论文背景与研究动机 [page::0][page::1]

• 可变可再生能源（VRES）渗透率提升及需求电气化改变了传统以化石燃料价格作为电价决定因素的市场格局。

- 现有研究多基于启发式方法，缺乏统一系统重构供需曲线识别价差形成技术的分析工具。

• 本文提出通过能源系统优化问题对偶变量，精准分析多能源携带、部门耦合系统中的电价形成。

研究方法与模型简介 [page::1][page::2][page::3]

• 采用PyPSA-DE德国能源系统模型，以线性规划方式联合优化发电、储能、转换及需求响应。

- 模型覆盖电力、供热、运输、工业等多部门，考虑高时间分辨率及无多期货币贴现。

• 通过KKT最优性条件和对偶变量解析，反推各技术的竞价行为和价格决定权。

- 明确价格制定者判定条件：出清价格附近竞价且未满负荷的供给/需求技术。

未来能源系统关键结构变化 [page::4][page::21]

• 光伏和风电装机容量大幅增长，带动电力需求提升，部门耦合水平加深。

- 灵活性需求（如电池、氢能）占比由2020年的8%增长至2045年的58%。

• 氢燃气机、电池放电、VRES和灵活需求技术逐渐成为价格主要决定者。

电价形成演变与市场清算 [page::5][page::6][page::7]

• 2020年市场价格由煤电和燃气机设定，至2045年转为电池放电、氢能机组和可再生能源。

- 电力市场从依靠少数固定边际成本发电机，转向多技术交替设价，电价波动加剧，零价时段峰值出现在2035年。

• 市场清算示例显示现有技术多样化参与报价，特别是需求侧灵活技术在低价区形成显著容量。

电价持续时间曲线变化 [page::8]

• 电价区间自2020至2045显著拉宽，早期呈多个稳定报价层级，后期趋于连续平滑曲线。

- 碳价格提升是拉大不同发电技术报价差距的关键因素，提升价格分层的宽度。

• 2045年数据体现因储能与部门耦合导致的平滑价格动态，零价时段约占25%。

供需平均曲线表征与市场演化 [page::9]

• 供给曲线逐年右移并趋于平缓，反映大量零边际成本可再生能源装机容量。

- 需求曲线幅度扩大，需求价格区间加宽，需求侧灵活技术能力显著提升，抵消低价风险。

不同技术的竞价行为分析 [page::17][page::18]

• 不同技术竞价范围和市场价值显著不同，灵活储能（电池、抽水蓄能）竞价区间最宽。

- 传统化石发电技术竞价区间窄且稳固，低弹性消费者竞价价格较高且受热价影响明显。

• 可调节需求侧技术（电解水制氢、电动汽车充电）竞价较低，体现灵活负荷调节价值。

政策启示与研究展望 [page::9][page::10]

• 协调发展可再生能源与灵活性技术关键，非均衡扩建将引发过渡期市场波动和零价问题。

- 促进动态定价和灵活需求响应（EV充电、热泵等）对价格稳定至关重要。

• 不同国家能源结构差异显著，模型结果需结合国别背景适用。

- 后续研究建议增强模型空间分辨率，完善需求弹性及跨境市场影响分析。

金融研究报告深度分析报告

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1. 元数据与概览

• 报告题目：Price Formation in a Highly-Renewable, Sector-Coupled Energy System

- 作者：Julian Geis, Fabian Neumann, Michael Lindner, Philipp Härtel, Tom Brown

• 发布机构：Technische Universität Berlin能源技术研究所数字能源转型系，Fraunhofer能源经济与能源系统技术研究所

- 发布时间：2024年（具体发布年未明，但最新引用截止2025年）

• 研究主题：德国高度可再生能源及跨部门耦合电力系统中的电价形成机制

- 核心论点：
报告分析未来电力市场如何从传统的化石燃料发电为主导，转变为由可变可再生能源（VRES）、电池储能及需求侧灵活性共同主导价格形成，特别是在跨部门耦合与能源转型环境下的全供需曲线的动态演变。

