德國(guó)可再生能源的補(bǔ)貼曾使德國(guó)的電價(jià)一路攀升，成為了世界上最高的電價(jià)，最后又迫使各黨派達(dá)成共識(shí)，要逐步地取消對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼，爭(zhēng)取在2026年完全取消可再生能源“稅” [2]。德國(guó)新一屆政府計(jì)劃提前取消對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼，預(yù)期可以使德國(guó)居民電價(jià)回到正常水平。

高比例可再生能源的市場(chǎng)設(shè)計(jì)包括可再生能源的補(bǔ)貼設(shè)計(jì)、可再生能源的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)和可再生能源的的安全供電三個(gè)方面。下面將用一些德國(guó)能源市場(chǎng)的歷史事件分別舉例解釋這三個(gè)方面設(shè)計(jì)的理論和原則以及它們?cè)趯?shí)際中應(yīng)用的效果。

一、德國(guó)可再生能源的補(bǔ)貼設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，可再生能源的補(bǔ)貼設(shè)計(jì)分為價(jià)格控制和數(shù)量控制兩種模型。價(jià)格控制模型是先確定好價(jià)格，再通過(guò)監(jiān)管的方式確定補(bǔ)貼數(shù)量。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)補(bǔ)貼電價(jià)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。由于補(bǔ)貼價(jià)格是固定的，可再生能源的發(fā)電價(jià)格是未定的，所以補(bǔ)貼數(shù)量的結(jié)果是不確定的，因而價(jià)格控制模型的補(bǔ)貼總成本有很大的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)量控制模型是先確定好數(shù)量，再通過(guò)拍賣的方式確定補(bǔ)貼價(jià)格。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)拍賣量來(lái)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。由于補(bǔ)貼數(shù)量是固定的，可再生能源發(fā)電價(jià)格是未知的，所以中標(biāo)價(jià)格結(jié)果是不確定的，因而數(shù)量控制模型的補(bǔ)貼最終價(jià)格有風(fēng)險(xiǎn)。

圖一：德國(guó)可再生能源發(fā)展和政策調(diào)整的關(guān)系

德國(guó)政府覺(jué)得保護(hù)投資人的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益更有利于發(fā)展可再生能源，所以決定采用價(jià)格控制模型。2000年首次頒發(fā)的可再生能源法規(guī)定了固定電價(jià)補(bǔ)貼20年。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，價(jià)格控制模型被認(rèn)為是非常有效的，使德國(guó)的可再生能源得以迅速發(fā)展。

圖二：光伏組件價(jià)格的歷史發(fā)展

光伏組件價(jià)格不斷地下降，數(shù)量每翻一番價(jià)格就會(huì)下降25%（圖二），超過(guò)了德國(guó)價(jià)格控制模型中對(duì)光伏價(jià)格的預(yù)估。結(jié)果價(jià)格控制模型果然出了典型的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，即光伏發(fā)電補(bǔ)貼的數(shù)量失控。2009年以后，由于光伏發(fā)電補(bǔ)貼過(guò)多，造成電價(jià)迅速上漲（圖一中紅色曲線的第一次上升部分）。德國(guó)政府 2012年修改了價(jià)格控制模型中光伏價(jià)格的模型，降低了對(duì)光伏的補(bǔ)貼（圖一中紅色曲線的第一次平緩部分）。針對(duì)可再生能源的波動(dòng)性引起的電力系統(tǒng)平衡能量逐漸地增多，德國(guó)政府又對(duì)可再生能源上市實(shí)行了義務(wù)制和獎(jiǎng)勵(lì)制，發(fā)揮了具有自平衡機(jī)制的電力市場(chǎng)的作用，減低了對(duì)電力系統(tǒng)平衡能量的需求[3]，但是能源密集型產(chǎn)業(yè)的免稅使分?jǐn)偟狡渌I(yè)和居民的電費(fèi)成倍上漲（圖一中紅色曲線的第二次上升部分）。當(dāng)時(shí)德國(guó)政府的定價(jià)原則是補(bǔ)貼應(yīng)高于現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格。由于可再生能源越來(lái)越多，現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格下降得越厲害，所以大多數(shù)可再生能源的持有者還是選擇繼續(xù)拿補(bǔ)貼。雖然平衡市場(chǎng)有了一直激勵(lì)的機(jī)制，但現(xiàn)貨市場(chǎng)仍然沒(méi)有什么起色，也沒(méi)有解決電價(jià)居高不下的困局。德國(guó)政府2014年不得不又重新修訂可再生能源法，要求自備電廠也必須繳納可再生能源能源“稅”（能源密集型產(chǎn)業(yè)除外），限制不合理的“避稅”的情況。

