多能源社区枢纽优化：实现脱碳与能源系统灵活性的创新路径

《Smart Energy》：Optimising Multi-Energy Community Hubs for Decarbonisation and Energy System Flexibility

本研究针对可再生能源并网挑战与能源系统灵活性需求，聚焦多能源枢纽(MEH)在能源社区(EC)框架下的优化应用。研究人员通过拉脱维亚案例研究，结合场景建模与TIMES优化工具，揭示了屋顶光伏与共享地面光伏系统的经济性差异，证实能源社区可将太阳能自消费率提升至78%，显著降低电网依赖。该研究为区域能源系统脱碳提供了技术-社会协同创新的重要范式。

　　

随着欧洲迈向气候中和目标的进程加速，智能能源系统被公认为实现能源供应脱碳的关键基石。然而，可再生能源的大规模部署，特别是光伏(PV)和风电，因其波动性和间歇性特征，对电网稳定性提出了严峻挑战。欧盟REPowerEU计划设定了到2030年可再生能源在最终消费中占比至少45%的雄心目标，这意味着需要构建更加灵活、高效的能源基础设施。在此背景下，能源社区(Energy Community, EC)和多能源枢纽(Multi-Energy Hub, MEH)的创新整合，为破解可再生能源并网难题提供了新的技术路径和社会组织模式。

传统能源系统中，个体家庭安装的太阳能光伏系统往往面临自消费率低、投资回收期长、电网承受能力有限等问题。拉脱维亚等国家的输电系统容量限制更是制约了个人用户采用微发电系统的积极性。如何通过优化社区能源结构，提高可再生能源的本地消纳能力，同时降低用户用能成本，成为能源转型过程中亟待解决的关键问题。

为应对这些挑战，来自里加工业大学环境与能源系统研究所的Dace Paule、Ieva Pakere、Jelena Pubule和Dagnija Blumberga研究团队，在《Smart Energy》上发表了题为"Optimising Multi-Energy Community Hubs for Decarbonisation and Energy System Flexibility"的研究论文。该研究创新性地将多能源枢纽概念融入能源社区框架，通过拉脱维亚实际案例研究，系统评估了不同社区设计模式的经济性和环境效益，为区域能源系统脱碳提供了重要的理论和实践依据。

研究人员采用了一种循序渐进的三阶段方法论框架。首先定义了四种不同的能源社区场景，包括仅光伏家庭参与、部分消费者参与、全员参与以及共享地面光伏系统等配置。研究以拉脱维亚某市的实际社区为对象，该社区包含33个住宅，其中5个家庭已安装屋顶光伏系统，总容量达51千瓦。为确保计算可行性，研究选取了9个代表性家庭（5个产消者和4个消费者）进行深入分析。

技术经济模拟阶段，研究团队构建了完整的数学方程体系，用于计算电力流动、成本效益分配等关键指标。方程考虑了电力进出口价格、配电服务费、增值税以及光伏系统贷款偿还等多重因素，全面反映了能源社区运营的经济性。特别值得注意的是，研究对比了屋顶系统和共享地面系统在投资成本、运营成本和投资回收期等方面的差异。

在系统优化层面，研究采用了TIMES（The Integrated MARKAL-EFOM System）线性优化模型，该模型以系统成本最小化为目标，同时满足预测的能源需求。模型时间跨度为2020年至2050年，以五年为间隔，并采用年度时间步长来表征电力和热能需求的季节性和日间变化模式。TIMES模型与生命周期评估(Life Cycle Assessment, LCA)相结合，能够全面评估新兴能源技术的环境 impacts。模型还考虑了电力进出口容量限制（最大20 TJ）以及基于历史趋势的电价时间分段，确保了模拟结果的现实可行性。

研究定义了四个优化场景（A-D）来评估能源社区的不同整合水平和技术先进程度。场景A为基线系统，仅包含屋顶光伏且无能源共享；场景B增加了本地能源共享能力；场景C进一步加入共享存储容量；场景D则实现了包含能源交易的完整社区优化。这种双重场景设计确保了家庭参与水平与系统级效应之间的有机衔接。

