电力网络基础设施是能源转型的瓶颈：挑战与解决方案
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发布日期：2025年8月25日 / 更新日期：2025年8月25日 – 作者：Konrad Wolfenstein
电力网络基础设施是能源转型的瓶颈：挑战与解决方案 – 图片来源：Xpert.Digital
电网已达极限：德国能源转型为何停滞不前？哪些巧妙的解决方案能够助其摆脱困境？
### 电力高速公路上的交通堵塞：数千座太阳能发电厂等待并网——能源转型是否面临停电？ ### 电网的巧妙策略：如何通过“超额建设”节省数十亿美元并立即将太阳能发电厂并入电网？ ### 2025 年的电费账单：谁将受益于新的电网法规，谁又将很快支付更多费用？ ### 智能电网取代昂贵的电缆：数字技术如何革新电网扩建并降低成本？ ###
从北到南：为什么我们的电网正在成为瓶颈，以及虚拟电厂如何防止崩溃。
德国的能源转型正以惊人的速度推进，太阳能和风能发电厂的扩张势头强劲，但其成功却岌岌可危：老化的电网基础设施。曾经可靠的能源供应支柱如今正日益成为转型过程中最大的瓶颈。根本问题在于系统变革：从少数集中式的大型发电厂转向数千个分散式、受天气影响的发电机组。而原本设计用于单向输电（从发电厂到用户）的电网，却无法应对这种波动剧烈的双向输电。.
后果已经十分严重：像巴伐利亚电力公司（Bayernwerk）这样的电网运营商报告称，他们收到的可再生能源项目并网申请总额超过60吉瓦，但却无法满足这些申请。在许多地方，电网已达到其容量极限，导致新建太阳能发电园区并网等待时间长达5至15年。众所周知的南北电力差距加剧了这种情况，风力资源丰富的北部地区发电过剩，但这些电力却无法输送到南部的工业中心。整条街道已被宣布“无法并网”，导致太阳能热潮在局部地区陷入停滞。.
然而，应对这一巨大挑战需要的不仅仅是耗资巨大且耗时的新输电线路建设。我们需要创新且智能的方法来更有效地利用现有基础设施，并塑造未来的能源系统。这些方法包括：实时协调发电和用电的智能电网；将数千个小型设施整合为一个大型集群的虚拟电厂；以及诸如电网连接的“超额建设”和主动式“馈入插座”等巧妙概念。这些解决方案不仅有望加速能源转型，还能有效控制不断飙升的电网扩建成本，从而降低消费者的电价。下文将重点阐述最紧迫的瓶颈问题，并介绍最有前景的解决方案，这些方案将决定德国能源转型的成败。.
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为什么电网基础设施是可再生能源发展的关键因素？
电网基础设施是能源转型成功的基石，同时也是最大的瓶颈。问题在于能源系统的根本性变化：过去，大型集中式发电厂以可预测的方式生产电力，然后通过电网输送给消费者；而如今，分散且波动性较大的可再生能源占据主导地位。.
大型太阳能电站项目需要能够承载其并网容量的强大电网。然而，许多电网已经接近负荷极限，无法容纳任何新增容量。例如，巴伐利亚电力公司（Bayernwerk）报告称，其并网申请已超过60吉瓦，许多电网运营商表示，新并网的等待时间已长达5至15年。.
德国南北差异加剧了这一挑战：北部地区风力发电量超过消耗量，而南部工业中心地区能源需求量大于本地产量。随着核电和煤炭发电逐步淘汰，这一问题将更加突出。.
将太阳能电站并入电网存在哪些具体瓶颈？
将光伏电站并入电网所涉及的实际问题错综复杂，且影响所有电压等级。在中压等级，大多数装机容量在10至60兆瓦之间的地面光伏系统都接入该等级电网，而许多地区的电网负荷已经非常高。高压电网虽然容量更大，但需要建设成本高昂的专用变电站。.
巴登-符腾堡州克莱特高地区的情况就是一个具体的例子。当地电网运营商EVKR公布了一份街道清单，清单上的街道“极不可能再接入任何新的光伏系统”。这种电网瓶颈意味着，即使是已经安装的太阳能系统也无法并入电网。.