2017年風(fēng)電的價(jià)格開始接近化石能源，德國(guó)政府再一次修改可再生能源法，從以前的價(jià)格控制模型改為數(shù)量控制模型。基本上是將價(jià)格視為市場(chǎng)反應(yīng)，將數(shù)量視為政府要求（而不是像以前那樣反過(guò)來(lái)）。招標(biāo)改為拍賣的方式后，小公司利用利潤(rùn)低中標(biāo)居多。2017年的可再生能源法還引入了補(bǔ)貼市場(chǎng)直銷的激勵(lì)原則。如果可再生能源發(fā)電直銷現(xiàn)貨市場(chǎng)，從市場(chǎng)獲得的盈利低于固定補(bǔ)貼，差值部分由政府補(bǔ)齊。明顯不同于其它國(guó)家的是，如果市場(chǎng)獲得的盈利高于固定補(bǔ)貼，增值部分不必上交。這一市場(chǎng)激勵(lì)方式被認(rèn)為是卓有成效的，有效地抑制了可再生能源“稅”的繼續(xù)上漲（圖一中紅色的補(bǔ)貼曲線再次平緩），成為德國(guó)可再生能源高消納的一個(gè)秘訣。

德國(guó)新一屆政府已決定將在2023年取消對(duì)可再生能源的補(bǔ)貼。這將大大促進(jìn)儲(chǔ)能的發(fā)展。電轉(zhuǎn)熱將會(huì)因此很快商業(yè)化，一方面補(bǔ)足熱泵數(shù)量不足的情況，完成2030年“綠色”熱能供熱達(dá)到50%的新目標(biāo)，另一方面通過(guò)電轉(zhuǎn)熱的靈活性保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。按照德國(guó)新一屆政府的計(jì)劃，電力市場(chǎng)也需要重新設(shè)計(jì)，準(zhǔn)氫氣（H2-ready）燃?xì)怆姀S將會(huì)扮演重要角色，基礎(chǔ)將是綜合能源（所謂“行業(yè)聯(lián)盟”），彌補(bǔ)目前電力現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制的弱點(diǎn)。其實(shí)德國(guó)新一屆政府的大部分能源政策早已是專家們的共識(shí)，聯(lián)盟黨上臺(tái)也會(huì)如此，可以說(shuō)是政策專家化了。

二、德國(guó)可再生能源的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)

德國(guó)選定了用純電量市場(chǎng)原則作為發(fā)展可再生能源的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)原則。在純電量市場(chǎng)中，激勵(lì)措施的出發(fā)點(diǎn)是在某一時(shí)間點(diǎn)的負(fù)荷需求。當(dāng)負(fù)荷需求量得到發(fā)電量的滿足時(shí)，就形成了價(jià)格。這個(gè)滿足最后一個(gè)單位需求的邊際價(jià)格是基于發(fā)電的邊際成本或需求的邊際效益。理解這一機(jī)制的關(guān)鍵是，機(jī)會(huì)成本是邊際成本和邊際收益的一個(gè)重要因素。比如發(fā)電商可以根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格把電賣到現(xiàn)貨或平衡市場(chǎng)，那么在平衡電力市場(chǎng)上，機(jī)會(huì)成本對(duì)應(yīng)于現(xiàn)貨市場(chǎng)上的預(yù)期收入損失。根據(jù)機(jī)會(huì)成本發(fā)電商可以選擇現(xiàn)貨市場(chǎng)或者平衡市場(chǎng)交易。發(fā)電的邊際成本或需求的邊際效益并沒(méi)有一個(gè)恒定的值。在負(fù)荷需求量大的時(shí)候，通常也會(huì)獲得更高的收益，從而有更高的電價(jià)的意愿。純能量市場(chǎng)的基本特征是，沒(méi)有政府規(guī)定的擔(dān)保電力需求，市場(chǎng)電價(jià)也不受到政府的限制。

德國(guó)的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)基于銅板原理，假定電網(wǎng)容量無(wú)限大，可以不限地域進(jìn)行自由交易，非常有利于發(fā)展創(chuàng)造新的商業(yè)模式，因?yàn)榈聡?guó)業(yè)界認(rèn)為市場(chǎng)的活躍程度決定了市場(chǎng)的生命力。一般來(lái)說(shuō)，交易產(chǎn)品交接時(shí)間越短，市場(chǎng)的地理定義越大，市場(chǎng)靈活性的潛力就越高。相反，市場(chǎng)區(qū)域越小（或活躍程度越低），最小交割期定義得越長(zhǎng)，靈活性潛力越低。節(jié)點(diǎn)電價(jià)受地域限制，沒(méi)有跨區(qū)域的發(fā)電售電組合，因而商業(yè)模式也受到限制，市場(chǎng)有可能不夠活躍。

