欧盟综合能源系统2020—2030年研发路线图及其启示与建议*

岳 芳 郭楷模 陈 伟**，，3

（1.中国科学院武汉文献情报中心，武汉 430071；2.科技大数据湖北省重点实验室，武汉 430071；3.中国科学院大学经济与管理学院，北京 100190）

近年来，全球新一轮能源革命不断深化，多学科领域技术的交叉融合不断促成能源科技的突破，全球气候变化形势日益严峻迫使人类采取行动降低能源相关温室气体排放，传统能源供需模式逐渐发生变革，能源系统向低碳、多元、高效、可持续转型成为必然趋势，这一转变也将重塑当前基于油气等化石能源资源分布的世界能源格局。因此，加速构建未来多能融合、互补利用的综合能源系统，实现能源资源的优化配置和高效低碳利用，在新一轮能源革命中抢占先机，在未来能源格局中占据主动，成为世界主要发达国家的能源战略共识。一些发达国家及地区已经提出了符合本国国情和能源、气候目标的综合能源系统概念，并做出了相应的科技研发战略布局和规划，其中以欧盟尤为突出。欧盟将构建综合能源系统视为向绿色能源转型的框架，认为能源系统应作为一个整体进行规划和运行，将不同能源载体、基础设施和消费部门有机结合。为此，近年来欧盟对综合能源系统进行了全面的研发规划，提出了面向2050年的综合能源系统愿景，根据该愿景提出了到2030年的研发路线图，随后基于路线图框架提出了2021—2024年研发实施计划。本文将重点针对欧盟2030年综合能源系统研发路线图，从提出背景、经费预算、目标、重点研发领域等方面进行梳理和总结，以充分了解欧盟对综合能源系统的构想和研发重点，为我国发展清洁、低碳、安全、高效的多能融合系统提供参考和借鉴。

1 路线图背景及概况

欧盟在能源绿色转型方面的探索一直走在世界前列，将能源政策与气候政策相整合，2010年起陆续发布了《能源2020战略》［1］《能源2050路线图》［2］《能源与气候 2030战略》［3］《欧洲远期战略愿景——给所有人一个清洁星球》［4］和《欧洲绿色协议》［5］等能源气候战略规划，构建起短、中、长期可持续的前瞻性能源气候战略框架，提出了面向2020、2030和2050年的碳减排、可再生能源占比和能效的具体发展目标（表1）。

表1 欧盟气候与能源发展目标Tab.1 Climate and Energy Goals of EU

实现能源转型目标需要在多方面进行变革，为此，欧盟设定了到2030年的一系列关键指标，具体包括［6］：1）与1990年相比，温室气体排放量减少40%，可再生能源至少占终端能源消费总量的32%；2）电力成为主要能源载体，在终端能源需求占比从2015年的22%稳定增至29%，可再生能源在总发电量占比达到57%；3）能源系统灵活性得到提高，从而为具有更多分布式能源、更灵活需求和更多储能设备的未来能源系统提供服务；4）通过智能充电，解决由于电动汽车同时充电带来的配电网运营挑战以及电力质量和电力系统稳定性问题；5）住宅用电占终端电力消费总量的30%，供热和制冷用电大幅增加；6）工业用电转向碳中性供热，电气化、氢气或绿色燃料的使用将取决于热量需求和温度需求；7）第三产业（服务）的用电量达到终端电力消费总量的25%，且能效大幅提升；8）家庭消费者成为“主动消费者”；9）分布式可再生能源进一步普及，并被整合到建筑物和当地环境中；10）核能在终端能源消费中占比保持稳定（2015年为14%）；11）天然气消费占比（不包括非能源用途）保持在20%。这要求能源系统所有利益相关者都参与其中，涵盖终端用户、电/气/热/冷供应商、其他市场参与者、电网运营商、政府和监管机构等，先进的综合能源系统是实现上述功能的基础。