配电网运营商的电网扩容计划显示，中高压电网的许多区域被划定为“瓶颈区域”。这导致并网周期越来越长，一些项目甚至要到2030年以后才能并网，因为必须先扩建当地的电网基础设施。.
网络收费的发展趋势如何？会产生哪些影响？
占电价约四分之一的网络费用呈现出差异化的发展趋势。四大输电系统运营商已宣布，到2025年，网络费用平均上涨3.4%，达到每千瓦时6.65美分。此次上涨主要源于对电网扩建的巨额投资。.
与此同时，2025年全国范围内的电网收费标准化将使成本分配更加公平。可再生能源发展水平高的地区将受益：石勒苏益格-荷尔斯泰因州的电网收费将降低29%，梅克伦堡-前波美拉尼亚州将降低29%，勃兰登堡州将降低21%，巴伐利亚州将降低16%。.
此次重新分配考虑到了可再生能源发电厂较多的地区此前不得不承担不成比例的高昂电网扩建成本。与此同时，可再生能源占比较低的地区，特别是巴登-符腾堡州、莱茵兰-普法尔茨州和北莱茵-威斯特法伦州，电网费用却在不断上涨。.
什么是智能电网？它们如何为解决方案做出贡献？
智能电网，或称智能电力系统，利用数字技术协调发电、电网运行、储能和用电。与传统电网从发电厂到用户的单向输电模式不同，现代电网必须可靠地管理双向能量流动以及不可预测的并网发电。.
智能电网将电力系统的所有组成部分连接起来——从屋顶的太阳能电池板到地下室的储能电池，再到电动汽车充电站。这些系统利用数字电表和现代通信技术，能够实时响应变化，并实现供需的最佳平衡。.
电池储能系统作为现代电网基础设施的重要组成部分，发挥着核心作用。它们通过补偿短期波动来稳定电网，实现拥塞管理，并提高整个系统的灵活性。有针对性的储能可以防止电网过载，并减少昂贵的电网基础设施扩建需求。.
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虚拟电厂将在未来的能源系统中扮演什么角色？
虚拟电厂是更好地整合可再生能源的一种创新解决方案。它们将成百上千个分散的发电厂、储能设施和可控用户连接成一个协调的网络。这些集群式虚拟电厂的发电量可以与大型传统电厂相媲美。.
虚拟电厂的中央控制系统实时监控所有连接的设施，并对电网变化做出即时反应。如果发电量过低，它会启动额外的可再生能源发电机组，例如沼气发电厂或水力发电站，这些发电机组可以独立于天气进行控制。相反，如果发电量过剩，它会相应地减少并网发电量。.
现代虚拟电厂利用智能电表网关，以经济高效的方式控制小型装置。它们不仅能够更好地将可再生能源集成到系统中，还能通过优化跨多个市场的营销，为电厂运营商创造额外的经济价值。.
什么是过度开发？过度开发如何减少网络瓶颈？
在电网连接点上建设电厂是提高电网利用效率的一种很有前景的方法。这种方法是将发电厂连接到电网，使这些电厂的总发电量超过线路的理论输电能力。关键在于如何将这些很少同时满负荷运行的电厂组合起来。.
风力发电厂和太阳能发电厂完美互补：风力涡轮机通常在夜间和秋季或冬季输出大部分电力，而太阳能发电厂则在中午和夏季发电量最大。德国可再生能源联合会 (BEE) 的一项研究表明，当这两个系统并网运行时，仅需弃用约 3.5% 的太阳能发电量和 1.5% 的风力发电量。.
巴伐利亚电力公司（Bayernwerk）已经展示了这种电网扩容方式的运作模式：在现有风力涡轮机旁安装了一套新的光伏发电系统，并接入同一电网。两套系统协同运行，为所有相关方和消费者节省了额外的电网扩容成本。其潜力巨大：仅巴伐利亚电力公司现有的光伏发电并网，即可满足到2030年计划新增的1000台风力涡轮机的需求。.
电源输入插座的工作原理是什么？
并网插座代表着电网连接规划的一次范式转变。以往基础设施建设滞后于可再生能源电站，而现在则主动提供额外的容量，项目开发商可以申请使用这些容量。.
