综合能源服务、商业模式创新等相关研究，发表SCI、EI论文10余篇，申请发明专利6项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，曾获国家电网公司2019年度软科学成果奖一等奖。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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