科技動態(tài) | 未來，德國如何突破新能源并網(wǎng)的極限
科技研發(fā) 2019-01-03 14:21:00
目前，德國超過三分之一的發(fā)電量來自可再生能源。德國如何在可再生能源發(fā)電的未來中繼續(xù)保持優(yōu)越性，是對德國能源行業(yè)最重要的問題。
德國向綠色能源的轉(zhuǎn)型仍在繼續(xù)。但是，在沒有太陽或者風(fēng)的時候，完全建立在可再生能源基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)將如何給世界第四大經(jīng)濟(jì)體供電？能源過渡計(jì)劃的反對者認(rèn)為德國必然面對電力能源短缺的挑戰(zhàn)，然而能源轉(zhuǎn)型的支持者則提供了一系列解決方案。
在不依賴核電以及煤，天然氣這種對環(huán)境有危害的燃料的情況下，把對天氣依賴性極高的風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電和用電需求進(jìn)行匹配，這是德國向無核和低碳經(jīng)濟(jì)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)變的巨大挑戰(zhàn)。
根據(jù)德國的氣候改善計(jì)劃，目前可再生能源發(fā)電已經(jīng)可以滿足德國三分之一的電力需求，到2030年將會達(dá)到50%。這項(xiàng)計(jì)劃還意味著，截止到本世紀(jì)中葉，德國必須全面實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電，因?yàn)楣I(yè)和農(nóng)業(yè)中不可避免會產(chǎn)生二氧化碳，這些二氧化碳會耗盡德國剩余的二氧化碳排放預(yù)算。
長遠(yuǎn)來看，德國將不再能依靠核電站（所有的核電站都要在2022年關(guān)閉），也不能依靠煤炭或天然氣發(fā)電，來提供所需要的基本電能——稱為“基本負(fù)荷”。反對者認(rèn)為，德國永遠(yuǎn)不能單純依靠可再生能源發(fā)電滿足電力需求，因?yàn)榧词褂写罅康娘L(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能發(fā)電廠，他們也不能在無風(fēng)，無光的條件下產(chǎn)生足夠的電力來滿足需求。在能源轉(zhuǎn)型的背景條件下，這種天氣狀況得到了廣泛的討論，德語中有了一個新的詞匯：Dunkelflaute（無光且無風(fēng)）。
2017年初，這種天氣狀況十分常見，如下圖所示，1月中旬的風(fēng)能和太陽能發(fā)電量非常低：
圖|發(fā)電量與消耗量
從上圖可以看出，即使風(fēng)能和太陽能發(fā)電容量增加三倍，也無法滿足用電需求。
理論上，有許多方法可以彌補(bǔ)可繼續(xù)能源供電過程中的供需不平衡問題。國際能源署（IKA）的專家研究認(rèn)為，由于電力系統(tǒng)中的可再生能源份額不斷增長，應(yīng)當(dāng)從成本、實(shí)用性和特定需求三個方面提升可持續(xù)能源供電的實(shí)用性：
- 使能源供需更加靈活（可再生燃?xì)猓託?，?shù)字化）
- 提高效率
- 從國外獲得能源（能源的出口與進(jìn)口）
- 能源儲存技術(shù)（抽水蓄能，蓄電池，能源與氣體轉(zhuǎn)換，能源與熱力轉(zhuǎn)換，蓄熱技術(shù)等）
下面的圖表展示了其中一些解決方案。其中，使用儲存系統(tǒng)由于其本身成本較高，建議在嘗試其他方法后再使用。
圖|彈性單元取決于可再生能源（RE）的份額
調(diào)整需求以匹配供應(yīng)
不是一味地調(diào)整供應(yīng)量來滿足需求，相反而是通過調(diào)整需求量來適應(yīng)供應(yīng)量，這種具有巨大潛力的解決方法往往會被忽略。
