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以可再生能源為支柱

德國聯(lián)邦環(huán)境部資助的一個(gè)研究項(xiàng)目表明，如果將可再生能源發(fā)電設(shè)施與蓄電系統(tǒng)和備用電廠等聯(lián)網(wǎng)，便可以在未來保障德國的電能供應(yīng)。當(dāng)然，這樣做要花費(fèi)多少成本，則另當(dāng)別論。

一個(gè)國家能不能*僅靠可再生能源發(fā)電來滿足其全部用電需求，同時(shí)還能保持電網(wǎng)穩(wěn)定？來自弗勞恩霍夫研究所的研究人員（右圖）認(rèn)為這不無可能。

對德國的電力用戶而言，2050年2月1日是個(gè)好日子。這一天，北部海岸刮起大風(fēng)，風(fēng)勢強(qiáng)勁，海上風(fēng)電場和安裝在陸地上的風(fēng)電機(jī)組，都卯足了勁，轉(zhuǎn)個(gè)不停。同時(shí)，這一天，還陽光燦爛，主要分布在南部地區(qū)的光伏發(fā)電模塊，也在全力工作。在一間中央控制室的顯示屏上，工程師可以從一張圖表上看到，這一天的平均可再生能源發(fā)電量為8000萬千瓦，正午時(shí)份的最高發(fā)電量，則高達(dá)1.2億千瓦。

在這樣的場景中，僅靠利用風(fēng)力和陽光等可再生能源生產(chǎn)的電能，便足以滿足整個(gè)德國的工業(yè)、貿(mào)易、商業(yè)和居家等用電需求。在德國，用電量最大的是柏林、漢堡和魯爾地區(qū)的幾座城市。不過，歸功于新的輸電線路，像這樣的人口密集地區(qū)，也并未遇到任何麻煩。

如果有時(shí)候風(fēng)力不夠強(qiáng)勁，或者太陽躲在云層之后，那么，采用甲烷和沼氣系統(tǒng)來發(fā)電的備用電廠，也將出現(xiàn)在這幅場景中——不過今天不需要它們出場。控制室里的工作人員認(rèn)為，這是利用過剩電能為遍布全國的蓄電系統(tǒng)充電，以及利用“電轉(zhuǎn)氣”系統(tǒng)生產(chǎn)可輸送至天然氣管網(wǎng)或重新變?yōu)殡娔艿募淄闅怏w的理想日子。

一個(gè)幾乎*基于可再生能源的基礎(chǔ)設(shè)施，能不能像如今的礦物燃料電廠那樣，不論用電需求是增加還是減少，都能始終確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性呢？換句話說，技術(shù)解決方案，能不能擔(dān)起抵消風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電與生俱來的波動(dòng)性的重任？

在一個(gè)名為“聯(lián)合電廠”的合作項(xiàng)目中，科學(xué)家針對這些問題給出了答案。西門子研究人員Philipp Wolfrum博士和Florian Steinke博士表示：“*采用可再生能源發(fā)電，是有可能實(shí)現(xiàn)電力平衡的。其中至關(guān)重要的因素是，借助面向分布式電廠的智能電能控制系統(tǒng)，在最短的時(shí)間內(nèi)作出積極而準(zhǔn)確的響應(yīng)。”這是從西門子中央研究院與來自科學(xué)界、商界的合作伙伴所共同開展的模擬中得出的結(jié)論。

風(fēng)大，太陽足。控制系統(tǒng)工程師認(rèn)為，原則上，到2050年，可再生能源發(fā)電廠確實(shí)可以保持德國電網(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定，保證提供可靠的服務(wù)，同時(shí)也能生產(chǎn)出足夠的負(fù)荷均衡電能，在任何時(shí)刻，都能始終提供正好需要的發(fā)電量。在他們的研究項(xiàng)目中，他們假定風(fēng)力發(fā)電量占總發(fā)電量的大部分——在本例中，占比為60%。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電能約占五分之一，生物能占10%。其余10%則來自水力發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電。

