德國的能源轉型（Energiewende）有了一個新的流行詞：行業耦合。以可再生能源而不是化石燃料為能源密集型供暖，運輸和工業的想法将需要推出許多新技術和規則。陪審團仍然沒有确定哪些技術最适合“電氣化”整個經濟，因為利益相關者提出了不同的解決方案。本實況報道解釋了行業耦合的含義，以及德國正在讨論的實施方案。

行業耦合（德語：Sektorkopplung）是指将能源消耗部門-建築物（供暖和制冷），運輸和工業-與電力生産部門互連（整合）的想法。

到目前為止，德國的能源轉型——遠離核能和化石燃料，以及形成一個幾乎完全由可再生能源驅動的系統——主要發生在電力部門，可再生能源在總電力消費中的份額為36%。其他地區，特别是建築和運輸，仍然主要依賴化石燃料，在德國的一次能源消費中，可再生能源僅占13%（2017年初步數據）。

在所有與能源相關的過程中使用電力，無論是運輸，供暖還是制造，都将徹底改變我們所知道的能源世界。

今天，電力用于操作機械和技術設備，如計算機。工業和家庭使用電力照明，但為了保持家庭溫暖，德國人主要依靠天然氣和礦物油加熱系統，幾乎所有形式的道路運輸 - 汽車和卡車 - 都依賴汽油或柴油燃料。

使電力成為這些部門的默認能源形式将是邁向有時被稱為“全電世界”的一步 - 它可以解決可再生能源發電目前面臨的幾個問題。

由于德國可再生能源的主要來源是風能和太陽能，因此在需要能源時并不總是可用的，因此儲存電力是一個主要問題。各部門的互連可以在這方面有所幫助：部分電力可用于加熱大量水（電改熱），用于加熱房屋，從而間接使供暖部門電氣化。在發電高峰期，電力可用于生産氫氣或合成氣（電力對天然氣）。儲存能量的氣體既可以用來為車輛提供燃料，也可以在幾乎沒有陽光和風的時候變回電能或熱量。

德國政府選擇在大多數過程中使用可再生電力。它認為使用可再生能源（直接或間接，即電力到x）是使該國經濟脫碳的最佳方式，即到2050年使其基本實現碳中和。其他選擇，例如使用生物燃料 - 例如生物柴油，木材（顆粒）燃燒 - 單獨使用由可再生能源驅動的運輸和供暖，被視為不可行，因為用于燃料生産的大量生物質的潛力有限。

在所有耗能的部門使用電力提出了一些棘手的問題，例如如果整個經濟将電力作為默認的能源形式，将需要多少電力，以及如何以最具成本效益和最實用的方式在全國範圍内存儲和分配能源。

用風能、太陽能、生物質能、水能或地熱設施的電力替代煤炭、天然氣和核電站産生的電力。

現狀（2016/2017年）-德國家庭是最大的供熱用戶（44%），其次是工業（38%）以及商業、貿易和服務（18%）。家庭主要使用化石燃料（47%的天然氣，24%的礦物油，17%的可再生能源，2%的電力，9%的區域供熱）進行加熱（不包括熱水）。用于供暖的能源也用于工業和商業，貿易和服務部門。2017年，可再生能源在供暖領域的總體份額為12.9%。冷卻過程的能源使用可以忽略不計 - 占德國最終能源消耗的2%。德國家庭通常不使用空調系統。

目标 - 政府對建築行業的目标是到2020年将熱耗減少20%，到2030年将溫室氣體排放量減少67%。

增加可再生能源在供暖部門所占份額的技術包括使用生物質能（目前用于為家庭供暖的可再生能源中有三分之二來自生物質，例如木屑顆粒）、太陽能熱能和地熱裝置、熱泵、電力制熱和電力制氣裝置。

熱泵被認為是将供暖部門整合到基于電力的能源系統中的關鍵技術。這些設備使用電力來循環熱/冷液體，利用來自外部空氣，地熱或地下水的熱量。熱泵的安裝必須與建築物的隔熱齊頭并進，以确保減少熱量損失，并使整個行業變得更有效率。

另一種電能制熱解決方案使用多餘的電力（例如，在風能或太陽能可再生能源發電量非常高的時期）來加熱大量水，然後在區域供熱網絡中循環（這些網絡已經存在于幾個德國城鎮）。

沼氣廠的多餘熱量也可用于此類供暖網絡。

在電力對天然氣裝置中産生的合成氣體，使用電力制造氫氣（電解）并添加CO2以産生甲烷（=天然氣），也可以用于加熱部門而不是化石天然氣。

現狀（2017年）——德國運輸部門使用的能源中，94.8%來自化石燃料。可再生能源僅占5.2%（主要是生物柴油）。

目标 - 到2020年，政府希望将運輸部門的最終能源消耗減少10%（2050年：-40%），到2030年将溫室氣體排放量減少40%。

運輸部門脫碳的關鍵技術包括使用壓縮天然氣（CNG），生物燃料，電池，氫氣或合成燃料。

除了使用天然氣和生物燃料外，所有這些技術都将是與電力系統互連的一部分，無論是直接（電池，用電充電）還是間接地，在電力對天然氣（氫氣或合成天然氣）或電力到液體（以類似于電力到天然氣的程序生産的液體合成燃料）應用中。航空，航運和公路貨運将成為power-to-x技術的候選者，而不是基于電池的發動機。

