电网基础设施作为能源转型的瓶颈：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
电网基础设施成为能源转型的瓶颈：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以及目前有哪些巧妙的解决方案可以提供帮助
### 电力高速公路上的交通拥堵：数千个太阳能系统等待接入——能源转型是否面临停电风险？### 电网的巧妙妙招：“过度建设”如何节省数十亿美元，并让太阳能园区立即投入使用### 你的2025年电费账单：谁将从新的电网法规中受益，谁又将为此付出代价### 智能电网取代昂贵的电缆：数字技术如何彻底改变电网扩张并降低成本###
从北到南：为什么我们的电网正在成为瓶颈以及虚拟发电厂如何防止崩溃
随着太阳能和风能发电厂的扩张，德国的能源转型正以惊人的速度推进，但其成功却悬而未决：陈旧的电网基础设施。曾经作为可靠能源供应支柱的电网，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：从少数集中式大型发电厂转向数千个分散式、依赖天气的发电厂。电网的设计目标是从发电厂到消费者的单行道，却无法应对这种不稳定的双向交通。
后果已经十分严重：像拜仁电力公司（Bayernwerk）这样的电网运营商报告称，可再生能源接入需求超过60吉瓦，但却无力满足。许多地方的电网容量已达到极限，导致新的太阳能园区需要等待五到十五年才能接入。众所周知的南北差距加剧了这种情况，北方多风地区产生的过剩电力无法输送到南方的工业中心。一些整条街道已经被宣布“不再可接入”，导致当地太阳能热潮陷入停滞。
然而，要应对这一巨大挑战，仅仅建设成本高昂且耗时耗力的新线路是不够的。我们需要创新且智能的方法，才能更高效地利用现有基础设施，并塑造未来的能源体系。这些方法涵盖了从实时协调发电和用电的智能电网，到将数千个小型系统整合成一个大型集群的虚拟发电厂，再到诸如电网连接“过度建设”和主动式“馈入插座”等巧妙的概念。这些解决方案不仅有望加速能源转型，还能有效控制激增的电网扩建成本，从而控制消费者的电价。下文将重点介绍最紧迫的瓶颈问题，并提出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扩张的关键因素？
电网基础设施是能源转型成功的关键，同时也是最大的瓶颈。问题在于能源体系的根本性变革：过去，大型集中式发电厂以可预测的方式生产电力，并通过电网输送给消费者，而如今，分散且波动的可再生能源占据主导地位。
大型太阳能发电场项目需要能够处理其上网功率的强大电网。然而，许多电网已经达到极限运行，无法容纳任何新增容量。例如，Bayernwerk 报告称，其接入容量超过 60 吉瓦，而许多电网运营商报告称，新接入的等待时间已达 5 至 15 年。
德国南北差距加剧了这一挑战：在北部地区，风力发电量大于消耗量，而拥有工业中心的南部地区，能源需求量大于当地生产量。随着核电和煤电逐步淘汰，这一问题将变得更加突出。
将太阳能园区连接到电网时存在哪些具体瓶颈？
将太阳能园区接入电网的实际问题非常复杂，并且会影响所有电压等级。大多数10至60兆瓦的地面光伏系统都接入中压电网，而电网在许多地方已经得到充分利用。高压电网的容量更大，但需要建造成本高昂的专用变电站。
一个具体的例子是巴登-符腾堡州克莱特高的情况。当地电网运营商EVKR公布了一份“极不可能接入任何新光伏系统的街道名单”。这种电网瓶颈意味着，即使已经安装的太阳能系统也无法接入电网。
配电系统运营商的电网扩建计划显示，中高压电网的许多区域被指定为“瓶颈区域”。这导致接入时间更长，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。
网络费用如何发展以及会产生什么影响？
电网费用约占电价的四分之一，目前呈现出涨跌互现的趋势。四大输电系统运营商已宣布，到2025年，电网费用将平均上涨3.4%，达到每千瓦时6.65美分。这一增长主要源于电网扩建的巨额投资。
与此同时，2025年全国范围内统一电网电费将使成本分配更加公平。可再生能源扩张水平较高的地区将受益：石勒苏益格-荷尔斯泰因州的电网电费将降低29%，梅克伦堡-前波美拉尼亚州降低29%，勃兰登堡州降低21%，巴伐利亚州降低16%。
这一重新分配考虑到了可再生能源发电厂较多的地区迄今为止不得不承担过高电网扩建成本的事实。与此同时，可再生能源占比较低的地区，尤其是巴登-符腾堡州、莱茵兰-普法尔茨州和北莱茵-威斯特法伦州，电网费用正在上涨。
什么是智能电网？它如何为解决方案做出贡献？
智能电网，又称智能电力网，利用数字技术协调发电、电网运行、储能和用电。与传统电网（从发电厂到消费者的单行道）不同，现代电网必须可靠地管理双向能量流和不可预测的供电。
智能电网连接电力系统的所有组成部分——从屋顶太阳能电池板到地下室电池储能系统，再到电动汽车充电站。借助数字电表和现代通信技术，这些系统能够实时响应变化，实现供需平衡。
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。它们通过平衡短期波动来稳定电网，实现拥堵管理，并提高整个系统的灵活性。有针对性的中间储能可以防止电网拥堵，并减少昂贵电网基础设施的扩张。
