对新欧洲非化石能源灵活性框架的批判性分析，以及那些尚未得到解答的问题

《iScience》：Critical analysis of the new European framework for non-fossil flexibility and the questions left unanswered

　　**摘要**
2024年的电力市场设计改革引入了欧洲非化石能源灵活性的新框架。首批国家级灵活性需求评估于2026年7月发布，针对非化石能源灵活性的指示性目标和支持计划也即将出台。然而，我们认为这一新框架在指导欧洲电力系统向低碳资源转型过程中存在理论基础上的缺陷，并与欧洲资源充足性框架存在显著重叠。目前尚未为灵活性需求评估定义任何具体指标，也没有基于额外灵活性成本与不依赖灵活性成本之间的经济平衡来计算相应的标准或目标。本文提出了三种衡量灵活性需求的指标，探讨了定义灵活性产品的替代方法，并指出了在新框架进入实施阶段之前需要解决的问题。

**引言**
为应对2022年的能源危机，欧盟委员会（EC）于2024年推出了电力市场设计（EMD）改革。该改革的核心内容是为电力行业制定新的灵活性需求评估框架，设定国家级灵活性目标，并通过提供支持计划来确保这些目标的实现，这些支持计划主要针对来自电力存储和需求响应的非化石能源灵活性。这两种资源被认为对于整合间歇性可再生能源（RESs）、保障电力系统的可靠性和韧性以及提高电力供应的可负担性至关重要。新的欧洲灵活性框架旨在加速储能和需求响应的部署，以替代化石燃料灵活性资源（如热电厂）。尽管这一新框架具有推动欧洲电力系统和电力市场转型的潜力，但迄今为止学术界对此关注甚少。本文旨在引发学术界的讨论，认为该框架基于混乱的理论架构，与资源充足性框架存在重叠，可能导致采购和运营阶段的效率低下。文中首先总结了新框架的主要特点，包括灵活性需求评估（FNA）方法论和支持计划设计指南；随后分析了新框架存在的问题，并提出了定义灵活性产品的替代方法；最后总结了关键观点和需要进一步研究的问题。

**新的欧洲非化石能源灵活性框架**
关于灵活性的讨论并非始于2022年的能源危机或2024年的EMD改革。在过去15年里，欧洲相关机构一直使用“灵活性”一词来促进消费者和需求方参与电力市场，或作为讨论资源充足性的另一种方式（而不涉及容量补偿机制CRM），后者常被视为阻碍国家电力市场区域整合的障碍，同时也是成员国补贴传统热能发电的手段。不过，2024年的EMD改革加速了这一进程，但在此之前并未建立明确的理论基础。经过多年的讨论，EMD改革首次正式定义了灵活性：“灵活性”指的是电力系统在相关市场时间范围内适应发电和消费模式变化以及电网可用性的能力。值得注意的是，这一定义同样适用于“资源充足性”、“可靠性”或“供应安全”等概念。
新框架体现在第19e至19h条中，并在图1中进行了概括。整个过程始于2024年EMD改革的发布，欧洲输电系统运营商网络（ENTSO-E）和欧盟配电系统运营商实体（DSO实体）开始制定FNA方法论。能源监管机构合作机构（ACER）于2025年7月批准了该方法论，标志着首批国家级FNA报告将于2026年7月发布的开端。

**FNA方法论**
ACER批准的FNA方法论初步区分了系统需求和网络需求：
- **系统需求**进一步分为可再生能源整合需求、爬坡需求和短期需求。网络需求又分为输电网络需求和配电网络需求（见图2）。
- **灵活性需求**需针对多个目标年份进行识别。首批FNA报告定于2026年7月发布，至少涵盖两个目标年份；后续版本将逐步覆盖所有欧洲资源充足性评估（ERAA）和配电网络发展计划（DNDP）中的目标年份。
- **系统需求**与欧洲资源充足性框架密切相关，具体依据ERAA评估结果确定。
- **可再生能源整合需求**指系统为满足国家可再生能源目标所需的灵活性；输电系统运营商需据此计算最大可再生能源削减量。超出此限度的削减被视为未满足的需求。
- **爬坡需求**涉及系统在以可变可再生能源为主的情况下应对负荷波动的能力。
- **短期需求**指系统应对供需预测误差所需的灵活性。

