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以可再生能源為支柱

德國聯(lián)邦環(huán)境部資助的一個研究項目表明，如果將可再生能源發(fā)電設施與蓄電系統(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。當然，這樣做要花費多少成本，則另當別論。

一個國家能不能*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）認為這不無可能。

對德國的電力用戶而言，2050年2月1日是個好日子。這一天，北部海岸刮起大風，風勢強勁，海上風電場和安裝在陸地上的風電機組，都卯足了勁，轉個不停。同時，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，正午時份的最高發(fā)電量，則高達1.2億千瓦。

在這樣的場景中，僅靠利用風力和陽光等可再生能源生產(chǎn)的電能，便足以滿足整個德國的工業(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。

如果有時候風力不夠強勁，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。

一個幾乎*基于可再生能源的基礎設施，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，技術解決方案，能不能擔起抵消風力發(fā)電和太陽能發(fā)電與生俱來的波動性的重任？

在一個名為“聯(lián)合電廠”的合作項目中，科學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，是有可能實現(xiàn)電力平衡的。其中至關重要的因素是，借助面向分布式電廠的智能電能控制系統(tǒng)，在最短的時間內(nèi)作出積極而準確的響應。”這是從西門子中央研究院與來自科學界、商界的合作伙伴所共同開展的模擬中得出的結論。

風大，太陽足?？刂葡到y(tǒng)工程師認為，原則上，到2050年，可再生能源發(fā)電廠確實可以保持德國電網(wǎng)的頻率和電壓的穩(wěn)定，保證提供可靠的服務，同時也能生產(chǎn)出足夠的負荷均衡電能，在任何時刻，都能始終提供正好需要的發(fā)電量。在他們的研究項目中，他們假定風力發(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)電和地熱發(fā)電。

這種電能供應系統(tǒng)模型是基于這樣一個假設：年用電需求幾乎與當前一樣，即6000億度左右。模型涵蓋了額外的用電設備，如電動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。

這個模型還假設，德國聯(lián)邦政府擬于2032年實行的《網(wǎng)絡開發(fā)計劃》會如期實施，這樣一來，比如說，未來的海上風電場將并入電網(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，逐小時估算了整個國家在一年內(nèi)的發(fā)電量和需求量。弗勞恩霍夫風電和電力系統(tǒng)技術研究所（IWES）的專家進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是可靠且穩(wěn)定的。如今，電網(wǎng)運營商不得不保證所謂的“配套服務”。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)生斷電時快速恢復供電。虛擬聯(lián)合電廠必須表明，它能隨時提供這些服務，它能平衡供應和需求，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*，因為稍有偏差，就會導致電網(wǎng)崩潰。

通過模擬，項目合作伙伴得以確定發(fā)電峰值、發(fā)電量的過剩和不足、以及將這個系統(tǒng)置于極端情況下（如個別輸電線路故障時）會發(fā)生的情況。模擬結果表明，電壓和頻率的穩(wěn)定性、擁塞管理以及服務可靠性等在所設想的未來系統(tǒng)中均可實現(xiàn)。然而，要達成這些目標，必須調(diào)整項目的一些技術條件。譬如，未來，光伏電站和風電場所采用的基于逆變器的發(fā)電機，應能更迅速地提供負荷均衡電能，其響應速度應比目前電力系統(tǒng)所要求的要快。這樣，才能進一步確保電網(wǎng)穩(wěn)定，從而補償當風速緩慢甚或無風時不可避免的發(fā)電量降低。

研究人員逐公頃、逐小時地分析了整個德國的發(fā)電和用電情況。

不過，項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)場試驗中檢測了其可行性。在這個實驗中，他們將散布于德國各地的4座生物氣發(fā)電廠、36座風電場和66座光伏電站連接起來。他們從設在卡塞爾的控制中心，對這些總發(fā)電量約為8萬千瓦的電廠進行管理。在這個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。結果證明，可以將可再生能源發(fā)電廠作為一個電能池來管理，以滿足供應負荷均衡的電能的技術要求。

研究人員Wolfrum和Steinke表示：“歸功于現(xiàn)代化的逆變器和轉換器，太陽能電站和風電場，比直接并網(wǎng)發(fā)電的同步發(fā)電機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)?？偠灾?，我們能夠證明，這個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，以及如何保持穩(wěn)定。”但兩位研究人員補充了一個限制條件：只有通過大規(guī)模擴建蓄電系統(tǒng)，才能成功實現(xiàn)計劃所設想的電能供應方式轉變。他們說，這是抵消風力發(fā)電量和光伏發(fā)電量季節(jié)性波動的途徑。