在個人出行領域，公共交通、汽車共享、騎行、步行以及最終的自動駕駛預計将在德國基于電力的新型出行概念的發展中發揮越來越大的作用。

CLEW的客座漫畫家Mwelwa Musonko受到能源轉型的新流行語部門耦合的啟發。

現狀（2016年）——工業過程占德國最終能源消耗的28%。天然氣（35%）、硬煤（14%）和電力（32%）滿足了大部分工業能源需求。隻有4%來自可再生能源。工業部門所需的能源中有四分之三用于處理熱量，其餘用于運行發動機和機械。所有排放的38%來自與能源使用無關的過程，但例如水泥，白垩或鋼鐵的制造，或其他化學過程。

目标 - 政府希望到2030年将工業部門的溫室氣體排放量減少50%。

技術 - 工業部門将更加節能，用于實現這一目标的技術取決于特定的制造工藝和回收策略。

根據工業過程是否需要氣體、礦物油、化學品、熱能或電力，其他部門中所有适用的功率到x技術也可用于工業部門的電氣化。

然而，政府承認，并非所有工業和農業過程都可以完全脫碳。因此，如果德國計劃在2050年實現80-95%的溫室氣體減排，那麼其剩餘的5-20%的二氧化碳排放量（10%=1.25億噸二氧化碳當量）可能來自這些部門。無論如何，為了達到碳中和，工業的溫室氣體排放可以被捕獲和利用，或儲存（CCU / CCS），或由CO2彙抵消。

研究人員試圖通過模拟德國未來的經濟、社會和能源系統來尋找答案的一個主要問題是，如果所有能源使用部門都實現電氣化，将需要多少電力。這些情景的結果範圍為每年 462 至 3，000 太瓦時 （Twh）。

2016年，該國年度最終能源消耗為2542 TWh，電力消耗總量為516 TWh。2015年，僅供暖/制冷和熱水服務就使用了748 TWh。

與此同時，美國能源公司埃克森美孚（ExxonMobil）估計，到2040年，德國的能源消耗将下降約30%，三分之二的汽車仍将使用礦物燃料，電動汽車僅占當年車隊的五分之一。

2010年，政府設定了到2050年将一次能源消耗與2008年水平相比減少50%和25%的目标。Fraunhofer ISI在2018年的一項研究中表示，僅考慮到電動汽車的電力需求，以及供暖和工業部門的電力需求 - 總是取決于效率的提高 - 這些功耗目标可能必須修改。

所需的電量還将取決于為每個部門供電而選擇的技術。将一種形式的能量轉換為另一種形式的能量（例如在功率到氣體過程或為電池充電時）時損失的能量 - 稱為能量轉換效率 - 對于每個過程都是唯一的。利用電力産生氫氣（電解）并再次使用這種氫氣發電，其轉換效率為40%，這意味着60%的原始産生的能量在轉化過程中損失。

電池驅動的汽車的能量轉換效率為69%，而氫燃料電池汽車的能量轉換效率為26%，合成燃料驅動的汽車的能量轉換效率為13%。

在供暖領域，電動熱泵的效率系數為285%，因為電力有助于利用來自外部空氣，土壤（地熱）或地下水的熱量。氫燃料電池加熱設備的轉換效率為45%，而以可再生氣體（甲烷）為燃料的加熱系統的相應數字為50%。

在德國，對于未來不同部門最終将采用的直接或間接使用電力的衆多技術中，仍有争議。一些人主張大多數行業的直接電氣化，而另一些人則認為，隻有使用power-to-x技術才是可行的。

盡可能在供暖，運輸和工業過程中直接使用電力的主要論點（由Leopoldina，Agora Energiewende / Verkehrswende或Ökoinsititut等研究人員提出）是，這是最節能的解決方案，即在轉換中損失的能量更少。這意味着需要的可再生能源裝置（可用空間有限）将減少，需要進口的能源将減少，因此總成本将降低。作為優先事項，私家車，火車，公共汽車和私人住宅都應該由電力提供動力/加熱，而大型車輛和工業過程将由氫氣，甲烷或其他合成燃料提供動力。這對于能源的長期儲存也很重要，智庫Agora Energiewende和Agora Verkehrswende在2018年辯稱。他們警告說，特别是在個人交通工具中，不要用合成燃料和天然氣代替汽油，因為這種汽車的耗電量大約是電池電動汽車的五倍。