• 报告方法：引入一种基于能量系统优化双变量的全新价格形成分析方法，能够精确提取各技术出价，重新构建完整供需曲线，明确价格设定者。

- 主要发现：
- 随着可再生能源占比增大，价格结构由传统分明的价格等级向平滑曲线转变；
- 价格波动性上升，但完全脱碳系统中约75%时段电价保持正值；
- 跨部门需求投标和灵活性技术对电价稳定起关键作用；
- 为政策制定和投资规划提供科学依据，强调弹性技术和动态定价机制的重要性。

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2. 逐节深度解读

2.1 引言及动机（第0-1页）

• 摘要与动机：

随着VRES（如风电与太阳能）增加及电气化加速，电力市场价格形态将经历根本转变。化石发电的边际成本优势减弱，价格由储能和需求管理的机会成本主导。

• 缺口问题：

现有研究多基于经验或启发式，缺乏系统化框架来识别价格设定技术，特别是在高度跨部门耦合系统中。本文旨在提供一种普适性强的方法，通过能量系统优化解的对偶变量，精确重构供需出价曲线并识别价格设定技术。

• 文献回顾：

- VRES大量渗透导致“序位效应（Merit Order Effect）”，低边际成本压低市场价和自身价值；
- “自我掠夺效应（Cannibalisation）”导致VRES难以覆盖投资；
- 价格波动加剧，零价或负价时段增加，电力市场功能性受质疑；
- 跨部门耦合和需求弹性技术在一定程度缓解零价频发和波动风险；
- 价格设定主体由以往的煤、气等化石发电转向储能及调节负荷。

• 研究创新：

结合PyPSA-DE模型，采用数学优化对偶变量萃取技术，突破传统启发式限制，实现对完整价格形成机制的深度解析。[page::0,1]

2.2 方法（第1-4页）

• 建模框架：

- 能源系统视为超图，节点为不同能源载体，边代表转换路径，其中储能和输电视为特殊转换；
- 优化目标为年化系统总成本最小化，包括资本与运行成本，使用年金因子转换投资成本，模型采用跨年度无资金时间价值的短视优化；
- 关键约束包括供需平衡、技术装机容量及运行能力限制；
- 使用KKT条件与对偶变量分析发电机与转换器的边际成本及机会成本，得出其市场出价；
用式(6),(9)推导储能和转换器的有效买卖价，对电池充放电行为进行模型表述，视储能能量为“燃料”，其边际储能价值$\lambda{i,t}$相当于燃料成本。

• 价格设定者识别：

- 在满足出价与市场清算价相近（不超过 €0.01/MWh）、利用率介于1%-99%及最低出力10MWh的条件下挑选候选集；
- 优先认为供应方设价，若无供应方候选，则考虑需求方；
- 若多候选，按投标价格波动性（方差）排序，方差最小者为价格制定者；
- 该方法适用于复杂连通、跨部门耦合系统。

• PyPSA-DE模型介绍：

- 集成电、热、气、氢及多重转换机制，涵盖交通、工业及农业部门；
- 模拟2020至2045年德国能源系统，采用3小时时序，逐步脱碳；
- 政策约束包括$\mathrm{CO2}$排放限额、核电退役、煤炭禁用及氢燃机引入；
- 本研究简化为无边界单区域，排除跨境电网影响。

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2.3 结果分析（第4-10页）

2.3.1 能源系统结构变化

• 2020至2045年间，太阳能、风电装机大幅扩大（分别约10 倍与5倍）；

- 电气化大幅提升，尤其是陆运和供热，灵活性负荷占比由8%升至58%；

• PtX技术最终占电力需求约36%；

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2.3.2 价格设定技术演变（图1，第5页）

• 2020年价格由煤（含CHP）、燃气发电机主导（合计97%）；

- 2030年，$\mathrm{CO2}$价格上涨（€130/t-CO2）驱煤电退出，燃气轮机及电池放电开始主导价格；

• 2035年价格出现最大零价格时段，电池储能与VRES为主导，氢燃机逐步替代燃气；

- 2045年电池放电、VRES与电解槽等需求侧技术共占38%价格设定份额，体现跨部门耦合弹性提升；
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2.3.3 市场不同价格情景下的清算分析（图2，第5-7页）