巴伐利亚电力公司（Bayernwerk）利用这种方法在下巴伐利亚州建立了一条电网连接线路，可再生能源电站开发商可以申请接入。尽管有30%的削峰要求，但几乎所有容量都在24小时内被分配完毕。这显著提高了线路利用率，并大幅加快了项目进度：从3月份破土动工到同年11月份投入运营。.
LEW Verteilnetz 和 Bayernwerk Netz 进一步推进了他们的联合试点项目“馈入插座”，该项目中两家公司各自在其变电站独立增加额外的并网容量。Bayernwerk 计划在 Niederviehbach 新建一座变电站，而 LVN 则在 Balzhausen 的现有变电站增设一台变压器。.
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能源系统灵活性的提升具有哪些潜力？
能源系统的灵活性是指平衡发电和用电波动并确保电力供应稳定性的能力。为了实现到2030年可再生能源发电量占比达到80%的目标，能源系统必须具备足够的灵活性，即使在夜间发电量较低的时期也能保证电力供应。.
这种灵活性可以通过多种组件实现：储能、可控负荷和灵活的发电厂。小型系统（例如分散式太阳能装置、电池储能、电动汽车和热泵）的潜力尤其可观。如果德国在未来几年拥有数百万辆电动汽车，那么将很快产生8000兆瓦的灵活电力供应。.
空间灵活性能够补偿地理波动，例如德国著名的南北向瓶颈问题。时间灵活性则能平衡季节性和日常波动。因此，智能能源管理解决方案将成为未来能源行业的数字化基础设施，并能实时做出决策。.
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部门耦合对电网负荷意味着什么？
部门耦合是指通过增加可再生能源电力的使用，将原本各自独立的电力、供热、交通和工业部门整合起来。这一发展将显著增加电力消耗，并同时改变电网的负荷曲线。.
德国可再生能源联合会（BEE）预测，由于各部门协同发展，到2030年，德国将新增69至150太瓦时（TWh）的电力需求。其中，电动汽车的需求量最大，可达48太瓦时；其次是热泵（41太瓦时）、氢气生产（37太瓦时）和工业电锅炉（21太瓦时）。.
这一发展给电网带来了新的挑战：许多家庭下班后同时为电动汽车充电，导致新的用电高峰出现。热泵可以取代燃油供暖系统和燃气锅炉，但它们需要可靠的电力供应。对这些新型用电设备的智能控制对于电网稳定至关重要。.
主动扩展网络如何解决这些问题？
预测性电网扩容代表着电网规划的根本性范式转变。电网基础设施不再只是在规划特定设施时才被动应对，而是应该主动扩容以满足未来的需求。.
当前系统的问题在于实施时间的差异：可再生能源发电厂的建设只需5个月，而电网扩建却需要7到10年。这种时间上的差距导致可再生能源并网和输送方面出现诸多难题。.
市政企业协会呼吁建立一个能够促进电网前瞻性扩张的监管框架。这需要在六个关键领域进行改革：克服监管实践的滞后性，引入面向未来的预算规划，以及减少对积极投资的监管障碍。.
2024年5月，约80家德国主要电力分配网络运营商首次公布电网扩容计划，这是一个重要的里程碑。这些计划详细描述了2028年和2033年的具体扩容措施，以及到2045年的扩容需求预估。.
数字化和自动化发挥着怎样的作用？
电网的数字化和自动化对于可再生能源的成功并网至关重要。现代自动化系统能够实时监测和优化能源流动。在低压和中压电网中，需求导向型自动化尤为必要，因为超过90%的可再生能源都接入了这些电网。.
通过整合智能电表、地理信息系统 (GIS)、企业资源计划 (ERP) 和监控与数据采集 (SCADA) 系统等多种数据源，配电网络数字孪生模型为网络运营商创建了一个单一、可靠的信息源。这些计算网络模型能够动态响应天气状况或负荷变化等事件。.
未来，利用人工智能进行网络状态预测的软件解决方案将基于实时数据驱动的网络模型，并结合个性化的负载曲线运行。决策支持程序可以根据识别出的瓶颈及其时间范围推荐相应的措施。.
VDE关于高度自动化的研究表明，主动电网运行能够根据需要控制电力流动，从而加快光伏系统和电动汽车并网的速度。自动化还能在断电时自动恢复供电，并更好地利用现有电网容量。.