德國(guó)電力市場(chǎng)分為場(chǎng)外交易，期貨交易，現(xiàn)貨交易和平衡能量交易。

場(chǎng)外交易和期貨

德國(guó)的場(chǎng)外交易一般是簽雙邊長(zhǎng)協(xié)，簽約時(shí)會(huì)參考現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格。當(dāng)現(xiàn)貨市場(chǎng)出現(xiàn)或預(yù)期出現(xiàn)發(fā)電不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者對(duì)套期保值有強(qiáng)烈需求，這也會(huì)使長(zhǎng)期市場(chǎng)的價(jià)格上漲。德國(guó)的場(chǎng)外交易占總電力交易的75%。相對(duì)其它歐洲國(guó)家而言，德國(guó)比較重視風(fēng)險(xiǎn)管控，沒(méi)有“無(wú)現(xiàn)貨非市場(chǎng)”的說(shuō)法，所以最近的能源漲價(jià)對(duì)德國(guó)來(lái)說(shuō)相對(duì)影響要比法國(guó)和英國(guó)都要小。這似乎應(yīng)證了德國(guó)業(yè)界的一種說(shuō)法，認(rèn)為企業(yè)能源交易的首要任務(wù)并不是賺錢而是控制風(fēng)險(xiǎn)，保障能源供應(yīng)，防止?jié)q價(jià)造成的企業(yè)傾家蕩產(chǎn)。

現(xiàn)貨市場(chǎng)

德國(guó)的現(xiàn)貨市場(chǎng)分為日前拍賣，日內(nèi)拍賣和日內(nèi)交易（圖三）。

圖三：德國(guó)德國(guó)電力交易模式

日前市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制按照按邊際成本（燃料和排放成本）排序，其中可再生能源發(fā)電的邊際成本為零，核電較低，煤電較高，燃?xì)獍l(fā)電更高，燃油發(fā)電的邊際成本最高。日前市場(chǎng)的價(jià)格機(jī)制采用按用電需求統(tǒng)一出清的方法（圖四）。市場(chǎng)需要的發(fā)電量按邊際成本排序，一直排到滿足負(fù)荷需求為止。這時(shí)的電價(jià)被稱為出清價(jià)格。如果出清價(jià)格是燃?xì)獍l(fā)電的邊際成本，那么煤電、核電和可再生能源發(fā)電都得到統(tǒng)一價(jià)格的發(fā)電費(fèi)用，所以在圖三的例子里可再生能源的發(fā)電收入實(shí)際上是燃?xì)獍l(fā)電最高的中標(biāo)價(jià)格。不過(guò)可再生能源的能源密度低于其它傳統(tǒng)能源，每發(fā)一千瓦時(shí)的電必須比用燃煤或燃?xì)獍l(fā)電投入更多的材料和能源，使得發(fā)電的投資成本一開始很高，所以德國(guó)政府制定的補(bǔ)貼高于市場(chǎng)價(jià)格。這也是補(bǔ)貼和市場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

日內(nèi)連續(xù)交易的價(jià)格是按照 "按標(biāo)價(jià)支付 "的程序確定。在連續(xù)交易中，收取的價(jià)格總是正好是各自交易中接受的價(jià)格，交易時(shí)間的不同，同一產(chǎn)品的價(jià)格也不同。只有在日內(nèi)拍賣中，才不適用按標(biāo)價(jià)付費(fèi)的程序，也不適用市場(chǎng)清算價(jià)格。日內(nèi)交易還包括了發(fā)電不足時(shí)高額電價(jià)和發(fā)電過(guò)剩時(shí)負(fù)電價(jià)的市場(chǎng)機(jī)制。

圖四：德國(guó)日前市場(chǎng)按邊際成本排序和統(tǒng)一出清的方法

這種電力市場(chǎng)的設(shè)計(jì)原則主要構(gòu)思是“減排“。可再生能源越多，發(fā)電曲線會(huì)越往右移，排擠化石能源，同時(shí)也會(huì)降低電價(jià)。可是電價(jià)越低，越不利于扶植可再生能源的自立和再融資，曾被認(rèn)為是德國(guó)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)上的一個(gè)缺陷。這也是所謂的市場(chǎng)投資導(dǎo)向問(wèn)題。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們一直認(rèn)為，雖然沒(méi)有人投資化石能源了，但市場(chǎng)設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮可再生能源的持續(xù)投資機(jī)制。全球能源價(jià)格“危機(jī)”給可再生能源的投資者帶來(lái)了意想不到的機(jī)遇。今年德國(guó)最早獲得可再生能源的補(bǔ)貼已經(jīng)20年期滿后結(jié)束，一部分投資者選擇了PPA（Power Purchase Agreement）的投資形式，另一部分投資者則選擇了“現(xiàn)貨直銷”（直接在現(xiàn)貨市場(chǎng)上銷售可再生能源）。隨著燃煤和燃?xì)鈨r(jià)格的不斷上漲，出清價(jià)格也越來(lái)越高，選擇了現(xiàn)貨直銷的運(yùn)營(yíng)商可以增加盈利最高達(dá)到50%以上。尤其是光伏發(fā)電的投資者，2012年前光伏發(fā)電曾被稱為“印錢機(jī)” ，2021年再現(xiàn)當(dāng)年“輝煌”。隨著碳價(jià)的上漲，燃煤和燃?xì)獾陌l(fā)電價(jià)格都會(huì)上漲，加上棄煤政策，燃?xì)怆姀S會(huì)越來(lái)越多地取代燃煤電廠的地位，主導(dǎo)統(tǒng)一出清的價(jià)格（圖四）。燃?xì)獍l(fā)電過(guò)去主要是擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)平衡的任務(wù)（調(diào)頻），以后不僅要負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)的平衡，還要擔(dān)負(fù)無(wú)風(fēng)無(wú)太陽(yáng)時(shí)安全供電的重任，最大發(fā)電小時(shí)數(shù)和盈利都會(huì)不斷地增加。由于可再生能源的發(fā)電成本越來(lái)越低，現(xiàn)貨市場(chǎng)的電價(jià)越來(lái)越高，會(huì)有越來(lái)越多的人投資可再生能源。當(dāng)然德國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)的電價(jià)在一定程度上會(huì)受到從相鄰國(guó)家輸入電力的限制。