能源技术的研发与创新是实现能源转型目标的关键，欧盟通过“战略能源技术计划”（SETPlan）［7］统筹能源技术研发创新。在SET-Plan框架下，欧盟创建了欧洲能源转型智能网络技术与创新平台（ETIP SNET），用于指导综合能源系统相关研究的开发与创新。ETIP SNET在2016年12月首次提出2017—2026年综合能源系统研发创新路线图［8］，并在次月提出2017—2020年短期研发实施计划［9］。2018年6月，ETIP SNET提出“综合能源系统2050愿景”（“2050愿景”）［10］，即“建立低碳、安全、可靠、灵活、经济高效、以市场为导向的泛欧综合能源系统，到2050年实现碳中和以及循环经济，同时在能源转型期间增强在全球能源系统领域的领导地位”（图1）。

图1 欧盟综合能源系统愿景示意图［10］Fig.1 Schematic Diagram of the Integrated Energy System in Vision 2050 of EU［10］

基于上述构想，欧盟于2020年2月发布《综合能源系统2020—2030年研发路线图》草案，并在7月发布最终版本［11］（“2030路线图”），明确了未来十年综合能源系统研究创新的重点领域和优先活动，总预算40亿欧元，其中25%用于研究，75%用于示范。2030路线图将围绕6大研究领域（消费者、产消合一者和能源社区；系统经济性；数字化；系统设计和规划；灵活性技术和系统灵活性；系统运行）进行共计120项研究和示范任务，旨在到2030年实现综合能源系统的12个功能（Functionalities），以支撑2050愿景的5大构成要素（Building Blocks）（表2）。

表2 2050愿景五大基本要素与2030路线图12个功能的对应关系及预算Tab.2 The Association between 5 Building Blocks of the Vision 2050 and 12 Functionalities of the Roadmap 2030 and Their Budgets

如图2所示，欧盟计划分4个阶段实施2030路线图，第一阶段研发实施计划［6］于2020年5月发布，明确了研究创新优先事项及相应预算（共约9.55亿欧元）。欧盟将陆续制定后续实施计划，并在2030年更新研发路线图以实现2050愿景目标。

图2 实现2050愿景的关键举措［6］Fig.2 Key Steps for Achieving the Goals of the Vision 2050［6］

2 路线图研发重点领域

为构建2050愿景的五个基本要素，2030路线图提出了综合能源系统应具备的12个功能（表2），基于6个研发重点领域实施研发和示范活动以求到2030年实现这12个功能，其研发子领域、预算及预期技术突破如表3所示。

表3 2030路线图重点研究领域的预算和预期技术突破Tab.3 Budgets and Expected Technological Breakthroughs for Research Areas of the Roadmap 2030

3 对我国的启示及建议

欧盟将综合能源系统视为实现能源转型和碳中和欧洲的基础，构建了从远期愿景到中期路线、短期实施计划的系统性、协调统一的综合能源系统研发规划体系，该体系将欧盟的能源和气候目标与具体的实施路线紧密关联，建立起从宏观愿景到微观实施的可行路径。我国提倡构建多能互补、供需协调的智慧能源系统，但研发及示范活动起步较晚，缺乏多种能源统筹发展的顶层设计和实现互补利用的融合技术。欧盟对未来综合能源系统的性能和构成设想，以及相应的优先研发领域对于我国具有一定的启示和借鉴意义。

3.1 构建符合国情的多能互补智慧能源系统愿景目标

由于传统化石能源资源量严重不足，欧盟的化石能源消费严重依赖进口。为解决能源供应安全问题并应对气候变化危机，欧盟大力推进以可再生能源为主的清洁能源。为此，欧盟以“一揽子政策”的形式将能源政策与气候政策相结合，全面推进电力、交通、建筑、工业等部门的脱碳。随着能源转型的逐步推进，欧盟不断加深对综合能源系统在能源转型中作用的认识，提出能源系统应作为一个整体进行规划和运行，将不同能源载体、基础设施和消费部门联系起来。升级版SET-Plan也改变了以往单纯从技术维度规划发展的做法，从能源系统的整体角度，聚焦于能源转型面临的关键挑战与目标来规划能源技术研发活动。欧盟在其综合能源系统第一版研发创新路线图（2017—2026年）中就贯彻了这一理念，将研发重点从原本注重发展智能电网扩展为发展包含电、气、热网的综合能源系统，尤其强调将所有灵活性解决方案集成至电力系统中，以推进能源系统对波动性可再生能源的消纳。