這種電能供應(yīng)系統(tǒng)模型是基于這樣一個(gè)假設(shè)：年用電需求幾乎與當(dāng)前一樣，即6000億度左右。模型涵蓋了額外的用電設(shè)備，如電動(dòng)汽車和新的蓄電系統(tǒng)，而且也考慮了德國聯(lián)邦政府所預(yù)期的能效提升，以及工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和需求管理的可能性。

這個(gè)模型還假設(shè)，德國聯(lián)邦政府?dāng)M于2032年實(shí)行的《網(wǎng)絡(luò)開發(fā)計(jì)劃》會(huì)如期實(shí)施，這樣一來，比如說，未來的海上風(fēng)電場將并入電網(wǎng)，而且還將建造高壓直流輸電線路，主要用于從德國北部向南部，遠(yuǎn)距離傳輸所生產(chǎn)的電能。

根據(jù)2007年的天氣和用電需求數(shù)據(jù)，研究人員按100米空間分辨率，逐小時(shí)估算了整個(gè)國家在一年內(nèi)的發(fā)電量和需求量。弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統(tǒng)技術(shù)研究所（IWES）的專家進(jìn)行了廣泛深入的位置分析，包括地方局部發(fā)電的可能性，以查明新建風(fēng)電場和光伏電站的空間分布，以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的電能、用電需求（包括負(fù)荷管理）、電廠和蓄電系統(tǒng)的使用等情況。

但這些分析本身并不足以證明電能供應(yīng)是可靠且穩(wěn)定的。如今，電網(wǎng)運(yùn)營商不得不保證所謂的“配套服務(wù)”。除維持穩(wěn)定的頻率和電壓之外，還包括擁塞管理，以及在發(fā)生斷電時(shí)快速恢復(fù)供電。虛擬聯(lián)合電廠必須表明，它能隨時(shí)提供這些服務(wù)，它能平衡供應(yīng)和需求，它能保持穩(wěn)定的50赫茲頻率——這是歐洲通行的頻率值。這一點(diǎn)*，因?yàn)樯杂衅睿蜁?huì)導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。

通過模擬，項(xiàng)目合作伙伴得以確定發(fā)電峰值、發(fā)電量的過剩和不足、以及將這個(gè)系統(tǒng)置于極端情況下（如個(gè)別輸電線路故障時(shí)）會(huì)發(fā)生的情況。模擬結(jié)果表明，電壓和頻率的穩(wěn)定性、擁塞管理以及服務(wù)可靠性等在所設(shè)想的未來系統(tǒng)中均可實(shí)現(xiàn)。然而，要達(dá)成這些目標(biāo)，必須調(diào)整項(xiàng)目的一些技術(shù)條件。譬如，未來，光伏電站和風(fēng)電場所采用的基于逆變器的發(fā)電機(jī)，應(yīng)能更迅速地提供負(fù)荷均衡電能，其響應(yīng)速度應(yīng)比目前電力系統(tǒng)所要求的要快。這樣，才能進(jìn)一步確保電網(wǎng)穩(wěn)定，從而補(bǔ)償當(dāng)風(fēng)速緩慢甚或無風(fēng)時(shí)不可避免的發(fā)電量降低。

研究人員逐公頃、逐小時(shí)地分析了整個(gè)德國的發(fā)電和用電情況。

不過，項(xiàng)目合作伙伴開展的研究并不僅限于模擬——他們還在隨后的現(xiàn)場試驗(yàn)中檢測了其可行性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們將散布于德國各地的4座生物氣發(fā)電廠、36座風(fēng)電場和66座光伏電站連接起來。他們從設(shè)在卡塞爾的控制中心，對這些總發(fā)電量約為8萬千瓦的電廠進(jìn)行管理。在這個(gè)基于可再生能源的聯(lián)合電廠中，合作伙伴測試了所能提出的各種方法。結(jié)果證明，可以將可再生能源發(fā)電廠作為一個(gè)電能池來管理，以滿足供應(yīng)負(fù)荷均衡的電能的技術(shù)要求。