德國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)事實(shí)上和股票市場(chǎng)沒(méi)有太大的區(qū)別，電力交易員大都來(lái)自股票市場(chǎng)，交易手段也類似，比如電力自動(dòng)交易就直接來(lái)自于股票市場(chǎng)。區(qū)別是電力交易受限于物理過(guò)程，即電力系統(tǒng)必須隨時(shí)保持發(fā)電和負(fù)荷的平衡，風(fēng)險(xiǎn)比股票市場(chǎng)相對(duì)小一些，電價(jià)預(yù)測(cè)也相對(duì)容易一些。商業(yè)模式有新能源直接上市銷售（現(xiàn)貨市場(chǎng)），參與平衡能源市場(chǎng)和再調(diào)度及靈活性市場(chǎng)等。現(xiàn)貨市場(chǎng)功能包括經(jīng)濟(jì)優(yōu)化平衡基團(tuán)，發(fā)電用電計(jì)劃優(yōu)化，實(shí)時(shí)買賣和調(diào)整計(jì)劃偏差。

圖五：德國(guó)的購(gòu)電方式舉例

德國(guó)購(gòu)電方式采用標(biāo)準(zhǔn)化的“塊狀”產(chǎn)品。偏差由自備電廠，自備電源，可控負(fù)荷控制或簽外協(xié)來(lái)調(diào)偏。德國(guó)有4個(gè)綠證GO機(jī)構(gòu)核實(shí)綠電，目前只有有70家供應(yīng)商（約占7%）。

德國(guó)的現(xiàn)貨市場(chǎng)設(shè)計(jì)了一種平衡基團(tuán)的機(jī)制[3]。平衡基團(tuán)是一個(gè)虛擬的市場(chǎng)基本單元，在此單元中，發(fā)電和用電量必須達(dá)到平衡。當(dāng)單元內(nèi)部達(dá)不到自平衡時(shí)，必須買入或賣出電量來(lái)保持平衡。平衡基團(tuán)負(fù)責(zé)每天預(yù)測(cè)該區(qū)域內(nèi)流入與流出電量，根據(jù)需要買入或賣出電量平衡該區(qū)域電量，并制成計(jì)劃上交給輸電網(wǎng)公司，而輸電網(wǎng)公司會(huì)根據(jù)這些表格在內(nèi)部平衡之后做出全區(qū)域的計(jì)劃。當(dāng)預(yù)測(cè)和實(shí)際發(fā)生偏差時(shí)，平衡基團(tuán)必須承擔(dān)系統(tǒng)的平衡費(fèi)用。目前配電網(wǎng)在計(jì)算平衡偏差的時(shí)候使用的是負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)曲線。負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)曲線實(shí)際上是德國(guó)轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)型前的標(biāo)準(zhǔn)，早已不適合高比例可再生能源的場(chǎng)景，配電網(wǎng)準(zhǔn)確計(jì)算平衡偏差可以進(jìn)一步地改善平衡基團(tuán)的機(jī)制。

虛擬電廠是負(fù)責(zé)平衡基團(tuán)的電力交易公司上市的必備工具。典型的商業(yè)模式是用預(yù)測(cè)服務(wù)賺錢，同時(shí)用于可再生能源現(xiàn)貨直銷，再用于現(xiàn)貨交易。由于客戶相同，也不增加營(yíng)銷和管理費(fèi)用，可以說(shuō)是一舉三得，可以充分發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效應(yīng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，每兆瓦的服務(wù)價(jià)格決定虛擬電廠的市場(chǎng)活力。平臺(tái)經(jīng)濟(jì)是規(guī)模經(jīng)濟(jì)，所以虛擬電廠規(guī)模越大，集成功率的兆瓦數(shù)越高，盈利也越佳[4]。常見的商業(yè)模式還有自動(dòng)發(fā)電優(yōu)化控制，利用虛擬電廠參加現(xiàn)貨市場(chǎng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡基團(tuán)的能量平衡（控制偏差）以及利用虛擬電廠參加現(xiàn)貨市場(chǎng)，負(fù)責(zé)集中采購(gòu)能源。由于現(xiàn)貨市場(chǎng)上的可再生能源越多，成交的電價(jià)越低，所以電力交易公司的盈利一直在下降，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。這使得市場(chǎng)上出現(xiàn)了專門的虛擬電廠平臺(tái)商，越來(lái)越集中，最后可能會(huì)以達(dá)成某種平衡而形成虛擬電廠的多頭市場(chǎng)壟斷。