我国具有“富煤、少油、贫气”的能源资源特点，能源消费结构以煤炭为主，2019年煤炭在我国一次能源消费中占比仍达约58%［12］。调整能源结构、减少煤炭消费、增加清洁能源供应成为我国能源革命的重要任务，《能源法（征求意见稿）》［13］进一步明确以可再生能源主导能源转型。然而，我国尚未提出未来综合能源系统的愿景目标，2016年发布的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》［14］强调以“互联网+”为手段、以智能化为基础发展能源互联网。同年发布的《能源发展“十三五”规划》［15］进一步提出构建多能互补、供需协调的智慧能源系统。欧盟通过发展综合能源系统，在电网中融合高比例波动性可再生能源、构建分布式智慧能源网络、开发创新能源服务模式和推进终端用能部门的融合等方面已经具备较为成熟的经验，这对未来综合能源系统的构想具有启示作用。例如，2050愿景构想的欧洲未来综合能源系统是以电力系统为主体，将储能技术和各种能源载体网络通过转换技术融合在一起，提出了未来综合能源系统的四个层级：1）市场层，确保发电方、零售商、集成商、消费者、电网运营商、转换和存储管理方、其他市场参与者之间的交换；2）通信层，支持能源系统的纵向和横向集成以及信息和市场的传递；3）物理系统层，包括满足消费者需求的多种能源发电、电力转换、存储和网络等自动化能源基础设施；4）数字基础设施层，支持能源网络的运营，实现综合能源系统的高水平自动化管理。这将能源市场、数字化、通信系统置于与能源基础设施同等重要的地位，尤其强调充分发挥能源市场对能源转型的驱动作用。同时，欧盟还提倡“能效优先”原则，上述四个层级与能效一起，构成了实现2050愿景目标的五大基本要素。这与我国所提倡的多能互补智慧能源系统具有一定的共性，应借鉴欧盟经验，在国家规划中注重整个能源系统层面的优势互补与利用，对能源市场、数字基础设施、通信基础设施和能源基础设施进行合理布局规划，在我国的高效、低碳多能互补智慧能源系统愿景中融合煤炭等化石能源、可再生能源（风、光等）、核能、氢能等多种能源载体，通过需求侧响应、电力与多种能源载体间的转换技术等，提升能源利用效率，实现工业、交通、建筑等终端用能部门的清洁高效和协调互补用能。

3.2 制定完善的短、中、长期研发战略规划框架

欧盟SET-Plan研发框架下共计确定了包含综合能源系统在内的14个技术领域，目前只有综合能源系统领域建立了完备的研发战略框架体系，具有极大的参考价值。针对综合能源系统的发展，欧盟制定了长期愿景（2050年）、中期研发路线图（2030年）和短期研发实施计划（约4年为一阶段），建立起从宏观到微观、从顶层设计到底层实施的研发战略框架体系。欧盟将宏观的2050愿景解构为5大要素，明确了构建5大要素所需的12个功能，落实到更细分的层面，确定各功能到2050年的实现目标，由此进一步确定各功能到2030年的目标，从而使2030路线图的目标更加清晰。2030路线图根据要实现的12大功能，确定了6个重点领域，分解为24个子领域，进一步落实为120项研究和示范任务（即研发优先事项）。对于每项任务，基于技术成熟度确定了技术现状和到2030年发展的目标，及其支持实现的功能，建立起“功能-领域-子领域-任务”关系，使得每项任务都明确指向所实现的功能（通常支持实现多个功能），从而实现了宏观目标（功能）到具体研发优先事项（研究和示范任务）的分解。另外，欧盟综合能源系统研发战略秉承了SETPlan实施框架体系的“中期路线图-短期实施计划”做法，通过短期实施计划分阶段实施路线图，并定期评估实施进展，及时掌握实施效果，了解技术进展和面临的关键挑战，以便在下阶段实施计划中加以修订，确保短期实施计划能够与中期路线图目标保持一致。