研究人員Wolfrum和Steinke表示：“歸功于現(xiàn)代化的逆變器和轉(zhuǎn)換器，太陽能電站和風(fēng)電場，比直接并網(wǎng)發(fā)電的同步發(fā)電機(jī)提供了更大的自由空間。它們允許電壓、相位和頻率能被高效調(diào)節(jié)。總而言之，我們能夠證明，這個(gè)系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，以及如何保持穩(wěn)定。”但兩位研究人員補(bǔ)充了一個(gè)限制條件：只有通過大規(guī)模擴(kuò)建蓄電系統(tǒng)，才能成功實(shí)現(xiàn)計(jì)劃所設(shè)想的電能供應(yīng)方式轉(zhuǎn)變。他們說，這是抵消風(fēng)力發(fā)電量和光伏發(fā)電量季節(jié)性波動(dòng)的途徑。

需要大量蓄電裝置。鑒于此，西門子科學(xué)家也進(jìn)行了相應(yīng)模擬，以計(jì)算出在其長遠(yuǎn)規(guī)劃中，如何優(yōu)化發(fā)電類型、空間分布、蓄電裝置及靈活的發(fā)電設(shè)備的使用。對這些優(yōu)化的限制要求是必須時(shí)時(shí)刻刻、*所有負(fù)荷要求。如今，電力公司采用了抽水蓄能電站作為緩沖之計(jì)。其效率高達(dá)80%，但容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠滿足儲(chǔ)蓄大量電能之需。目前，德國所有抽水蓄能電站的總發(fā)電量，僅可滿足半小時(shí)的用電需求，但又沒有足夠多的地方適合建造更多這樣的蓄電設(shè)施。

所以，電轉(zhuǎn)氣工廠將扮演至關(guān)重要的角色。這些工廠可以利用可再生能源發(fā)電設(shè)施生產(chǎn)的過剩電能，通過被稱為電解的化學(xué)工藝，將水分解為氫氣和氧氣。然后，可以將氫氣與二氧化碳（CO2）合成，制造出甲烷氣體。然后，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠可以直接利用由此制得的甲烷，重新生產(chǎn)出電能，其發(fā)電效率可達(dá)60%以上。此外，甲烷可以取代天然氣，輸送到公共燃?xì)夤芫W(wǎng)中。研究指出，德國的天然氣管網(wǎng)，可以輕松應(yīng)對儲(chǔ)蓄可再生能源發(fā)電設(shè)施生產(chǎn)的過剩電能的需求。

生物質(zhì)發(fā)電廠將成為可再生能源發(fā)電經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。

除燃?xì)怆姀S之外，生物質(zhì)發(fā)電廠也能用作風(fēng)電場和太陽能電站的有益補(bǔ)充。這兩種電廠都能快速靈活地作出響應(yīng)，從而可用于抵消發(fā)電量波動(dòng)。然而，研究人員通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這樣的電廠必須足夠多，其總發(fā)電容量才能夠滿足德國的最大負(fù)荷。哪怕可以利用現(xiàn)有的燃?xì)怆姀S來作出響應(yīng)，仍然要求增加建設(shè)總發(fā)電容量達(dá)數(shù)百萬千瓦的新電廠，但如果這些電廠每年僅需運(yùn)行幾百個(gè)小時(shí)，那么，這樣的投資將有待商榷。

Wolfrum說：“譬如冬季，在沒有風(fēng)的陰天，這些電廠將作為儲(chǔ)備資源發(fā)揮作用，保證為德國全體居民供應(yīng)電能。另一個(gè)挑戰(zhàn)在于蓄電系統(tǒng)管理。如果我知道什么時(shí)候是陰天或沒有風(fēng)，那么，我將提前幾天按適當(dāng)?shù)捻樞驗(yàn)楦鞣N不同類型的蓄電系統(tǒng)充滿電，然后在需要電能的時(shí)候，以 方式釋放其中儲(chǔ)蓄的電能。”項(xiàng)目合作伙伴還計(jì)算了，就電網(wǎng)擴(kuò)建而言，需要什么樣的全國性可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，僅需在德國聯(lián)邦政府當(dāng)前制定的《網(wǎng)絡(luò)開發(fā)計(jì)劃》的基礎(chǔ)上，適量擴(kuò)建電網(wǎng)即可。鑒于這樣的計(jì)算結(jié)果，他們堅(jiān)信，如果通過智能系統(tǒng)，將可再生能源發(fā)電廠、蓄電系統(tǒng)和生物氣發(fā)電廠等整合起來，德國真的可以*依靠可再生能源發(fā)電，來滿足其全部用電需求。