**支持计划**
2024年EMD改革未明确成员国如何设定非化石能源灵活性的国家目标，但若这些目标无法实现，成员国应取消对灵活性资源参与的阻碍，并可引入相应的支持计划。清洁工业协议国家援助框架（CISAF）为这些计划的设计提供了指导，规定支持计划必须对所有非化石能源灵活性开放。参与计划的资源规模应小于1兆瓦，交付持续时间不少于1小时。

**结论与待解决问题**
新框架的出台标志着欧洲在灵活性领域的重大进展，但其中存在的问题仍需进一步研究。欧洲关于灵活性的讨论早在2022年能源危机之前就已开始，但学术界的关注度始终有限。本文旨在促进对此议题的深入探讨。CISAF还提供了关于设计惩罚措施以及如何在消费者之间分配这些支持计划成本的指导方针。如果一个成员国引入了非化石灵活性支持计划，并且已经建立了CRM（容量市场），则必须应用以下协调机制之一：
- 应通过联合优化的拍卖来共同采购两种产品：固定容量和灵活容量。
- 非化石灵活性要求可以纳入CRM中（指导方针并未具体说明这种做法与之前的区别）。
- CRM和非化石灵活性支持计划是分开的（但是，每种机制的目标需求应进行调整，以考虑对另一种机制的参与情况），并且资源需要自行选择参与哪种机制。

所有这些指导方针似乎都集中在系统层面的非灵活性上。在分配层面部署非化石灵活性可能将由当地市场和灵活连接协议来处理。

关于灵活性框架的批判性分析：
正如Henriot和Glachant（2014年）所指出的，“发电充足性问题不能完全与灵活性问题分开”。欧洲机构引入了新的非化石灵活性框架，以增加资源充足性框架的维度，并解决该框架尚未考虑的问题。可能需要引入多种产品来满足FNA（灵活性需求分析）中涉及的各种灵活性需求。这些产品之间存在重叠并且彼此相互作用。FNA方法论没有适当考虑这些相互作用。

灵活性需求背后的指标：
欧洲资源充足性框架基于以下逻辑结构：
- 选择一种资源充足性指标（如负荷损失预期[LOLE]或预期未提供的能源[EENS]）来评估系统的充足性。
- 基于该指标定义一个可靠性标准（RS），通过简化的经济评估来实现未提供能源的成本与安装额外固定容量的成本之间的平衡。在欧洲框架中，通常通过将新进入成本（CONE）除以负荷损失价值（VOLL）来达成这一目标。
- 进行概率性资源充足性评估，以计算不同情景下及不同目标年份的资源充足性指标值。
- 如果资源充足性指标在某些目标年份不符合可靠性标准（RS），可以引入CRM来提高系统充足性。
- 在CRM中，资源不是以其安装的容量参与，而是通过对该资源或技术应用降额因子来参与。降额因子应反映资源帮助系统满足可靠性标准的能力，因此应基于用于定义标准的同一资源充足性指标。

FNA方法论并未遵循这一逻辑过程。没有定义任何灵活性指标或指标，并且没有基于经济均衡计算灵活性标准。相反，FNA方法论跳过了这些步骤，而是直接计算满足不同类型需求所需的灵活性量（以MW为单位，见图4）。

然而，FNA方法论中确定的每种灵活性需求都可以与以下三个指标之一相关联，这些指标都是一个统一指标的不同方面，该统一指标应指导电力行业的发展，即电力供应的总成本（包括无法满足社会需求的成本）：
(1) 未提供的能源或等效的ENS成本。尽管这一指标已在资源充足性评估中得到考虑，但仍需要纳入新的应急情况，例如由急剧负荷变化和预测误差引起的应急情况。这个指标的标准应基于未提供能源的成本与安装额外固定供应的成本之间的平衡。
(2) 可再生能源（RES）的削减或等效的削减成本。这一指标在过去用于激励可再生能源部署的一些措施（如优先调度）的核心。这个指标的标准应基于不遵守成员国设定的RES发电目标的成本与减少RES削减的替代措施（如安装灵活资源或扩展电网）的成本之间的平衡。
(3) 剩余经济效率的成本。非化石灵活资源不仅有助于减少与未提供能源或RES削减相关的成本，还能降低调度成本，特别是在某些服务（如负荷变化）方面。这个指标与扣除未提供能源和RES削减成本后的电力系统整体经济性能相关。这个指标的标准应基于参考系统（如NECP中定义的系统）的经济性能。