欧盟这一研发实施框架具备短、中、长期视野，兼顾了远期目标和近期计划，能够将宏观愿景落地为具体的研发事项，具备较强的可实施性，各任务目标指向明确。短期研发实施计划的时间跨度较短，因而能够在研究和示范任务层面进行灵活调节。我国缺乏对智慧能源系统的研发战略规划，仅针对“现代电网”和“能源互联网”确定了到2030年的技术创新路线图［16］，公共研发方面主要通过重大专项、科技专项等重大研究计划发挥政府的主导作用，缺乏完整的研发战略实施框架和支持体系，研发活动呈现各自分散和部分重叠的局面。由于缺乏总体战略规划，难以区分各关键技术领域的重要性及优先级，既不能确保重点领域的全面覆盖，也不能保证研发活动的连续性。因此，应基于我国多能互补智慧能源系统的长期愿景，确定实现长期目标的关键使能技术，尤其关注能够大幅增强能源系统灵活性、实现供能端与用能端协同作用的技术，如可再生能源电力与其他能源载体的相互转换技术、储能技术、智慧能源技术等。针对各类技术的开发现状，制定短、中期开发路线，确定技术开发目标、挑战、优先事项并设置具体时间进程和资助预算。

3.3 建立高效的研发创新组织体系统筹研发活动

欧盟通过SET-Plan统筹协调能源技术的研发创新活动，以目标为导向打造能源科技创新价值链。在SET-Plan框架下建立了全面的能源技术创新生态系统：由SET-Plan指导小组负责协调欧盟成员国的研究计划与SET-Plan保持一致；成立欧洲能源研究联盟（EERA）以推动各成员国的大学及公立科研机构进行科研合作；成立欧洲技术与创新平台（ETIP）以汇集各成员国产学研利益相关方，主导制定欧洲各能源技术领域的中长期发展愿景和战略研究议程，并推动技术开发与产业发展；建立SET-Plan信息系统（SETIS）平台对能源技术研发战略的实施进展进行监测、评估和审查。具体到综合能源系统领域，则是通过ETIP SNET制定综合能源系统愿景、路线图和实施计划并管理相关资助项目，在EERA下开展“智慧城市”“智能电网”“能源系统集成”等联合计划指导相关基础研究和技术应用（技术成熟度为2～5），从而确保对综合能源系统研发战略的有效实施。

当前，我国科技发展的总体思路正从“技术追赶战略”向“技术优势战略”转变，能源科技战略规划也应立足长远、脚踏实地，提升原始创新能力以塑造未来能源科技的领先优势。未来能源系统必然向清洁、高效、多元和智慧化发展，亟需完善相关研发规划形成机制和组织实施机制，确保能够以长远发展的眼光确定重点方向和重点领域，并能系统化、可持续地统筹组织实施。多能互补智慧能源系统涉及能源供应、分配和应用的各个环节，相关技术覆盖多个学科，存在大量交叉领域的研究挑战。应参考欧盟经验，以目标为导向建立研发创新组织体系，成立专有的管理平台以联合官、产、学、研界的优势力量，充分参与战略规划研发和研发活动实施。此外，应成立实施工作组协调中央与地方的研发计划，确保研发活动协调一致。

3.4 开发以用户为核心、灵活自主的区域能源社区

由路线图可以看出，欧盟尤为注重发展区域能源社区，在2019年修订的欧盟电力指令（EU）2019/944［17］中提出了“公民能源社区”（Citizen Energy Community）的概念，即基于自愿和开放参与原则，由自然人、地方当局（包括市政当局）或小型企事业单位等作为其成员或利益相关方并有效掌控的法律实体，开展发电（包括可再生能源发电）、配电、供应、消费、聚合、储能、能效、电动汽车充电或其他能源服务。公民能源社区的主要目的是为其成员、利益相关方或所在地区带来环境、经济和社会效益，而不是获得财务盈利。欧盟希望通过发展公民能源社区，促进公民以低成本公平获取当地清洁的可再生能源等能源服务，使消费者能够管控和担负起实现能源需求的自给自足，参与到能源市场改革和项目建设的决策过程，为公民和当地企业创造投资机会并获得回报，进而反哺本地经济，为社区带来社会经济效益。