• 2025年高价阶段价格由褐炭、燃气CHP、抽水蓄能等设定，供需交叉点典型为冬季高负荷低VRES时段；

- 2045年高价主要由氢燃轮机、电池放电及甲烷燃气轮机等设定，供给曲线右移且更陡峭；

• 2045年低价多因高VRES满载且需求响应技术（电解、电池充电等）满足负荷，零售价占约25%；

- 系统跨越由较为平滑的传统发电边际成本曲线，向天气驱动的多变曲线转变；
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2.3.4 价格持续时间曲线发展（图3，第7-9页）

• 价格区间随着脱碳加深而扩大，2020-2035年有明显的价格板块，2035年后价格曲线更平滑且波动加剧；

- $\mathrm{CO2}$价从2020的€28/t上涨至2045超€500/t，推动煤电退出，放大燃气与其他发电价格差；

• 2035年价格波动和零价时段达到峰值，随后储能与跨部门需求稳定电价；

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2.3.5 平均供需曲线变化（图5，第9页）

• 供应曲线由2020年的陡峭且容量有限，向2045年宽广且初始较平缓发展，说明低边际成本装机铺开但价格陡升区段依旧存在；

- 需求曲线随时间由窄而陡变宽且长尾，表示需求侧弹性提升，尤其是各种灵活可调负荷形成长期价格吸收能力，避免零价时段；
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3. 图表深度解读

图1：价格设定技术演变（第5页）

• 描述：展示2020至2045年不同技术在供需端价格设定时段所占比例。

- 解读：
- 2020年煤炭及燃气装置几乎垄断供给端价格设定；
- 2030年燃气轮机和电池放电加入市场主导行列；
- 2045年氢燃机开始替代燃气，需求侧采用更多电解、电池充放等柔性设备，并由此贡献明显的价格设定比例（供给端份额降至62%，需求端升至38%）；

• 联系文本：图表量化反映优化模型中跨部门耦合与储能技术对价格机制的深刻影响，配合文中方法论明确“价格设定者”概念。

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图2：典型市场清算示例对比（第6-7页）

• 描述：分别在2025年和2045年，选取高、中、低价区间，展示分技术的供需投标曲线及市场清算价格；

- 解读：
- 2025年低价时段供给由燃气和煤炭CHP覆盖，VRES边际成本低但容量有限；
- 2045年高价时段，氢轮机、高价甲烷燃气机与电池放电承担边际定价，需求方电解和电池充电等技术出价宽泛，容量大幅增加；
- 2045年低价时段VRES产出充足，电解及甲醇化技术运行饱和，价格近零；

• 联系文本：具体体现了全系统耦合后，价格由供给技术转换为存储与需求响应技术共同驱动的实际市场运行样态。

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图3：价格持续时间曲线（第8页）

• 描述：各年电价按持续时间排序，呈现价格分布及演变；

- 解读：
- 2020-2035年维持几个稳定的价格阶梯，长期平稳价水平明显；
- 2040-2045年出现更多极端高低价，分布更广，价格结构更复杂；
- 价格频繁达到零价的现象非持续性峰值，模型中未显现负价，体现政策及模型设定影响；

• 联系文本：支持“价格多样化与弹性提升”论断，说明技术和政策推动下市场结构变化及波动性演进。

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图5：平均供需曲线（第9页）

• 描述：供需量与对应电价的年平均曲线，揭示系统整体供需结构变化；

- 解读：
- 供应端曲线由陡峭向平缓转变，容量显著扩大，反映低成本可再生能源大量装机影响；
- 需求端曲线由短而陡变长且平，表现出需求侧灵活性增长，需求响应容量扩大；

• 联系文本：进一步佐证跨部门耦合和储能灵活性对稳定市场价格的积极作用。

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图6：典型技术出价分布（第18页）

• 描述：以箱形图展示2025与2045年各主要发电与用电设备的出价范围与市场价值；

- 解读：
- 2025年VRES出价集中于低区间，煤炭、燃气发电出价跨度广泛但趋于中高价位；
- 电池与抽水蓄能初期出价较窄，2045年其出价范围覆盖低高价多个层面；
- 需求侧灵活负荷如电解、BEV充电等在2045年表现出较低出价，体现高效柔性用能特征；

