可再生能源规模化开发示范项目（行业耦合-塑造一体化可再生能源系统）

德国的能源转型（Energiewende）有了一个新的流行词：行业耦合。以可再生能源而不是化石燃料为能源密集型供暖，运输和工业的想法将需要推出许多新技术和规则。陪审团仍然没有确定哪些技术最适合“电气化”整个经济，因为利益相关者提出了不同的解决方案。本实况报道解释了行业耦合的含义，以及德国正在讨论的实施方案。

什么是行业耦合？

行业耦合（德语：Sektorkopplung）是指将能源消耗部门-建筑物（供暖和制冷），运输和工业-与电力生产部门互连（整合）的想法。

到目前为止，德国的能源转型——远离核能和化石燃料，以及形成一个几乎完全由可再生能源驱动的系统——主要发生在电力部门，可再生能源在总电力消费中的份额为36%。其他地区，特别是建筑和运输，仍然主要依赖化石燃料，在德国的一次能源消费中，可再生能源仅占13%（2017年初步数据）。

在所有与能源相关的过程中使用电力，无论是运输，供暖还是制造，都将彻底改变我们所知道的能源世界。

今天，电力用于操作机械和技术设备，如计算机。工业和家庭使用电力照明，但为了保持家庭温暖，德国人主要依靠天然气和矿物油加热系统，几乎所有形式的道路运输 - 汽车和卡车 - 都依赖汽油或柴油燃料。

使电力成为这些部门的默认能源形式将是迈向有时被称为“全电世界”的一步 - 它可以解决可再生能源发电目前面临的几个问题。

由于德国可再生能源的主要来源是风能和太阳能，因此在需要能源时并不总是可用的，因此储存电力是一个主要问题。各部门的互连可以在这方面有所帮助：部分电力可用于加热大量水（电改热），用于加热房屋，从而间接使供暖部门电气化。在发电高峰期，电力可用于生产氢气或合成气（电力对天然气）。储存能量的气体既可以用来为车辆提供燃料，也可以在几乎没有阳光和风的时候变回电能或热量。

德国政府选择在大多数过程中使用可再生电力。它认为使用可再生能源（直接或间接，即电力到x）是使该国经济脱碳的最佳方式，即到2050年使其基本实现碳中和。其他选择，例如使用生物燃料 - 例如生物柴油，木材（颗粒）燃烧 - 单独使用由可再生能源驱动的运输和供暖，被视为不可行，因为用于燃料生产的大量生物质的潜力有限。

在所有耗能的部门使用电力提出了一些棘手的问题，例如如果整个经济将电力作为默认的能源形式，将需要多少电力，以及如何以最具成本效益和最实用的方式在全国范围内存储和分配能源。

如何使每个部门“电气化”？1. 电力部门

用风能、太阳能、生物质能、水能或地热设施的电力替代煤炭、天然气和核电站产生的电力。

2. 建筑物（供暖和制冷）

现状（2016/2017年）-德国家庭是最大的供热用户（44%），其次是工业（38%）以及商业、贸易和服务（18%）。家庭主要使用化石燃料（47%的天然气，24%的矿物油，17%的可再生能源，2%的电力，9%的区域供热）进行加热（不包括热水）。用于供暖的能源也用于工业和商业，贸易和服务部门。2017年，可再生能源在供暖领域的总体份额为12.9%。冷却过程的能源使用可以忽略不计 - 占德国最终能源消耗的2%。德国家庭通常不使用空调系统。

目标 - 政府对建筑行业的目标是到2020年将热耗减少20%，到2030年将温室气体排放量减少67%。

增加可再生能源在供暖部门所占份额的技术包括使用生物质能（目前用于为家庭供暖的可再生能源中有三分之二来自生物质，例如木屑颗粒）、太阳能热能和地热装置、热泵、电力制热和电力制气装置。

热泵被认为是将供暖部门整合到基于电力的能源系统中的关键技术。这些设备使用电力来循环热/冷液体，利用来自外部空气，地热或地下水的热量。热泵的安装必须与建筑物的隔热齐头并进，以确保减少热量损失，并使整个行业变得更有效率。

另一种电能制热解决方案使用多余的电力（例如，在风能或太阳能可再生能源发电量非常高的时期）来加热大量水，然后在区域供热网络中循环（这些网络已经存在于几个德国城镇）。

沼气厂的多余热量也可用于此类供暖网络。

在电力对天然气装置中产生的合成气体，使用电力制造氢气（电解）并添加CO2以产生甲烷（=天然气），也可以用于加热部门而不是化石天然气。

3. 移动性

现状（2017年）——德国运输部门使用的能源中，94.8%来自化石燃料。可再生能源仅占5.2%（主要是生物柴油）。

目标 - 到2020年，政府希望将运输部门的最终能源消耗减少10%（2050年：-40%），到2030年将温室气体排放量减少40%。

运输部门脱碳的关键技术包括使用压缩天然气（CNG），生物燃料，电池，氢气或合成燃料。

除了使用天然气和生物燃料外，所有这些技术都将是与电力系统互连的一部分，无论是直接（电池，用电充电）还是间接地，在电力对天然气（氢气或合成天然气）或电力到液体（以类似于电力到天然气的程序生产的液体合成燃料）应用中。航空，航运和公路货运将成为power-to-x技术的候选者，而不是基于电池的发动机。