一般來說，這種解決方法有兩種實(shí)現(xiàn)的途徑：一種是通過提高效率來降低電力消耗；還可以通過調(diào)節(jié)使短時期的用電需求量更靈活。但很多專家認(rèn)為，到本世紀(jì)中葉，德國的用電需求量將會持續(xù)增長，因?yàn)榇蟛糠诌\(yùn)輸和供暖需要由電力提供，所以即使提高效率也并不能對降低電力消耗有明顯的幫助。因此，提升短期用電需求的靈活性將變得更加重要。正如在自動控制原理基礎(chǔ)模型中，需求側(cè)的響應(yīng)對系統(tǒng)優(yōu)化有重要意義。Agora Energiewende委托進(jìn)行的一項(xiàng)研究顯示：需求側(cè)響應(yīng)可以降低電力供應(yīng)成本，進(jìn)一步整合可再生能源，促進(jìn)能源供應(yīng)安全；無論是在總體需求量低但可再生能源投入高，或是總體需求量高但可再生能源投入低的情況下，需求側(cè)響應(yīng)調(diào)節(jié)都會發(fā)揮重要作用。
對于大型工業(yè)電力消費(fèi)者，可以選擇在可再生能源密集時接通電源，從低電價中獲益，在資源稀缺是切斷消費(fèi)，避免直接碰撞電力市場的高價位。關(guān)閉電力消費(fèi)通常被稱為“負(fù)載脫落”，而延遲電力需求則被稱為“負(fù)載轉(zhuǎn)移”。
毫無疑問，“數(shù)字化”是當(dāng)今能源領(lǐng)域最重要的流行詞。信息技術(shù)可以是很多種平衡供需關(guān)系的方法得以實(shí)現(xiàn)，例如管理家用電器的耗電量，或?qū)㈦妱悠嚨碾姵丶傻诫娏ο到y(tǒng)中。
當(dāng)然，在可再生電力能源系統(tǒng)中，靈活的電力供應(yīng)也是必不可少的。在未來，風(fēng)能和太陽能供電必然需要其他能源的補(bǔ)充，而這些替補(bǔ)能源必定有較高的靈活性，例如傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電廠可以在幾分鐘時間內(nèi)快速啟動補(bǔ)充電力產(chǎn)量，因此，他們可能會在一個越來越依賴可持續(xù)能源的電力系統(tǒng)中扮演重要角色。在一個100%使用可再生能源的未來，燃?xì)獍l(fā)電廠會使用可再生能源生產(chǎn)的天然氣，實(shí)現(xiàn)在不排放廢氣的情況下運(yùn)行。
能源的出口與進(jìn)口
國外的電力能源也可以用來彌補(bǔ)可再生能源系統(tǒng)的供需缺口。例如，德國可以從擁有大量水力發(fā)電系統(tǒng)的鄰國進(jìn)口電能，比如多山的奧地利。
此外，歐洲電網(wǎng)的一體化程度正在通過電網(wǎng)的擴(kuò)展逐步提高，所以德國可以從其他氣候不同的國家來進(jìn)口太陽能和風(fēng)能。例如，從希臘進(jìn)口太陽能和從西班牙進(jìn)口風(fēng)能。無風(fēng)且無太陽光的天氣在德國十分常見，但是整個歐洲都是這種天氣的可能性就很低了。
德國也即將與水力資源豐富的斯堪的納維亞半島直接連通。在2017年初，電網(wǎng)運(yùn)營商50Hertz宣布計(jì)劃建造一條德國連接瑞典的電力線。同時，連接德國和挪威的第一條直通線NordLink的建設(shè)工作已經(jīng)開始。從2019年起，電纜將允許可再生能源的運(yùn)輸交換。在德國風(fēng)力發(fā)電量豐富時，多余的電力可以用于位于山上的挪威水庫抽水。在德國可再生能源匱乏時，水可以通過渦輪機(jī)釋放來發(fā)電，然后送回德國。
如何儲存可再生能源
可再生能源在電力市場所占的份額越大，對于儲能技術(shù)的要求就越高。但大多數(shù)能源專家認(rèn)為，在未來幾十年內(nèi)并不需要大規(guī)模的能源存儲技術(shù)，因?yàn)橛行詢r比更高的方法來對可再生能源電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化（見上文）。能源智庫Agora Energiewende委托進(jìn)行的一項(xiàng)研究得出結(jié)論，德國未來20年的風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)發(fā)展均不需要新的電力存儲。
盡管這樣，世界各國對于能源存儲技術(shù)的研究都在如火如荼地進(jìn)行。許多技術(shù)人員、工程師和其他領(lǐng)域的專家，各類公司企業(yè)，都在尋找新方法來儲存多余的可再生能源，以備在惡劣天氣狀況下電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。世界能源理事會(World energy Council)在報(bào)告中寫道:“在可再生能源的同時，將能源儲存與可再生能源一起使用，這一前景令全球能源行業(yè)著迷?！?