支持電力轉天然氣技術的主要用途是天然氣基礎設施行業，以商業為導向的德國能源署（dena），以及德國風能協會（BWE），以及本研究中的綠色和平組織。他們的理由是，在可再生發電量低的情況下，隻有天然氣（例如以甲烷的形式）可以以電力系統所需的數量儲存，作為備用。此外，現有的天然氣網絡不僅可以用于儲存，還可以用于在整個德國運輸天然氣，從而減輕電網的壓力。由于天然氣在供暖和工業領域都有使用，因此可以使用一些現有的應用和工藝，而無需引入新技術（例如，房屋中的熱泵）。現有的沼氣廠可以提供從氫氣中産生甲烷所需的二氧化碳。

一般來說，大多數參與者都同意，需要多種技術的混合來使不同部門脫碳和互連。所有利益相關者都要求可預測的框架條件，許多人要求一個公平的競争環境，讓最具成本效益的技術獲勝。

在其2018年的聯盟條約中，政府表示将支持綜合能源系統的研究;配電網絡和公共交通在這種系統中發揮着至關重要的作用;并且它将促進氫技術。它還希望改革連接這些部門所需的天然氣和供暖基礎設施的融資。

能源使用部門的互連将需要衆多流程的數字化，以更好地同步供需（請參閱數字化檔案）。必須回答幾個實際和法律問題，以便能夠建立一個綜合能源系統。這些包括發電機，電網，存儲設備和電解槽的征稅和/或補貼方式;誰被允許操作它們;誰負責管理來自可再生能源設施和家庭的電力流，以穩定電網（配電或輸電網運營商？以及關于如何，何時何地允許人們為電動汽車充電的規則。

如果30%的德國人駕駛電動汽車，最好在傍晚下班回家後給電動汽車充電，那麼低壓電網很可能會崩潰，咨詢公司Oliver Wyman在最近的一項研究中警告說。與其說是汽車電池所需的電量，不如說是同時充電的行為會使電網不穩定。

考慮到僅電動汽車的電力需求就可以将德國的電力消耗提高100太瓦時 - 占當今消費量的20%，應用生态研究所（Ökoinsitut）計算出 - 利益相關者正在提出将電動汽車納入系統而不冒停電風險的想法。

可能有财政激勵或規則（或兩者兼而有之），以确保并非所有電動汽車同時收費。此外，如有必要，汽車電池可用于将電力反饋到電網中。負載極其繁重的快速充電站會給電網帶來很大的壓力，隻能在公共場所使用。那些希望在家中擁有快速充電點的車主将不得不支付必要的電網升級費用。

“重要的是，這些規則從一開始就清晰而誠實地傳達出來。如果我們希望人們隻在特定時間收費，我們就不能讓他們習慣于随時給汽車加油，然後再改變規則，“非政府組織德國觀察政策主任克裡斯托夫·巴爾斯（Christoph Bals）說。

雖然這些對未來規則的建議有多少細節似乎很奇怪，但所有利益相關者都熱衷于從一開始就把它做好，避免代價高昂的錯誤，比如所謂的“50.2赫茲問題”。早在2005年，電網運營商就下令，如果電網中的頻率超過50.2赫茲，出于安全原因，太陽能光伏裝置必須關閉。随着太陽能裝機容量從2006年的3吉瓦飙升至2012年的33吉瓦，人們發現，如果由于這個問題同時關閉大量太陽能光伏設施，可能會發生停電。最終，超過300，000個太陽能光伏裝置不得不翻新。“我們解決了這個問題，它花費了我們數十億歐元，但我們也在此過程中提出了許多創新解決方案，”亞琛工業大學教授Armin Schnettler評論道。

規劃新電網結構的電網運營商TenneT和50Hertz提出了各種方案，表明電網擴張的需求取決于德國實現能源轉型的方式，也取決于将部門與電力供應耦合所采用的技術（參見情況說明書德國電網的設置和挑戰）).例如，關于大型電解槽的位置，何時運行，由誰操作以及它們的成本的決定對于未來電網的規劃者來說同樣重要，輸電網運營商Amprion的規劃部門負責人Peter Barth在2018年初在柏林的一次會議上表示。

由于圍繞将用于行業耦合的技術的許多問題仍未得到解答，因此判斷整個任務的成本是出了名的困難。同時，計算不同集成解決方案的潛在成本可以為哪種技術更可取的争論提供信息。

2017年Enervis的一項研究計算了不同場景的成本，得出的結論是，使用電力轉天然氣技術比完全電氣化更具成本效益。

在2018年關于基于電力的合成燃料成本的研究中，Agora Energiewende和Agora Verkehrswende得出結論，電力制氣技術（電解槽）隻能在過量的可再生能源下運行的假設是錯誤的。為了使它具有經濟意義，必須連續使用這項技術，這将需要更多的功率。隻有通過高二氧化碳價格，它才能成為化石燃料的可行替代品。其他研究人員認為，在整個不同部門中盡可能多地直接使用電力在經濟上是可取的。

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