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虚拟发电厂在未来能源体系中扮演什么角色？
虚拟发电厂是更好地整合可再生能源的创新解决方案。它将数百甚至数千个分散的发电厂、储能设施和可控的用电设备连接成一个协调一致的网络。这些集群发电厂的总发电量可以与大型传统发电厂媲美。
虚拟发电厂的中央控制系统实时监控所有连接的发电厂，并对电网变化做出快速反应。如果发电量过低，它会启动额外的可再生能源发电机，这些发电机不受天气影响，例如沼气发电厂或水力发电厂。如果发电量过高，它会相应地限制电力输入。
现代虚拟发电厂利用智能电表网关对小型电厂进行经济高效的控制。它们不仅能够更好地整合可再生能源，还能通过优化跨市场的营销策略为电厂运营商创造经济附加值。
什么是过度建设？它如何减少电网拥堵？
电网连接点的建设代表着一种提高电网利用效率的有效途径。这种方法将发电厂连接到电网，使其总发电量超过线路理论输送能力。关键在于发电厂的组合，因为这些发电厂很少同时满负荷运行。
风能和太阳能系统完美互补：风力涡轮机通常在夜间以及秋冬季节主要发电，而太阳能系统则主要在正午和夏季发电。德国可再生能源协会的一项研究表明，当它们在单一电网中联合运行时，仅需削减约3.5%的太阳能发电和约1.5%的风能发电。
Bayernwerk 已成功示范了这一项目的运作方式：在同一电网连接上，将新的光伏系统安装在现有风力涡轮机旁。两个系统共同运行，为所有相关方和用户节省了额外电网扩建的成本。其潜力巨大：仅在 Bayernwerk 电网，到 2030 年，通过在现有光伏连接上建设，即可实现计划中的 1,000 台新风力涡轮机的目标。
馈入插座概念如何工作？
接入插座代表了电网连接规划的典范性转变。与落后于可再生能源电厂的基础设施不同，接入插座主动提供额外容量，供项目开发商申请。
Bayernwerk 通过这种方式在下巴伐利亚州安装了电网连接，供可再生能源电厂开发商申请。尽管有 30% 的峰值封顶要求，但在 24 小时内，几乎所有容量都已分配完毕。这显著提高了线路利用率，并显著加快了项目进度：从同年 3 月破土动工到 11 月投入运行。
LEW Verteilnetz 和 Bayernwerk Netz 进一步拓展了其联合“馈入插座”试点项目，两家公司各自在其变电站创建额外的连接容量。Bayernwerk 计划在 Niederviehbach 新建一座变电站，而 LVN 则正在为 Balzhausen 现有的变电站配备一台额外的变压器。
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这项技术进步的核心在于刻意摒弃了数十年来一直沿用的传统夹紧方式。全新的安装系统更省时省力，采用全新且更智能的理念解决了这一问题。它不再将组件固定在特定位置，而是将其插入一个连续且特殊形状的支撑轨道中并牢固固定。这种设计确保所有作用力——无论是雪的静态载荷还是风的动态载荷——都能均匀分布在组件框架的整个长度上。
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使能源系统更加灵活有何潜力？
能源系统的灵活性指的是平衡发电量和用电量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情况下也能确保电力供应。
这种灵活性可以通过各种组件来实现：电力存储、可控负载和灵活的发电厂。分散式太阳能系统、电池储能、电动汽车和热泵等小型系统的潜力尤其巨大。如果德国在未来几年拥有数百万辆电动汽车，那么8000兆瓦的灵活性将很快实现。
空间灵活性可以平衡地理波动，例如德国著名的南北瓶颈。时间灵活性可以弥补季节性和每日波动。智能能源管理解决方案正在成为未来能源行业的数字化基础设施，并能够实时做出决策。
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扇区耦合对于电网负荷意味着什么？
行业耦合是指通过增加可再生能源电力的使用，将电力、热力、交通运输和工业等原本相互独立的行业连接起来。这种发展趋势将显著增加电力消耗，并同时改变电网的负荷曲线。
德国可再生能源协会 (BER) 预测，到 2030 年，行业耦合将带来 69 至 150 TWh 的额外电力需求。其中，电动汽车的需求最高，为 48 TWh，其次是热泵，为 41 TWh，制氢，为 37 TWh，工业电锅炉，为 21 TWh。
这一发展给电网带来了新的挑战：当许多家庭下班后同时为电动汽车充电时，新的峰值负荷就会出现。热泵可以取代燃油和燃气锅炉，但需要可靠的电源。对这些新型用电设备的智能控制对于电网稳定至关重要。
前瞻性的电网扩张如何解决这些问题？
主动电网扩建代表着电网规划的根本性范式转变。电网基础设施不应仅在具体设施规划完成后才做出反应，而应主动扩展以满足未来的需求。
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周期通常为五个月，而电网扩建则需要七到十年。这种时间差异导致可再生能源的连接和输送面临重大问题。
市政公用事业协会呼吁建立一个能够促进前瞻性电网扩张的监管框架。必须改变六个关键条件：必须克服监管实践的滞后性，必须引入前瞻性的预算规划，必须减少主动投资的监管障碍。