在个人出行领域，公共交通、汽车共享、骑行、步行以及最终的自动驾驶预计将在德国基于电力的新型出行概念的发展中发挥越来越大的作用。

CLEW的客座漫画家Mwelwa Musonko受到能源转型的新流行语部门耦合的启发。

4. 工业

现状（2016年）——工业过程占德国最终能源消耗的28%。天然气（35%）、硬煤（14%）和电力（32%）满足了大部分工业能源需求。只有4%来自可再生能源。工业部门所需的能源中有四分之三用于处理热量，其余用于运行发动机和机械。所有排放的38%来自与能源使用无关的过程，但例如水泥，白垩或钢铁的制造，或其他化学过程。

目标 - 政府希望到2030年将工业部门的温室气体排放量减少50%。

技术 - 工业部门将更加节能，用于实现这一目标的技术取决于特定的制造工艺和回收策略。

根据工业过程是否需要气体、矿物油、化学品、热能或电力，其他部门中所有适用的功率到x技术也可用于工业部门的电气化。

然而，政府承认，并非所有工业和农业过程都可以完全脱碳。因此，如果德国计划在2050年实现80-95%的温室气体减排，那么其剩余的5-20%的二氧化碳排放量（10%=1.25亿吨二氧化碳当量）可能来自这些部门。无论如何，为了达到碳中和，工业的温室气体排放可以被捕获和利用，或储存（CCU / CCS），或由CO2汇抵消。

德国需要多少电力，在“以功率到x”的进程中将损失多少电力？

研究人员试图通过模拟德国未来的经济、社会和能源系统来寻找答案的一个主要问题是，如果所有能源使用部门都实现电气化，将需要多少电力。这些情景的结果范围为每年 462 至 3，000 太瓦时 （Twh）。

2016年，该国年度最终能源消耗为2542 TWh，电力消耗总量为516 TWh。2015年，仅供暖/制冷和热水服务就使用了748 TWh。

与此同时，美国能源公司埃克森美孚（ExxonMobil）估计，到2040年，德国的能源消耗将下降约30%，三分之二的汽车仍将使用矿物燃料，电动汽车仅占当年车队的五分之一。

2010年，政府设定了到2050年将一次能源消耗与2008年水平相比减少50%和25%的目标。Fraunhofer ISI在2018年的一项研究中表示，仅考虑到电动汽车的电力需求，以及供暖和工业部门的电力需求 - 总是取决于效率的提高 - 这些功耗目标可能必须修改。

所需的电量还将取决于为每个部门供电而选择的技术。将一种形式的能量转换为另一种形式的能量（例如在功率到气体过程或为电池充电时）时损失的能量 - 称为能量转换效率 - 对于每个过程都是唯一的。利用电力产生氢气（电解）并再次使用这种氢气发电，其转换效率为40%，这意味着60%的原始产生的能量在转化过程中损失。

电池驱动的汽车的能量转换效率为69%，而氢燃料电池汽车的能量转换效率为26%，合成燃料驱动的汽车的能量转换效率为13%。

在供暖领域，电动热泵的效率系数为285%，因为电力有助于利用来自外部空气，土壤（地热）或地下水的热量。氢燃料电池加热设备的转换效率为45%，而以可再生气体（甲烷）为燃料的加热系统的相应数字为50%。

哪一种是扇区耦合的“正确”技术

在德国，对于未来不同部门最终将采用的直接或间接使用电力的众多技术中，仍有争议。一些人主张大多数行业的直接电气化，而另一些人则认为，只有使用power-to-x技术才是可行的。

尽可能在供暖，运输和工业过程中直接使用电力的主要论点（由Leopoldina，Agora Energiewende / Verkehrswende或Ökoinsititut等研究人员提出）是，这是最节能的解决方案，即在转换中损失的能量更少。这意味着需要的可再生能源装置（可用空间有限）将减少，需要进口的能源将减少，因此总成本将降低。作为优先事项，私家车，火车，公共汽车和私人住宅都应该由电力提供动力/加热，而大型车辆和工业过程将由氢气，甲烷或其他合成燃料提供动力。这对于能源的长期储存也很重要，智库Agora Energiewende和Agora Verkehrswende在2018年辩称。他们警告说，特别是在个人交通工具中，不要用合成燃料和天然气代替汽油，因为这种汽车的耗电量大约是电池电动汽车的五倍。