歐洲的電網(wǎng)大部分是連在一起的，一共有6個(gè)地區(qū)的安全協(xié)調(diào)中心負(fù)責(zé)跨境的電力潮流優(yōu)化，通過(guò)統(tǒng)一出清算法使得各相鄰國(guó)家現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格日趨一致。在2010年引入的區(qū)域價(jià)格聯(lián)動(dòng)機(jī)制（PCR）的基礎(chǔ)上，歐洲各國(guó)在2014年實(shí)現(xiàn)了總共15個(gè)歐洲國(guó)家的全區(qū)域日前市場(chǎng)的耦合。2018年又實(shí)行了跨境日內(nèi)交易市場(chǎng)的耦合（XBID），允許參與國(guó)的協(xié)調(diào)出價(jià)，并在日內(nèi)進(jìn)行跨境交易。

圖六：歐洲日前市場(chǎng)耦合（PCR）和歐洲日內(nèi)市場(chǎng)耦合（XBID）

實(shí)行現(xiàn)貨市場(chǎng)耦合的好處是，通過(guò)優(yōu)化有利于減少電網(wǎng)擁塞，使各國(guó)現(xiàn)貨市場(chǎng)的價(jià)格趨于一致，減輕價(jià)格高峰， 緩解相鄰市場(chǎng)地區(qū)的極端天氣狀況（如寒流、風(fēng)暴）造成的影響，促進(jìn)電網(wǎng)消納高比例可再生能源的發(fā)展，提高供電的安全性和市場(chǎng)一體化，減少對(duì)單一國(guó)家的依賴性。這樣既發(fā)揮了歐洲各國(guó)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)的不同特色，又整合優(yōu)化了歐洲的現(xiàn)貨市場(chǎng)組合。

平衡能量市場(chǎng)

電力系統(tǒng)需要維持供需能量平衡。發(fā)電量大于負(fù)荷需求量，頻率會(huì)上升，負(fù)荷需求量大于發(fā)電量，頻率就會(huì)下降，超過(guò)一定范圍都會(huì)嚴(yán)重地影響電力系統(tǒng)的安全。為了維持供需能量平衡，平衡市場(chǎng)需既要為熱儲(chǔ)備功率付費(fèi)（功率價(jià)格），又要按實(shí)際投入的平衡電量付費(fèi)（能量?jī)r(jià)格）。德國(guó)的平衡電量市場(chǎng)是2020年底實(shí)行的，以前平衡能源只在一個(gè)交易平臺(tái)上進(jìn)行拍賣，而現(xiàn)在平衡功率和平衡電量的交易是在兩個(gè)獨(dú)立的能源市場(chǎng)上進(jìn)行的。平衡電量市場(chǎng)比平衡功率市場(chǎng)更節(jié)省平衡能量，雙重市場(chǎng)被認(rèn)為也是過(guò)渡階段，最終的發(fā)展方向是平衡電量的現(xiàn)貨市場(chǎng)。

一般來(lái)說(shuō)，可再生能源的比例越高，系統(tǒng)的波動(dòng)性越大，系統(tǒng)平衡成本也越高。美國(guó)是這樣，英國(guó)和法國(guó)也都是如此，但德國(guó)卻是個(gè)特例。德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)表明，具有自平衡機(jī)制(平衡基團(tuán)）的能源市場(chǎng)，加上對(duì)可再生能源發(fā)電量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)能有效地降低系統(tǒng)平衡成本[3]，成為德國(guó)可再生能源高消納的又一個(gè)秘訣。

平衡能量市場(chǎng)上有多種商業(yè)模式，有的是利用虛擬電廠參加平衡市場(chǎng)（調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)），另外的是銷售分布式能源的靈活性，比如400多臺(tái)生物制氣熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的運(yùn)營(yíng)聯(lián)調(diào)。尤其是傳統(tǒng)電廠，參加平衡能量市場(chǎng)（調(diào)頻市場(chǎng)）盈利會(huì)更好一些。平衡能量市場(chǎng)事實(shí)上已經(jīng)變成了一個(gè)出售能源靈活性的市場(chǎng)。