FNA中确定的每种灵活性需求与这三个指标之间并没有明确的关系。虽然每种灵活性需求可能针对一个主要指标，但为满足这一需求而采购的非化石灵活资源也会影响其他指标。例如，RES整合需求显然与RES削减更为相关，但如果这些需求得不到满足，也会导致更高的未提供能源成本和剩余经济效率。满足负荷变化需求的灵活资源将主要降低负荷变化服务的成本及其相应的经济效率，同时也有助于减少未提供的能源（向上灵活性）和RES削减（向下灵活性）。这些较强和较弱的关系在图5中用实线和虚线表示。

然而，如上所述，DSO（配电系统运营商）的网络需求可能与非化石灵活性支持计划不同，它们更可能由当地市场和灵活连接协议来满足。由于本文剩余部分重点讨论通过非化石灵活性支持计划采购的产品设计，因此不包含DSO网络需求的评估。

确定这些指标是改进理论框架并理解其与资源充足性框架及其他电力行业监管方面的重叠关系的第一步。首要的信息是，所需灵活性的数量取决于对上述三个指标的成本效益分析。这正是当前资源充足性框架所采用的方法。资源充足性评估中的可靠性标准已经基于未提供能源的成本与安装额外固定容量的成本之间的经济均衡来定义，从而避免了采购阶段的效率低下。其他指标和所有灵活性需求也应如此处理，否则结果可能会效率低下。根据FNA方法论，所有负荷变化需求显然都必须通过灵活资源来满足。然而，满足最终的负荷变化需求可能会非常昂贵，因此允许少量未提供的能源或RES削减可能更为高效。关于传输灵活性需求的讨论更为复杂，因为经济均衡还应考虑另一种解决方案，即电网扩展。在这种情况下，电网扩展的成本应被用来限制采购灵活性的成本。如果灵活性需求评估表明标准难以实现，这些灵活性标准将促使通过非化石灵活性支持计划购买相关灵活性产品。

为某个指标值定义成本效益分析可能非常复杂。不满足RES目标对电力系统及其服务的社会成本是什么？FNA方法论并未解决这个问题，尽管学术文献中曾对此进行过讨论。当第一批大规模RES支持计划开始在电力市场中产生负批发价格时，一些作者研究了这种结果是否总是低效的，或者是否反映了国家对清洁电力所赋予的价值。此后，这一领域没有取得理论进展。如果无法为不遵守RES目标定义经济成本或计算减少RES削减所需的灵活性的有效数量，那么该方法论就不夠稳健。答案可能在于NECP（国家能源计划）中用于设定RES目标的模型和模拟，但这些方法目前既不透明也不够准确（一个准确的NECP方法可以解释特定RES目标是如何计算的、使用了哪些经济假设以及考虑了哪些成本和收益。这样的方法也可以用来计算未能满足RES目标的成本）。

剩余经济效率也与NECP中设想的电力系统相关，这可以作为政策制定者设定的基准。应将该电力系统的经济性能与这一基准进行比较，以防止提供灵活性比参考情景更昂贵。

在采购非化石灵活性时，监管机构和系统运营商需要评估每种资源对灵活性的贡献，并计算一个灵活性降额因子，我们将其称为灵活性信用。该信用将限制资源可以出售的灵活性数量。这种计算的细致程度将决定通过非化石灵活性支持计划采购的灵活性产品数量。

可以定义一个单一的灵活性产品来覆盖所有指标和需求。如前所述，这三个指标涵盖了总系统成本的不同方面，因此都可以用经济术语表达。灵活性信用可以计算为资源在NECP定义的基准电力系统中减少总系统成本的预期贡献。巴西采用了类似的方法，将经济维度内化到充足性指标中，为热电厂定义了“物理保证”，本质上是一种可以在长期充足性拍卖中出售的固定能源证书。在欧洲，定义一个单一产品来覆盖不同类型的应急情况也不是新鲜事。例如，意大利和爱尔兰的CRM基于具有多个参考市场的可靠性选项[财务选项根据每种资源清算的市场价格进行结算]。这个单一产品涵盖了从纯充足性到灵活性的各种应急情况。