公民能源社区这一创新理念可为我国发展灵活高效的区域能源系统提供经验和指导。我国领土面积广阔，不同地区的能源资源有着极大差别，应选取典型能源地区开展区域能源系统示范，探索适用于不同场景的能源社区模式，作为我国未来多能互补智慧能源系统的关键组成部分。例如，在海岛地区，基于风能、波浪能和分布式光伏等可再生能源，结合大容量储能以及可再生能源电解制氢系统，实现多种能源载体之间的灵活转换。通过部署电制热/冷、智能电表、智能家电、车辆到电网和燃料电池汽车及加氢站网络，促进终端用能的直接或间接电气化。结合能源互联网技术开发多种能源市场服务模式，促进本地能源聚合商、产消合一者、小型能源社区充分参与到能源市场中，同时优化用户行为，与能源供应、存储、分配、消费、转换的各环节进行交互，实现当地能源自主和低成本获取，同时确保用户能够获得最佳的消费体验。

3.5 构建适用于未来能源系统的高度灵活能源市场

能源市场能够成为能源系统转型的关键推动力。欧盟将能源市场作为实现2050愿景的要素之一，提出构建泛欧批发市场、整合本地市场等，前者强调通过欧盟层面的批发市场进一步降低可再生能源发电成本，促进能源灵活性服务的交易，构建泛欧层面的电力、天然气批发市场，后者则将探索适用于公民能源社区和区域能源市场的新型商业模式，提高私人家庭的需求灵活性，使公民能够参与能源市场决策，通过对用户行为的预测和优化确保本地能源市场的高质量服务和高度供应安全性。

随着多种洁净能源技术的进步，清洁能源逐渐具备与化石能源竞争的能力，我国能源系统转型将面临日益严峻的高比例波动性可再生能源接入带来的系统安全问题，社会经济的快速发展也将带来能源供需不匹配、能源利用率偏低、能源消费区域差异性日益加大等问题。传统的能源供应和服务模式难以解决上述挑战，因此应打破现有能源市场机制，针对不同规模的能源市场进行创新设计，为能源系统全链条产品和服务开发相应的商业模式及市场监管机制，使大型能源需求中心能够获得低成本、高效、灵活的能源供应和服务，小型区域及家庭（个人）用户能够通过个性化能源服务实现能源需求近实时的计划、预测和调整，实现各种能源产品及服务的价值最大化，充分发挥市场激励作用，促进提升能源系统灵活性、可靠性和可持续性的相关技术部署，使能源市场成为构建未来能源系统的有力驱动。

3.6 在综合能源系统中深度融入数字化技术

数字化技术的快速发展和日益普及正颠覆许多传统行业，并催生了新的商业模式。对于能源行业而言，数字化技术的不断融合应用也将催生能源转型的新动能，助力构建下一代智慧综合能源系统。欧盟在综合能源系统路线图中强调了数字化技术的重要作用，认为综合能源系统应包含数字基础设施层，深度集成数字化技术为系统提供新的服务，以促进能源供应和需求更好地相互作用，实现能源系统的先进规划、运行、保护、控制和自动化，增强弹性，进而保障能源系统安全。

数字化技术能够为我国建设先进的智慧综合能源系统提供新动能。通过ICT、大数据、人工智能、区块链、物联网等技术，可实现在能源生产和消费侧全面推进系统转型，同时为传统能源行业提供产业升级的新产品、新服务和新模式。在生产端，通过数字化技术能够提升能源供应的预测和决策水平，促进多种能源资源的稳定接入以及电、热、气等多种能源形式的互补利用，实现能源供应多元化、智慧化。在消费端，应进行精准的用户行为预测，结合电动汽车智能充电、储能电池、电力转换为其他能源载体（Power-to-X）等技术调节用户消费行为，灵活配置需求侧资源，通过点对点交易、聚合商等提高用户参与度并降低用能成本，实现更高效、灵活、可靠的能源资源调度和使用。总而言之，应促进数字化技术与综合能源系统的深度融合，在能源生产、消费、管理、运营等场景中开发并示范数字化技术应用模式，构建包含传统能源生产、输配和消费的物理基础设施和新型数字基础设施的新一代智慧综合能源系统。