平衡能量市場(chǎng)的價(jià)格包括熱功率儲(chǔ)備的價(jià)格和實(shí)際出力能量的價(jià)格。為了降低平衡能量的費(fèi)用，德國(guó)曾實(shí)行一段時(shí)間的混合價(jià)格法，把熱功率儲(chǔ)備的價(jià)格和實(shí)際出力電量的價(jià)格合并在一起招標(biāo)。為了降低，發(fā)電公司采用壓低電量的價(jià)格，同時(shí)提高熱功率儲(chǔ)備的價(jià)格，結(jié)果引起結(jié)構(gòu)性連鎖反應(yīng)，形成惡性循環(huán)，幾度危及德國(guó)電力系統(tǒng)的安全（圖五），后來(lái)不得不終止混合價(jià)格法

圖六：平衡能量市場(chǎng)混合價(jià)格法的結(jié)構(gòu)性效應(yīng)

另外一次降低平衡能量的嘗試則獲得了成功。歐洲大部分國(guó)家的電網(wǎng)相互聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)國(guó)家需要增加平衡能量（正平衡能量）時(shí)可以利用相鄰國(guó)家需要降低平衡能量（負(fù)平衡能源），反之亦然，防止反調(diào)現(xiàn)象。從2020年底起，歐洲開始試行全歐洲電網(wǎng)優(yōu)化平衡能源。原有德國(guó)電廠的平衡能量?jī)?yōu)先排序加入了全歐洲的平衡能量?jī)?yōu)先排序，不僅進(jìn)一步地減少了德國(guó)對(duì)平衡能量的需求，也減少了全歐洲電網(wǎng)的平衡能量。實(shí)際上，這也是歐洲各國(guó)平衡能量市場(chǎng)的耦合。像歐洲現(xiàn)貨市場(chǎng)的耦合一樣，平衡能量市場(chǎng)的耦合也是在歐盟層次上通過(guò)立法推動(dòng)起來(lái)的。

理論上，電力平衡能量市場(chǎng)只是電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的一部分。除了調(diào)頻類服務(wù)（有功輔助服務(wù)）之外，電力輔助服務(wù)市場(chǎng)還應(yīng)該包括調(diào)壓服務(wù)（無(wú)功輔助服務(wù)）和黑啟動(dòng)等服務(wù)。不過(guò)調(diào)壓服務(wù)都是局部的，德國(guó)目前實(shí)行電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的可能性還不大，大部分都是以雙邊合同的形式解決的。

三、德國(guó)可再生能源的的安全供電

德國(guó)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)假定了電網(wǎng)容量無(wú)限大，意味著同時(shí)規(guī)定了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的兩個(gè)基本任務(wù)：一是必須提供足夠的電網(wǎng)容量來(lái)保障市場(chǎng)的正常交易，二是要求電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商處理電網(wǎng)擁塞時(shí)保障市場(chǎng)電量的平衡。這一原則從最開始的輸電領(lǐng)域擴(kuò)大到了后來(lái)的配電領(lǐng)域，今后還要推廣到低壓電網(wǎng)直至客戶端。德國(guó)的市場(chǎng)專家們一直對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)引入電網(wǎng)擁塞價(jià)格信號(hào)抱懷疑態(tài)度，認(rèn)為由于解決電網(wǎng)擁塞有利可圖有可能會(huì)造成人為的和持續(xù)的電網(wǎng)擁塞，所以解決電網(wǎng)擁塞的問(wèn)題不應(yīng)該屬于市場(chǎng)范疇，而應(yīng)該屬于監(jiān)管的范疇。

德國(guó)的電力市場(chǎng)還設(shè)計(jì)了可再生能源稀缺和過(guò)剩時(shí)的激勵(lì)的機(jī)理：在發(fā)電量不足的情況下，允許發(fā)電價(jià)格超過(guò)邊際成本，市場(chǎng)價(jià)格是由能源系統(tǒng)的靈活性確定的，可再生能源發(fā)電也會(huì)得到相應(yīng)的報(bào)酬。在發(fā)電量過(guò)剩的情況下，市場(chǎng)價(jià)格的下降會(huì)受到靈活性的限制，比如激勵(lì)轉(zhuǎn)移負(fù)荷用電。實(shí)際上，能源系統(tǒng)靈活性不足時(shí)，過(guò)剩的可再生能源會(huì)引起負(fù)電價(jià)。