• 联系文本：细节反映多元柔性技术参与价格形成机制的内在驱动力和末端用电价格响应结构。

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4. 估值分析

报告未涉及传统金融资产估值，而是通过基于线性规划与KKT条件的优化模型获取价格形成机制。核心为将需求响应、储能、转换设备边际成本与机会成本通过数学优化对偶变量映射为市场出价。模型不使用经典的DCF或倍数法，而是使用对偶影子价格等技术，分析系统级供需平衡及其价格反映。通过对供需曲线出价体量及电价的演变分析，可以评估不同技术的经济价位及市场参与度。此估值方法针对能源市场特有结构，强调价格形成的技术经济基础，非传统的现金流折现或相对估值。

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5. 风险因素评估

• 模型简化带来的风险：

- 单区域模型忽略跨境电力流和电网约束，减弱市场异质性、价格锚定，潜在高估零价小时数；
- 未建模单元承诺约束（启停成本、最小爬坡率等），可能高估电厂灵活性，影响早期价格结构的准确性；
- 需求近乎刚性假设，实际短期价格弹性可能存在且影响市场行为；

• 市场设计风险：

- 假设完美竞争和理性行为，忽视市场参与者的策略行为及支持措施的市场扭曲；
- VRES补贴或政策变动对价格形成的非经济效应未体现；

• 输入不确定性：

- 资本及燃料成本，技术效率，$\mathrm{CO_2}$价格路径等参数不确定性；
- 天气年份选取对价格持续时间曲线及灵活性配置影响显著。

• 缓解策略：

- 模型对偶变量识别提供清晰价格形成机制，助力政策制定和风险管理；
- 强调跨部门灵活性和储能投资，缓解波动和零价风险；
- 呼吁未来模型扩展多区域、多市场设计及需求弹性纳入以降低风险。
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6. 审慎视角与细微差别

• 假设限制：尽管对偶价格分析科学严谨，但模型的简化假设限制了结果对复杂现实市场的直接适用性，尤其是没有体现市场分区和电网瓶颈，对价格形成空间异质性的影响未覆盖。

- 需求弹性处理：需求弹性的重要性在文中得到认可，但实际模型未能包括，可能低估了需求响应对价格稳定的积极贡献。

• 技术分类及优先原则：价格设定技术选取采用供应优先和价格波动性排序，符合传统观点，但未来市场可能由需求侧主导地位提升，策略逻辑需调整。

- 价格波动性非线性：价格和零价时段在2035年达到峰值后，反而在完全分解碳系统中降低，暗示弹性建设的迟滞效应和系统动态特征。

• 未来技术与贸易依赖：氢、甲醇等可储运能源载体价格将受全球市场影响，带来传递效应和更复杂的价格依赖结构，当前模型未考虑该部分。

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7. 结论性综合

本报告利用PyPSA-DE基于线性规划及KKT对偶变量构建的全新方法，首创性实现了未来高度可再生能源和跨部门耦合德国能源系统价格形成的完整供需曲线重构与价格设定者识别。分析揭示了由2020年至2045年：

• 电价由传统以煤炭、燃气为核心的平缓阶梯结构，转变为受VRES装机规模与天气驱动的高幅度波动结构，价格跨度加大且极端高低价现象频繁；

- 储能技术（尤其是电池和抽水蓄能）以及跨部门需求响应技术（如电解氢、BEV充电、甲醇化）成为重要价格设定主体，打破传统发电厂垄断地位；

• 电价持续时间曲线从局部平稳价带过渡到更连续且复杂的价格区间，体现了跨部门耦合和储能对市场价格的平滑作用；

- 需求侧灵活性扩张使得零价时段在转型峰值后减少，显示灵活性建设对价格稳定不可或缺；

• 提示政策制定必须同步加强可再生能源装机与灵活性资源建设，推广动态定价以支撑系统稳定与投资决策。

综上，本文不仅丰富了能源经济学中价格形成机制的理论与实证分析工具，也为政策制定者和投资者理解未来零碳电力市场提供了深入数据支持和战略参考，强调能源转型中多技术协同和跨部门整合的重要性。

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附录中的图表和表格均详尽展示了供需曲线动态、价格设定技术分布、价格持续时间等多维信息，为全文结论提供坚实的数据支撑。

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总结

本报告内容系统详实，分析宏观而精微，揭示了高度可再生能源与跨部门耦合时代电力价格形成的变革本质和机制路径。通过建立基于优化对偶价格的价格设定者识别方法，为能源系统转型中的经济与市场分析奠定了坚实基础，是相关领域极具价值的学术成果。

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报告