3.1. 单一能源载体与技术经济洞察

数据分析显示，在拉脱维亚条件下，太阳能光伏微发电在4月至9月效率最高，这六个月期间的发电量占全年的大部分。一个重要发现是，安装光伏的家庭产生的大部分电力首先满足自身需求，剩余部分主要由邻近家庭消耗，只有少量电力馈入更广泛的电网。本地自消费率介于65%至80%之间，充分证明了能源社区在提升系统效率方面的显著作用。

投资成本分析表明，不同场景下的总投资需求存在显著差异。场景1（仅光伏家庭参与）的总投资为61,750欧元，在每户3,500-4,000欧元的补贴后，净投资降至44,250欧元。而场景4（共享地面光伏系统）的投资需求高达79,500欧元。屋顶系统更适合小型社区，而共享系统则为较大或农村地区提供更好的经济性。

电价成本分析揭示了社区参与的长期经济效益。在贷款偿还期间，屋顶系统导致家庭电费较高，但还清贷款后费用急剧下降。社区投资的成本分摊在所有成员中更为均衡。数据显示，社区场景下的投资回收期（约2.7年）明显短于独立屋顶系统（约6年）。还清贷款后，能源社区成员每月可节省46.69欧元，证明团体投资比个人安装更具经济效益。

3.2. 多能源载体与能源枢纽的能源社区场景

研究表明，能源社区能显著提高太阳能自消费率并增强能源独立性。在基准场景A中，自消费率为42%；增加能源共享的场景B提升至67%；而包含存储和交易功能的场景D更是达到了78%的自消费率。这种提升主要归因于本地存储和再分配机制对最大化可再生能源自消费的贡献。

家庭层面的数据分析显示，个体产消者能达到40-50%的自消费率，但加入能源社区后，这一比例可提升至65%。这表明集体能源管理系统能更有效地利用本地生产的可再生能源，显著提升系统效率。

能源平衡分析表明，从场景A到场景D，随着能源社区整合度的提高，对外部电网的依赖度逐步降低。场景D（包含存储和交易的能源社区系统）与场景A相比，电网进口量减少了35%。这种减少主要得益于本地存储和智能电网技术的优化应用，实现了改善的能源自给自足。

长期趋势分析揭示了一个重要现象：自消费率在2040年后呈现下降趋势。这是由于光伏容量的快速增长超过了居民电力需求和存储系统容量，导致出口到电网的电量增加，系统自消费比例相应下降。这一发现强调了光伏容量、存储系统发展和用户能源需求之间协调发展的必要性。

电网稳定性分析证实，能源社区通过优化本地能源分配，能有效降低峰值进口水平，减少输电损耗，实现供电和需求模式的平衡，从而增强本地电网稳定性并降低电力成本。

4. 讨论和结论

本研究证实了能源社区在提高微产太阳能利用效率和可持续性方面的关键作用。与传统个体家庭光伏安装模式相比，能源社区通过增强可再生能源的本地消费，有效减少了输电电网的能源损耗，特别是在太阳能辐照最强的夏季效果尤为显著。

研究强调，能源社区的成功运行依赖于微发电容量的合理选择，以确保发电和消费之间的最佳平衡。经济因素方面，屋顶安装更适合城市家庭，而地面安装的光伏系统则更适用于农村和郊区地区，这种差异化策略有助于能源社区的发展壮大。

优化建模结果表明，能源社区通过共享能源存储和点对点(P2P)交易能显著提高太阳能自消费率，增强系统灵活性和能源独立性。特别是部门耦合（如热泵和区域供热网络的整合）进一步提升了能源效率，支持向低碳能源系统的转型。

研究创新性地展示了多能源枢纽(MEH)在能源社区框架下的应用价值。通过将电力、供热、氢能等多种能源载体整合，多能源枢纽实现了能源使用的协调和优化，减少了对化石燃料的依赖，直接促进了能源系统的脱碳。

尽管存在可再生能源可用性、技术成本波动等不确定性因素，但本研究为政策制定者、能源规划者和利益相关者提供了设计分散式低碳能源系统的重要见解。能源社区与多能源枢纽的结合，代表了能源系统优化的一条创新路径，通过技术和社会的协同创新，为可持续能源转型奠定了坚实基础。