2024年5月，约80家德国主要配电系统运营商首次发布了电网扩建计划，这是重要的一步。这些计划描述了2028年和2033年的具体扩建措施，以及到2045年的扩建需求预估。
数字化和自动化发挥什么作用？
电网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控和优化能源流。对于低压和中压电网而言，基于需求的自动化尤为必要，因为超过90%的可再生能源都接入了这些电网。
配电网数字孪生通过整合智能电表、GIS、ERP 和 SCADA 系统等多种数据源，为电网运营商创建单一可靠的信息源。这些计算电网模型可以动态响应天气条件或负载变化等事件。
未来，利用人工智能预测电网状况的软件解决方案将基于实时数据馈送的电网模型，并根据定制的负载曲线运行。决策支持程序可以根据已识别的瓶颈及其时间范围推荐措施。
VDE 关于高度自动化的研究表明，主动电网运行能够更快地将更多光伏系统和电动汽车接入电网，因为可以根据需要调整电力流。自动化还能在停电时自动恢复供电，并更好地利用现有电网容量。
这些解决方案有何经济影响？
各种解决方案的经济效益显著，不仅影响整个系统的成本，也影响其效率。根据能源经济研究所的一项研究，将光伏和风电接入电网，每年可节省高达18亿欧元的电网扩建成本。
尽管在开发过程中需要削减更多电厂产能，但电网扩建成本的节省将超过弃电成本8亿欧元。这一净效率增益源于新建电网基础设施投资的大幅减少，而弃电成本仅略有增加。
预计到2050年，欧洲电网扩建所需投资额将在1994亿欧元至22940亿欧元之间。多项研究表明，到2045年，仅德国的配电网扩建就平均需要3500亿欧元。如此巨额的资金凸显了对高效解决方案的需求。
同时，提高电网利用率可以降低单位成本：通过电网输送的电力越多，每千瓦时电网成本的分配就越均匀。城市发展、智能电网和电网友好型储能相结合，可以提高系统效率，并降低能源转型的总体成本。
政策法规如何支持转型？
政治和监管框架对于电网基础设施的成功扩张至关重要。2025年1月通过的《能源产业法修正案》已为电网扩张奠定了重要的法律基础。
根据《可再生能源法》第8条的修订，EEG电厂现在可以连接到另一个EEG电厂已使用的电网连接点。新的EEG第8a条还允许签订灵活的电网连接合同，这对于电缆池的实际实施至关重要。
加快规划和审批程序是另一个关键因素。电网运营商要求在更短的时间内做出更多行政决策，因为为了实现气候目标，每天必须建造并接入电网12台风力涡轮机。为此，规划和审批部门以及法院必须配备更好的人员和资源。
2023年《可再生能源法》赋予可再生能源法律优先权，这也意味着配电网扩建也应优先考虑。必须利用自然保护评估的协同效应，实现审批流程的并行，并在程序开始时冻结现有法律的地位。
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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实现长距离、低损耗输送大量电力，这对于弥合德国南北电网差距尤为重要。
电转多能 (Power-to-X) 技术为行业融合开辟了新的可能性：电转热 (Power-to-Heat) 可以利用电力产生热量，而电转气 (Power-to-Gas) 则可以将电能转化为氢气。这些技术既可以作为灵活性选项，也可以作为长期储能解决方案。
智能测量和控制技术将成为所有其他创新的基础。智能电表网关能够经济高效地控制小型系统，并将私人家庭纳入虚拟发电厂。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越来越多地应用于电网状况预测、负荷预测和自动化决策。这些技术使得管理未来能源系统的复杂性并对其进行最佳控制成为可能。
还存在哪些挑战？
尽管解决方案前景光明，但重大挑战依然存在。电网扩张所需的速度之快，给所有相关方带来了巨大挑战：计划中的电网投资必须从目前每年约360亿欧元增加到700亿欧元以上。
能源行业技术工人的短缺进一步加剧了这一状况。与此同时，变压器、电缆和其他电网部件的供应瓶颈也导致进一步的延误。无论有多少资金可用，这些供应链瓶颈都可能拖累整个电网的扩张。
输电系统运营商、配电系统运营商、发电厂和消费者等各参与方之间的协调依然复杂。系统中任何一个环节的延误都可能对整个系统造成影响。
随着技术和市场条件的快速发展，监管框架必须不断调整。今天被认为是最佳的框架，可能在短短几年内就过时了。如何在必要的监管与足够的创新灵活性之间取得平衡，仍然是一项挑战。
必须继续确保公众接受大规模电网基础设施的扩张。公民参与和透明的沟通对于电网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，对能源转型的成功至关重要。过度建设、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。技术创新、监管调整和大量投资相结合，是打造面向未来的电网的必要条件。只有这样，才能充分释放可再生能源的潜力，实现气候目标。
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