需要大量蓄電裝置。鑒于此，西門子科學家也進行了相應模擬，以計算出在其長遠規(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)電設備的使用。對這些優(yōu)化的限制要求是必須時時刻刻、*所有負荷要求。如今，電力公司采用了抽水蓄能電站作為緩沖之計。其效率高達80%，但容量遠遠不夠滿足儲蓄大量電能之需。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施。

所以，電轉氣工廠將扮演至關重要的角色。這些工廠可以利用可再生能源發(fā)電設施生產(chǎn)的過剩電能，通過被稱為電解的化學工藝，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，燃氣蒸汽聯(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60%以上。此外，甲烷可以取代天然氣，輸送到公共燃氣管網(wǎng)中。研究指出，德國的天然氣管網(wǎng)，可以輕松應對儲蓄可再生能源發(fā)電設施生產(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)濟的重要組成部分。

除燃氣電廠之外，生物質(zhì)發(fā)電廠也能用作風電場和太陽能電站的有益補充。這兩種電廠都能快速靈活地作出響應，從而可用于抵消發(fā)電量波動。然而，研究人員通過計算發(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荷。哪怕可以利用現(xiàn)有的燃氣電廠來作出響應，仍然要求增加建設總發(fā)電容量達數(shù)百萬千瓦的新電廠，但如果這些電廠每年僅需運行幾百個小時，那么，這樣的投資將有待商榷。

Wolfrum說：“譬如冬季，在沒有風的陰天，這些電廠將作為儲備資源發(fā)揮作用，保證為德國全體居民供應電能。另一個挑戰(zhàn)在于蓄電系統(tǒng)管理。如果我知道什么時候是陰天或沒有風，那么，我將提前幾天按適當?shù)捻樞驗楦鞣N不同類型的蓄電系統(tǒng)充滿電，然后在需要電能的時候，以 方式釋放其中儲蓄的電能。”項目合作伙伴還計算了，就電網(wǎng)擴建而言，需要什么樣的全國性可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。計算數(shù)據(jù)表明，僅需在德國聯(lián)邦政府當前制定的《網(wǎng)絡開發(fā)計劃》的基礎上，適量擴建電網(wǎng)即可。鑒于這樣的計算結果，他們堅信，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。實現(xiàn)這一點的前提條件是，有一套功能強大的通信基礎設施，可用于實時監(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)會變得更加復雜，但Steinke認為這是能夠做到的，“只要你能使有關電廠使用情況的預測和計算更加準確，成功的秘訣就是，可再生能源發(fā)電廠、優(yōu)化的技術及適當?shù)墓芾矸椒ǖ恼_組合。”

總之，這個宏大計劃的關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構和組織。Wolfrum和Steinke指出：“只有通過擴建電網(wǎng)及其所有組成部分、建設蓄電系統(tǒng)、調(diào)整平衡電能市場的基本框架，才可能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源供應轉型。這是因為，目前具有波動性的能源資源尚不能參與其中。由于只能提前很短時間，預測何時會向電網(wǎng)輸送利用可再生能源生產(chǎn)的電能，因此所需的投標期限和交付周期也相應地縮短了。”

“我們認為，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)電來供應電能的系統(tǒng)的各個組成部分逐一進行考察，但在Hoffmann教授看來，其總體經(jīng)濟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電和電力系統(tǒng)技術研究所的所長，他說：“我們認為，實際上在今后的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)我們的計算，今后15到20年內(nèi)將達到盈虧平衡點，也就是說，到那時候，擴建可再生能源發(fā)電設施的成本與礦物燃料能源的采購成本之和，將低于當前的初級能源成本。”

此外，弗勞恩霍夫風電和電力系統(tǒng)技術研究所的研究人員所進行的分析，不僅涵蓋了電力行業(yè)，而且還包含了供暖和交通領域。專家們也看到了電動交通、客運和重型貨運（如無軌電機車）等領域存在的潛力。他們認為，熱泵應當能滿足75%左右的低溫供熱需求，并且應在工業(yè)領域增加使用電轉熱技術。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項目由德國聯(lián)邦環(huán)境部出資，項目期限為2010年至2013年。該項目的合作伙伴，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電和電力系統(tǒng)技術研究所（IWES）、萊布尼茲-漢諾威大學和可再生能源管理局。在模擬和現(xiàn)場試驗中，這些機構檢測了基于可再生能源的發(fā)電和輸配電系統(tǒng)是如何運轉的，需要哪些配套服務。此項目的關鍵環(huán)節(jié)是如何保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。