支持电力转天然气技术的主要用途是天然气基础设施行业，以商业为导向的德国能源署（dena），以及德国风能协会（BWE），以及本研究中的绿色和平组织。他们的理由是，在可再生发电量低的情况下，只有天然气（例如以甲烷的形式）可以以电力系统所需的数量储存，作为备用。此外，现有的天然气网络不仅可以用于储存，还可以用于在整个德国运输天然气，从而减轻电网的压力。由于天然气在供暖和工业领域都有使用，因此可以使用一些现有的应用和工艺，而无需引入新技术（例如，房屋中的热泵）。现有的沼气厂可以提供从氢气中产生甲烷所需的二氧化碳。

一般来说，大多数参与者都同意，需要多种技术的混合来使不同部门脱碳和互连。所有利益相关者都要求可预测的框架条件，许多人要求一个公平的竞争环境，让最具成本效益的技术获胜。

在其2018年的联盟条约中，政府表示将支持综合能源系统的研究;配电网络和公共交通在这种系统中发挥着至关重要的作用;并且它将促进氢技术。它还希望改革连接这些部门所需的天然气和供暖基础设施的融资。

挑战 – 正确整合并连接各行各业

能源使用部门的互连将需要众多流程的数字化，以更好地同步供需（请参阅数字化档案）。必须回答几个实际和法律问题，以便能够建立一个综合能源系统。这些包括发电机，电网，存储设备和电解槽的征税和/或补贴方式;谁被允许操作它们;谁负责管理来自可再生能源设施和家庭的电力流，以稳定电网（配电或输电网运营商？以及关于如何，何时何地允许人们为电动汽车充电的规则。

如果30%的德国人驾驶电动汽车，最好在傍晚下班回家后给电动汽车充电，那么低压电网很可能会崩溃，咨询公司Oliver Wyman在最近的一项研究中警告说。与其说是汽车电池所需的电量，不如说是同时充电的行为会使电网不稳定。

考虑到仅电动汽车的电力需求就可以将德国的电力消耗提高100太瓦时 - 占当今消费量的20%，应用生态研究所（Ökoinsitut）计算出 - 利益相关者正在提出将电动汽车纳入系统而不冒停电风险的想法。

可能有财政激励或规则（或两者兼而有之），以确保并非所有电动汽车同时收费。此外，如有必要，汽车电池可用于将电力反馈到电网中。负载极其繁重的快速充电站会给电网带来很大的压力，只能在公共场所使用。那些希望在家中拥有快速充电点的车主将不得不支付必要的电网升级费用。

“重要的是，这些规则从一开始就清晰而诚实地传达出来。如果我们希望人们只在特定时间收费，我们就不能让他们习惯于随时给汽车加油，然后再改变规则，“非政府组织德国观察政策主任克里斯托夫·巴尔斯（Christoph Bals）说。

虽然这些对未来规则的建议有多少细节似乎很奇怪，但所有利益相关者都热衷于从一开始就把它做好，避免代价高昂的错误，比如所谓的“50.2赫兹问题”。早在2005年，电网运营商就下令，如果电网中的频率超过50.2赫兹，出于安全原因，太阳能光伏装置必须关闭。随着太阳能装机容量从2006年的3吉瓦飙升至2012年的33吉瓦，人们发现，如果由于这个问题同时关闭大量太阳能光伏设施，可能会发生停电。最终，超过300，000个太阳能光伏装置不得不翻新。“我们解决了这个问题，它花费了我们数十亿欧元，但我们也在此过程中提出了许多创新解决方案，”亚琛工业大学教授Armin Schnettler评论道。

规划新电网结构的电网运营商TenneT和50Hertz提出了各种方案，表明电网扩张的需求取决于德国实现能源转型的方式，也取决于将部门与电力供应耦合所采用的技术（参见情况说明书德国电网的设置和挑战）).例如，关于大型电解槽的位置，何时运行，由谁操作以及它们的成本的决定对于未来电网的规划者来说同样重要，输电网运营商Amprion的规划部门负责人Peter Barth在2018年初在柏林的一次会议上表示。

费用是多少？

由于围绕将用于行业耦合的技术的许多问题仍未得到解答，因此判断整个任务的成本是出了名的困难。同时，计算不同集成解决方案的潜在成本可以为哪种技术更可取的争论提供信息。

2017年Enervis的一项研究计算了不同场景的成本，得出的结论是，使用电力转天然气技术比完全电气化更具成本效益。

在2018年关于基于电力的合成燃料成本的研究中，Agora Energiewende和Agora Verkehrswende得出结论，电力制气技术（电解槽）只能在过量的可再生能源下运行的假设是错误的。为了使它具有经济意义，必须连续使用这项技术，这将需要更多的功率。只有通过高二氧化碳价格，它才能成为化石燃料的可行替代品。其他研究人员认为，在整个不同部门中尽可能多地直接使用电力在经济上是可取的。

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