圖七：2018年德國(guó)的負(fù)荷和剩余負(fù)荷曲線

一般來(lái)說(shuō)，供電安全應(yīng)該從國(guó)家儲(chǔ)備常規(guī)發(fā)電能力，覆蓋不靈活的需求，剩余峰值負(fù)荷和內(nèi)部市場(chǎng)覆蓋負(fù)荷的4個(gè)角度來(lái)考慮。其中覆蓋不靈活的需求要求系統(tǒng)靈活性大約的覆蓋每年1000小時(shí)左右。剩余峰值負(fù)荷要求峰值發(fā)電能覆蓋3000多小時(shí)，基本上只有燃?xì)怆姀S可以做到。對(duì)于一個(gè)100%可再生能源的系統(tǒng)，產(chǎn)生氫氣和氫氣發(fā)電的成本決定了整個(gè)能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。目前德國(guó)的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)中還沒(méi)有相應(yīng)的市場(chǎng)激勵(lì)措施。按照2019年的統(tǒng)計(jì)，最高負(fù)荷為80吉瓦，剩余峰值負(fù)荷最高達(dá)70吉瓦，可再生能源過(guò)剩功率為80吉瓦，理論上至少可以滿足電力轉(zhuǎn)型。

圖八：德國(guó)可再生能源過(guò)剩電量和功率

可再生能源有發(fā)電波動(dòng)性，發(fā)電梯度性（比如由于烏云光伏發(fā)電量可能在數(shù)秒內(nèi)降至零），預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確性和分布區(qū)域性四個(gè)特點(diǎn)。可再生能源比例越高，這四個(gè)特點(diǎn)對(duì)電力市場(chǎng)的影響越明顯。經(jīng)過(guò)20多年的努力，預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確性已經(jīng)基本得到了解決[4]。從市場(chǎng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，在高比例可再生能源的情況下，有效保證供電的一個(gè)關(guān)鍵就是充分地利用系統(tǒng)靈活性選擇的多樣性。系統(tǒng)靈活性選擇包括電廠快速啟動(dòng)、以負(fù)荷和儲(chǔ)能為基礎(chǔ)的削峰填谷、風(fēng)電調(diào)頻和直流控制潮流等措施。可再生能源比例越高，綜合能源起的作用就越大。系統(tǒng)靈活性的質(zhì)量是指其應(yīng)對(duì)發(fā)電梯度的技術(shù)能力。市場(chǎng)激勵(lì)系統(tǒng)靈活性的措施是改變交易規(guī)則。現(xiàn)貨市場(chǎng)交易結(jié)束和實(shí)際履行之間的時(shí)間差越長(zhǎng)，可再生能源發(fā)電的不確定性就越大，所以減少時(shí)間差有利于綜合能源系統(tǒng)的靈活性，更進(jìn)一步地提高現(xiàn)貨市場(chǎng)的實(shí)時(shí)性，減少能源系統(tǒng)的平衡能量。比如日內(nèi)交易的頻率在2011年12月由1小時(shí)改為15分鐘，可以說(shuō)是德國(guó)日內(nèi)交易的改革最重要的里程碑。同樣，平衡能量市場(chǎng)縮短準(zhǔn)備時(shí)間和實(shí)際出力時(shí)間也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的靈活性產(chǎn)生非常積極的影響，改善與其它相關(guān)市場(chǎng)的同步性。比如交易在2011年12月改為一直進(jìn)行到發(fā)電履行前的5分鐘也具有同樣的意義。

最初市場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)的靈活性有足夠的選擇。后來(lái)認(rèn)識(shí)到能源轉(zhuǎn)型還應(yīng)該包括供熱轉(zhuǎn)型和交通轉(zhuǎn)型[1]。這樣對(duì)可再生能源的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初所計(jì)劃的，不增加燃?xì)獍l(fā)電量實(shí)際上是很難做到的，因而有必要重新設(shè)計(jì)電力市場(chǎng)，建立新的市場(chǎng)規(guī)則。

四、德國(guó)新的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)

德國(guó)新一屆政府準(zhǔn)備在2022年完成新的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)。德國(guó)的電力轉(zhuǎn)型，供熱轉(zhuǎn)型以及交通轉(zhuǎn)型實(shí)質(zhì)上是以可再生能源電氣化為目標(biāo)的綜合能源轉(zhuǎn)型，德國(guó)新一屆政府將會(huì)考慮電轉(zhuǎn)熱和電轉(zhuǎn)氣等儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)作用，還會(huì)考慮綜合能源網(wǎng)絡(luò)的作用。德國(guó)目前任何形式的用電包括儲(chǔ)能都需要繳納可再生能源“稅“，因?yàn)檫@部分費(fèi)用占比較高，所以儲(chǔ)能還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性。按照新政府的計(jì)劃，2023年將取消可再生能源“稅“，不僅會(huì)使電轉(zhuǎn)熱很快地商業(yè)化，也會(huì)給電轉(zhuǎn)氣（儲(chǔ)氫）創(chuàng)造了良好的條件。過(guò)去德國(guó)的儲(chǔ)氣可以滿足冬季6個(gè)月的使用，德國(guó)燃?xì)馐袌?chǎng)化后，季節(jié)變化的可利用性減弱，儲(chǔ)備天然氣變得經(jīng)濟(jì)上劃不來(lái)了，需要額外收入才能保住經(jīng)濟(jì)性，比如儲(chǔ)氫氣用于保障電力供應(yīng)帶來(lái)的額外收入。