另一种方法是定义并采购三种灵活性产品，每种对应一个基础指标。灵活性信用可以计算为对特定指标（即未提供能源的成本、RES削减的成本和剩余经济效率）的预期贡献。

第三种方法是定义并采购几种灵活性产品，每种产品针对FNA中确定的特定灵活性需求。在这种情况下，灵活性信用应考虑并汇总每种资源对每个指标的贡献，重点分析特定的应急情况（例如，负荷变化资源不足或网络约束激活的时期）。应仔细评估以避免这些由特定需求驱动的产品之间的重叠，以避免重复采购。

无论如何，灵活性框架需要与资源充足性框架相协调（见图5）。如果为每个基础指标定义一个单一产品，监管机构可能会决定将导致未提供能源的灵活性需求退回资源充足性领域，并通过容量机制来满足这些需求。否则，需要更大的努力来协调或统一资源充足性和灵活性领域。

产品的细致程度一直是文献中长期讨论的话题，涉及资源充足性和CRM设计。例如，美国只有少数电力系统拥有基于每月或季节性固定容量的容量市场，而美国、拉丁美洲和欧洲的大多数电力系统更倾向于维持单一的年度产品。虽然定义单一产品可以简化采购流程，但这会增加灵活性供应商的风险。由于灵活性产品涵盖了多种不可预见的情况，因此仅能解决其中一部分问题的资源如果出售这类产品将存在风险。相反，定义多种产品可以降低市场参与者所感知的风险。然而，单一资源可能提供多种产品，这会增加采购的复杂性，并需要复杂的协同优化来同时满足不同的标准。这两种方法之间的平衡受到资源充足性和灵活性评估所需应对的不可预见情况数量和种类的不断增加的影响，使得定义单一产品变得更加困难。

**结论与未解决的问题**

低碳电力系统需要灵活性来应对可再生能源技术占比上升所带来的变化性和间歇性问题。然而，灵活性的概念涉及多个维度，并与资源充足性问题存在重叠。本文指出了当前欧洲非化石灵活性框架中的一些不一致之处。在框架进入实施阶段并引入非化石灵活性支持计划之前，解决这些不一致问题至关重要。文章介绍了FNA方法背后的各项指标，强调了基于经济均衡确定每种需求量的重要性。它分析了定义灵活性产品的不同方法（从单一产品到多种产品），并评估了每种方法的优缺点。同时，文章还强调了协调灵活性框架和资源充足性框架的重要性。

欧洲机构、政策制定者、欧洲成员国的运营商以及学术界应当解决以下未解决的问题：

- 必须定义一种方法来确定所有与灵活性需求相关的指标的标准。虽然我们针对能源未满足情况（源自资源充足性框架）简化了一些方法，但目前尚缺乏针对可再生能源限电和剩余经济效率低下的指标的评估方法。没有这些标准，就无法确定有效的未满足灵活性需求水平，从而导致采购效率低下。

- 必须明确要采购的灵活性产品的数量和类型，并考虑本文提出的各种替代方法的优缺点。如果定义了多种产品，则需要制定一种采购策略，考虑到它们之间的潜在重叠和协同效应。

- 一旦这些产品被采购，监管机构应决定如何评估性能以及如何实施处罚措施。这一决策取决于所选择的灵活性产品的数量和类型。如果将实施较大的绩效惩罚，依靠多种产品可能会使性能评估更加准确。

所有这些未解决的问题也代表着未来研究的潜在方向。未来的工作应在此定性分析的基础上进一步展开，例如提出定义有效可再生能源限电水平的策略，或计算未能实现可再生能源目标的预期成本。此外，还应从定量角度分析这一问题，利用模型来模拟本文提出的每种替代方案的性能，例如考虑需要采购的灵活性产品数量或非化石灵活性支持计划中绩效惩罚的影响。

**利益声明**

作者声明没有利益冲突。