2021年10月，IRENA发布了《Sector Coupling in Facilitating Integration of Variable Renewable Energy in Cities》（《城市部门耦合促进间歇性可再生能源并网》），本文提供了该报告的执行摘要部分。

执行摘要 Executive Summary

到本世纪中期，如果要达到巴黎协定相较工业化之前的全球平均温升1.5℃的目标，世界需要降低二氧化碳排放到零排放，这一点已经越来越明确了。

根据IRENA《世界能源转型展望：1.5℃路径》，不管是通过直接和间接的技术应用，还是通过最大化利用可再生能源电力的战略，可再生能源对这一方案的贡献会达到90%以上。高达60%的碳减排来自于交通、建筑和工业等终端消费部门，35%来自于电力和热力部门。IRENA还估计，在1.5℃情景下，到2050年，绿电将占全球电力消费的86%，其中74%来自光伏和风力发电。为了消纳这么高比例的可再生能源，电力系统需要显著提高电网灵活性。

各类终端消费部门，以及他们之间如何相互作用，与城市高度相关。部门耦合技术和战略将在转型中发挥关键作用。他们不仅有助于实现城市内部及周边地区可再生能源为主的分布式电源利用，还能在地区和国家层面促进光伏、风电并网。识别并评估不同部门耦合中的平衡点对于促进城市零碳能源转型非常关键。这将加快城市零碳未来转型的决策过程，并帮助相关方认识到城市在加快零碳转型并从中获益的巨大潜能。

本报告概述了部门耦合作为“平衡器”为城市能源系统转型所需的增强的灵活性。受益于可再生能源为主的可分布式电源增长，传统被视为负荷中心的城市正在向产消者（即使能源生产者也是消费者）转型。部门耦合有助于在配网层面实现生产和消费的平衡。但是当VRE资源应用到城市之外（主要是偏远地区）并且通过输电线路将发电输送到城市时，它也会扩大到区域电网级别。为了消纳大规模并网的VRE，为电网提供足够的需求侧灵活性变得非常重要。

本文的重点是四个方面：不同规模的自发自用VRE资源、部门耦合策略中储热的作用、电动交通（绿电实现交通部门脱碳）和绿氢。本报告还分析了当前环境下几个影响部门耦合应用的方面，比如建筑能效提升、可能支撑或妨碍不同部门接入电网的城市基础设施。这两个方面对于确定可促进VRE并网的部门耦合机会的边界条件非常重要。

此外，报告强调了智慧能源管理系统在耦合系统中的重要作用。没有一个智能的智慧能源管理系统，就无法实现实时变化的供应和需求平衡。当部门耦合方式中，当终端需求部门而不是电力部门产生了不可控需求时，它还能避免其对电网产生冲击。实践中，电力系统中先进数字技术的应用更助于了解运行系统，尤其是供给和需求两侧都可变且不确定时。从电力系统的角度看，电网更灵活地运行有助于减少满足负荷增长时额外发电容量的需求，因此能够提高现有能源基础设施的使用率。

城市级部门耦合机会的量化分析需要一套整合的方法来模拟更复杂、更互联的能源系统。本报告提出了一套通用的技术和经济指标，来初步显示以可再生能源自发自用并采用储热作为耦合方案来提高城市可再生能源利用时的部门耦合机会。报告还提供了模拟工具，在将建筑部门作为实现零碳城市和零碳社区的重点方案的给定情境下，为部门耦合机会提供量化分析。基于部门耦合技术和权衡方案，跨部门协同可以在不同情景的优化目标下进行测算。

该工具应用在中国张家口市崇礼区作为示范研究。分析显示采用就近风电场的超发电力进行电供暖在整个区脱碳中发挥了核心作用。大约有360GWh的过剩电力用于供热。热泵结合集中供热网为电、热部门耦合创造了机会。据估计，为了满足450万平方米供热服务目标，近期需要建设一个覆盖36000平方米的集中供热网，包括7套46MW的电热锅炉。分析显示崇礼区有效能源规划的一个关键因素是提升季节性储能容量，可以将它整合进供热系统。此外，分析中还估算了公共交通部门和其他终端消费部门的部门耦合潜力。

为了更好阐释试点研究结果，报告提供了中国能源转型的背景。重点是城市层面的动议，以及国家层面以下实施减排策略所面临的关键挑战，比如缺少政府机构在不同层面和部门横向和纵向整合、公众认知和参与不足、规划和执行之间的偏差。此外，中国部门耦合实践的概述提供了试点项目的历史背景以及终端消费部门以及多种来源分布式电源耦合的机制。重点是可再生能源制热和电池储能，这是两项不仅可以耦合不同部门，也能让城市更有效响应VRE发电并网。

中国的很多城市能源系统已经越来越多地与其他城市功能，如城市垃圾管理系统联系起来。考虑到中国城镇人口持续增长、传统垃圾处理（如填埋式）能力限制以及传统处理方式的环境影响，这种方式非常关键。更先进的处理方式是与能源部门相耦合的垃圾焚烧和垃圾厌氧发酵制沼气，可以获得电力并更有效地利用有限的资源。

本报告的其他试点研究还包括哥斯达黎加。该国几乎100%由可再生能源发电（主要是水电），化石燃料为主的交通部门能源需求持续增长，因此可以从低碳愿景的部门耦合中获益巨大。模拟工具对Greater Metropolitan区域的两个区Desamparados和San Rafael的部门耦合方案进行了分析。

Desamparados模拟结果显示，如果采用部门耦合，能源消费中可再生能源的占比可以从36%提高到2035年的60.4%、2050年的100%。当地以屋顶光伏为主的可再生能源发电可以通过交通电气化、储能和/或制氢消纳。住宅部门也有部门耦合潜能，但是要依赖于家庭能源管理系统。需要采取的措施包括现场控制系统的应用、高能效电器补贴和高耗能设备的纳税机制。

San Rafael de Coronado的住宅部门是最大的能源消费部门。当地人口密度更低，因此可以采用地面安装的光伏电站甚至是风电场。根据分析结果，研究周期的后半部门的可再生能源占比会大幅提升：前半部分只有26%，而2035到2050年期间将达到68%。在供给侧策略研究中，考虑了采用车网互动和氢气作为部门耦合方案的优化方案。在这个地方，10%的电动汽车电池容量可以被电网在区域层面上利用，而采用多种能源载体可以优化制氢和发电的运行策略。结果显示，由于对本地VRE发电安装限制变少了，本地100%可再生能源系统的能源成本降低了（该地区估计可降低15%）。

总之，城市已经通过提高本地和区域可再生能源的利用等努力来应对全球气候挑战。随着VRE发电比例的提升，电力系统需要电网电池储能、容量调节和监管手段之外更多的灵活性，需求侧的灵活性潜能巨大。

本报告显示，应用需求侧部门耦合可以满足高比例可再生能源并网要求。此外，通过电解槽实现可再生能源制氢可以极大提升能源系统灵活性。这是因为氢气可以直接储存，也可以转换为其他能源、工业产品，因此有助于重耗能工业、长途海运等脱碳困难的部门减排。

英文版报告全文链接：

https://irena.org/publications/2021/Oct/Sector-Coupling-in-Cities