長(zhǎng)期以來(lái)，德國(guó)一直在爭(zhēng)論到底要不要容量市場(chǎng)。擁護(hù)者認(rèn)為只有容量市場(chǎng)才可以可靠地防止可再生能源短缺，歐洲已有一些國(guó)家引入了容量市場(chǎng)，而反對(duì)者則認(rèn)為容量市場(chǎng)非常不經(jīng)濟(jì)，容易出現(xiàn)監(jiān)管錯(cuò)誤，使能源轉(zhuǎn)型復(fù)雜化，應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)有的市場(chǎng)機(jī)制，使電力市場(chǎng)能夠自行補(bǔ)充所需的能力并確保供應(yīng)安全，也應(yīng)該進(jìn)一步提高能源靈活性和效率，并適當(dāng)提高電網(wǎng)儲(chǔ)備和監(jiān)控能源供應(yīng)安全。迄今為止德國(guó)的現(xiàn)政府一直反對(duì)政府干預(yù)市場(chǎng)，反對(duì)引入帶有“政府影響”的容量市場(chǎng)，但是是否能確保系統(tǒng)供應(yīng)安全還是個(gè)未知數(shù)，所以有人估計(jì)，德國(guó)新一屆政府一方面會(huì)加強(qiáng)鼓勵(lì)和發(fā)展系統(tǒng)的靈活性，發(fā)揮生物制氣發(fā)電、儲(chǔ)能或負(fù)荷管理的作用，另一方面也許會(huì)優(yōu)先考慮以燃?xì)怆姀S為基礎(chǔ)的容量市場(chǎng)，并將燃?xì)怆姀S的容量增加20-30吉瓦，使總?cè)萘吭?030年達(dá)到50-60吉瓦，使備用功率達(dá)到總負(fù)荷的60-75%。這種考慮是有一定道理的，因?yàn)槟壳叭細(xì)怆姀S沒(méi)有容量市場(chǎng)的附加收入經(jīng)濟(jì)上顯然維持不下去。德國(guó)氣象局研究過(guò)無(wú)風(fēng)無(wú)太陽(yáng)的天氣。按照20年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如果也考慮海上風(fēng)電，每年平均有兩次既無(wú)風(fēng)又無(wú)太陽(yáng)的天氣。如果只考慮風(fēng)電，德國(guó)大陸每年平均出現(xiàn)23次無(wú)風(fēng)的天氣，考慮海上風(fēng)電后平均出現(xiàn)13次無(wú)風(fēng)的天氣。因此，儲(chǔ)能會(huì)變得越來(lái)越重要，尤其是儲(chǔ)氫以及儲(chǔ)氫后的再發(fā)電技術(shù)。目前準(zhǔn)氫氣發(fā)電技術(shù)可以最多添加20%的氫氣，在德國(guó)已經(jīng)開始商業(yè)化了。不過(guò)從目前2030年的目標(biāo)來(lái)看，德國(guó)自己還不能提供足夠氫氣量，所以德國(guó)新一屆政府準(zhǔn)備說(shuō)服歐盟聯(lián)合采購(gòu)綠氫，確保綠氫燃料的供應(yīng)。

雖然“可再生能源+氫能”的模式可以促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，但是從能量轉(zhuǎn)換效率上來(lái)看是有問(wèn)題的，電制氫再發(fā)電經(jīng)過(guò)了兩次能量轉(zhuǎn)換，損失了近一半的能量，一直是可再生能源模式的一個(gè)悖論。“可再生能源+核能” 的模式就沒(méi)有效率問(wèn)題。理論上，核能既可以用來(lái)提供基礎(chǔ)負(fù)荷，又可以作為平衡能量，比如核電廠可以在15分鐘內(nèi)減少出力一半，燃?xì)怆姀S則需要半個(gè)小時(shí)，燃煤電廠甚至需要幾個(gè)小時(shí)。事實(shí)上，一些核電廠已經(jīng)獲得了進(jìn)入平衡能量市場(chǎng)的資格，但是目前經(jīng)濟(jì)上不一定劃算，比如核電廠作為基礎(chǔ)負(fù)荷只發(fā)70%，留下30%作為調(diào)節(jié)用。不過(guò)相比“可再生能源+氫能”的模式，“可再生能源+核能”的模式還是要經(jīng)濟(jì)多了，所以以“可再生能源+氫能”為基礎(chǔ)的德國(guó)模式會(huì)受到其它歐洲國(guó)家“可再生能源+核能”模式的挑戰(zhàn)。在這種“不利”的情況下，德國(guó)會(huì)全力發(fā)展氫產(chǎn)業(yè)，打造以氫產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的制造業(yè)。事實(shí)上，德國(guó)新一屆政府已經(jīng)做出了這樣的決定，歐盟正在討論的邊界碳稅也是為新型工業(yè)轉(zhuǎn)型做的準(zhǔn)備。