監(jiān)測、調(diào)節(jié)、優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的前提條件是，有一套功能強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理分布式可再生能源發(fā)電廠。盡管這樣一來，這種系統(tǒng)會(huì)變得更加復(fù)雜，但Steinke認(rèn)為這是能夠做到的，“只要你能使有關(guān)電廠使用情況的預(yù)測和計(jì)算更加準(zhǔn)確，成功的秘訣就是，可再生能源發(fā)電廠、優(yōu)化的技術(shù)及適當(dāng)?shù)墓芾矸椒ǖ恼_組合。”

總之，這個(gè)宏大計(jì)劃的關(guān)鍵特性并不是可再生能源，必須改變的主要是發(fā)電和輸配電資源的結(jié)構(gòu)和組織。Wolfrum和Steinke指出：“只有通過擴(kuò)建電網(wǎng)及其所有組成部分、建設(shè)蓄電系統(tǒng)、調(diào)整平衡電能市場的基本框架，才可能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型。這是因?yàn)椋壳熬哂胁▌?dòng)性的能源資源尚不能參與其中。由于只能提前很短時(shí)間，預(yù)測何時(shí)會(huì)向電網(wǎng)輸送利用可再生能源生產(chǎn)的電能，因此所需的投標(biāo)期限和交付周期也相應(yīng)地縮短了。”

“我們認(rèn)為，在今后的40年內(nèi)，目前德國使用初級能源的成本將逐步降為零。”

盡管從企業(yè)管理的角度而言，或許難以對本文所列舉的、這種*利用可再生能源發(fā)電來供應(yīng)電能的系統(tǒng)的各個(gè)組成部分逐一進(jìn)行考察，但在Hoffmann教授看來，其總體經(jīng)濟(jì)成本效益是確鑿無疑的。Hoffmann教授是坐落于卡塞爾的弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統(tǒng)技術(shù)研究所的所長，他說：“我們認(rèn)為，實(shí)際上在今后的40年內(nèi)，目前德國使用礦物燃料初級能源的成本——即每年花費(fèi)830億歐元用于采購石油、煤炭和天然氣——將逐步降為零。根據(jù)我們的計(jì)算，今后15到20年內(nèi)將達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)，也就是說，到那時(shí)候，擴(kuò)建可再生能源發(fā)電設(shè)施的成本與礦物燃料能源的采購成本之和，將低于當(dāng)前的初級能源成本。”

此外，弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統(tǒng)技術(shù)研究所的研究人員所進(jìn)行的分析，不僅涵蓋了電力行業(yè)，而且還包含了供暖和交通領(lǐng)域。專家們也看到了電動(dòng)交通、客運(yùn)和重型貨運(yùn)（如無軌電機(jī)車）等領(lǐng)域存在的潛力。他們認(rèn)為，熱泵應(yīng)當(dāng)能滿足75%左右的低溫供熱需求，并且應(yīng)在工業(yè)領(lǐng)域增加使用電轉(zhuǎn)熱技術(shù)。此外，他們指出，通過采取提高能效的舉措，包括建筑物隔熱和安裝更好的供暖系統(tǒng)，可將用電需求減少25%。

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聯(lián)合電廠2：主要合作伙伴

在德語中被稱為“Kombikraftwerk 2”，聯(lián)合電廠2項(xiàng)目由德國聯(lián)邦環(huán)境部出資，項(xiàng)目期限為2010年至2013年。該項(xiàng)目的合作伙伴，包括西門子、Enercon、SMA Solar Technology、Solar-World、Deutscher Wetterdienst、坐落于卡塞爾的弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統(tǒng)技術(shù)研究所（IWES）、萊布尼茲-漢諾威大學(xué)和可再生能源管理局。在模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)中，這些機(jī)構(gòu)檢測了基于可再生能源的發(fā)電和輸配電系統(tǒng)是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，需要哪些配套服務(wù)。此項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。