由于德國風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池裝機(jī)容量不斷提升，在風(fēng)能和太陽能資源充足的夏季，可再生能源發(fā)電的產(chǎn)量將大大超越整個國家的電力需求。但目前，足以覆蓋整個國家電力市場的大規(guī)模儲能技術(shù)成本過高，必須尋找更加經(jīng)濟(jì)有效的方法來利用剩余的能源。在國際層面上，任何突破性技術(shù)都會獲得巨大收益。
目前，儲能技術(shù)主要有物理儲能(如抽水蓄能)、化學(xué)儲能(如鋰離子電池)和電磁儲能(如超導(dǎo)電磁儲能)三大類。 對比物理儲能而言，電化學(xué)儲能具有使用方便、環(huán)境污染少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。不同的電池類型性能各異，其中鋰離子電池發(fā)展最為迅速，儲能應(yīng)用前景最佳。鋰離子電池?zé)o明顯短板，領(lǐng)跑電池技術(shù)之爭。鋰電池性能大幅提升，與鉛酸電池相比優(yōu)勢明顯，且有逐步取代鈉硫電池和液流電池在大容量儲能領(lǐng)域的歷史壟斷地位。在 2016年全球電化學(xué)儲能新建項(xiàng)目中，鋰電池裝機(jī)占比約為 90%，成為應(yīng)用最廣泛的新型儲能技術(shù)。100MW級高性能鋰離子電池儲能有望在 2020年之前完成技術(shù)攻關(guān)、2025年開始推廣應(yīng)用，帶來更廣闊的市場空間。
圖|全球儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模（2000-2018）
根據(jù) CNESA 全球儲能項(xiàng)目庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截至 2017 年底，全球已投運(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模175.4GW，同比增長 4%；抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模依舊占據(jù)最大比重，為 96%；電化學(xué)儲能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模緊隨其后，規(guī)模為 2926.6MW，同比增長 45%。
圖|2017 年全球新增投運(yùn)電化學(xué)儲能項(xiàng)目分布（MW%）
此外，在未來的能源系統(tǒng)中，分散的小規(guī)模存儲技術(shù)系統(tǒng)(例如家用電池)也可能發(fā)揮重要作用。汽車制造商和公用事業(yè)公司之間的各種合作，也將使用過的電動汽車電池作為第二種大規(guī)模存儲方式，也可以平衡電網(wǎng)。特斯拉(Tesla)、戴姆勒(Daimler)和索尼(Sonnen)等公司生產(chǎn)的電池，在安裝了屋頂光伏系統(tǒng)的家庭中已經(jīng)變得越來越普遍。
或者，過剩的電力可以用來制造氫氣或其他氣體，這些氣體可以無限期地儲存，然后在傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電廠燃燒發(fā)電，或者用來為家庭供暖。但是這項(xiàng)技術(shù)目前很昂貴，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中會損失很多能量。
現(xiàn)在德國是全球最大的戶用儲能市場。GTM（Greentech Media）發(fā)布德國儲能市場報(bào)告，預(yù)測2015-2021 年期間德國儲能市場規(guī)模將增長 11 倍，達(dá)到每年 10.3 億美元。推動德國儲能市場發(fā)展的因素包括逐年下降的稅費(fèi)、高額的零售電價、高比例的可再生能源發(fā)電、KfW 戶用儲能補(bǔ)貼等。對于現(xiàn)在市場中多種多樣的儲能可能性，究竟哪種更適合德國國情，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模能源存儲，只有實(shí)踐和時間能夠給我們答案。