这些解决方案会带来哪些经济影响？
各种解决方案的经济影响显著，既影响成本，也影响整个系统的效率。能源经济研究所的一项研究表明，在现有电网连接上安装光伏和风力发电装置，每年可减少电网扩建成本高达18亿欧元。.
虽然该建设项目需要削减更多发电厂的发电量，但电网扩建成本的节省将比削减电力造成的损失高出 8 亿欧元。这一净效率提升源于新建电网基础设施投资的大幅减少，而削减成本仅略有增加。.
预计到2050年，欧洲电网扩建所需的投资将在19940亿欧元至22940亿欧元之间。仅德国一项研究就表明，到2045年，配电网扩建平均需要3500亿欧元。这些巨额资金凸显了高效解决方案的必要性。.
同时，更高的电网利用率能够降低单位成本：电网输送的电力越多，每千瓦时的电网成本分布就越均衡。基础设施建设、智能电网和电网辅助储能的结合，可以提高系统效率，并降低能源转型的总体成本。.
政治和监管如何才能支持转型？
政治和监管框架对于电网基础设施的成功扩建至关重要。2025年1月通过的《能源行业法修正案》已经为电网扩建奠定了法律基础，从而指明了重要的方向。.
随着《可再生能源法》（EEG）第8条的修订，可再生能源发电厂现在可以连接到已被其他可再生能源发电厂使用的电网连接点。新的EEG第8a条还允许签订灵活的电网连接协议，这对于电缆共享的实际应用至关重要。.
加快规划和审批流程是另一个关键因素。为了实现气候目标，电网运营商需要每天建造12台风力涡轮机并入电网，因此他们需要在更短的时间内做出更多行政决策。这就要求规划和审批机构以及法院配备更充足的人员和资源。.
2023年《可再生能源法》（EEG）赋予可再生能源的法律优先权，也意味着配电网扩建的优先权。必须充分利用环境影响评估中的协同效应，必须启用并行审批程序，并且必须在程序启动之初就冻结现有法律的效力。.
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哪些技术创新将塑造未来？
多项技术创新将显著影响电网基础设施的未来。高压直流输电线路能够以低损耗的方式远距离输送大量电力，这对于德国南北电力梯度尤为重要。.
电力制氢（Power-to-X）技术为跨领域耦合开辟了新的可能性：电力制热（Power-to-heat）技术可以将电力转化为热能，而电力制氢（Power-to-gas）技术则可以将电力转化为氢气。这些技术既可以作为一种灵活的能源解决方案，也可以作为一种长期的储能方案。.
智能计量和控制技术将成为所有其他创新的基础。智能电表网关能够以经济高效的方式控制小型系统，并将私人家庭接入虚拟电厂。这项技术的广泛应用是能源系统全面数字化的先决条件。.
人工智能和机器学习正越来越多地应用于电网状态预测、负荷预测和自动化决策。这些技术使得管理和优化控制未来能源系统的复杂性成为可能。.
还有哪些挑战？
尽管解决方案前景可期，但仍存在诸多挑战。电网扩容速度之快，给所有利益相关者都带来了巨大的任务：计划中的电网投资必须从每年约360亿欧元增加到超过700亿欧元。.
能源行业技术工人短缺进一步加剧了这一局面。与此同时，变压器、电缆和其他电网组件的供应瓶颈也造成了进一步的延误。这些供应链中断可能会拖慢整个电网扩建进程，而与资金到位与否无关。.
输电系统运营商、配电系统运营商、生产商和消费者等各参与者之间的协调仍然十分复杂。系统中任何一个环节的延误都可能对整个系统产生影响。.
随着技术和市场环境的快速发展，监管框架必须不断调整。今天被认为是最佳方案的，几年后可能就会过时。如何在必要的监管和足够的创新灵活性之间取得平衡，仍然是一项挑战。.
必须继续确保公众对网络基础设施大规模扩建的接受度。公民参与和透明沟通对于网络扩建项目的成功完成至关重要。.
电网基础设施是能源转型的核心，对转型的成败起着至关重要的作用。电网扩建、智能电网、虚拟电厂和前瞻性规划等创新方法可以克服现有的瓶颈。为了确保电网的未来发展，必须结合技术创新、监管调整和大量投资。只有这样，才能充分释放可再生能源的潜力，并实现气候目标。.
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