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科技动态 | 未来,德国如何突破新能源并网的极限

科技研发 2019-01-03 14:21:00

      目前,德国超过三分之一的发电量来自可再生能源。德国如何在可再生能源发电的未来中继续保持优越性,是对德国能源行业最重要的问题。

      德国向绿色能源的转型仍在继续。但是,在没有太阳或者风的时候,完全建立在可再生能源基础上的电力系统将如何给世界第四大经济体供电?能源过渡计划的反对者认为德国必然面对电力能源短缺的挑战,然而能源转型的支持者则提供了一系列解决方案。

      在不依赖核电以及煤,天然气这种对环境有危害的燃料的情况下,把对天气依赖性极高的风力发电,太阳能发电和用电需求进行匹配,这是德国向无核和低碳经济进行能源转变的巨大挑战。

      根据德国的气候改善计划,目前可再生能源发电已经可以满足德国三分之一的电力需求,到2030年将会达到50%。这项计划还意味着,截止到本世纪中叶,德国必须全面实现可再生能源发电,因为工业和农业中不可避免会产生二氧化碳,这些二氧化碳会耗尽德国剩余的二氧化碳排放预算。

      长远来看,德国将不再能依靠核电站(所有的核电站都要在2022年关闭),也不能依靠煤炭或天然气发电,来提供所需要的基本电能——称为“基本负荷”。反对者认为,德国永远不能单纯依靠可再生能源发电满足电力需求,因为即使有大量的风力涡轮机和太阳能发电厂,他们也不能在无风,无光的条件下产生足够的电力来满足需求。在能源转型的背景条件下,这种天气状况得到了广泛的讨论,德语中有了一个新的词汇:Dunkelflaute(无光且无风)。

      2017年初,这种天气状况十分常见,如下图所示,1月中旬的风能和太阳能发电量非常低:

图|发电量与消耗量


      从上图可以看出,即使风能和太阳能发电容量增加三倍,也无法满足用电需求

      理论上,有许多方法可以弥补可继续能源供电过程中的供需不平衡问题。国际能源署(IKA)的专家研究认为,由于电力系统中的可再生能源份额不断增长,应当从成本、实用性特定需求三个方面提升可持续能源供电的实用性:

  1.   使能源供需更加灵活(可再生燃气,沼气,数字化)
  2.   提高效率
  3.   从国外获得能源(能源的出口与进口)
  4.   能源储存技术(抽水蓄能,蓄电池,能源与气体转换,能源与热力转换,蓄热技术等)

      下面的图表展示了其中一些解决方案。其中,使用储存系统由于其本身成本较高,建议在尝试其他方法后再使用。


图|弹性单元取决于可再生能源(RE)的份额


调整需求以匹配供应

      不是一味地调整供应量来满足需求,相反而是通过调整需求量来适应供应量,这种具有巨大潜力的解决方法往往会被忽略。

      一般来说,这种解决方法有两种实现的途径:一种是通过提高效率来降低电力消耗;还可以通过调节使短时期的用电需求量更灵活。但很多专家认为,到本世纪中叶,德国的用电需求量将会持续增长,因为大部分运输和供暖需要由电力提供,所以即使提高效率也并不能对降低电力消耗有明显的帮助。因此,提升短期用电需求的灵活性将变得更加重要。正如在自动控制原理基础模型中,需求侧的响应对系统优化有重要意义。Agora Energiewende委托进行的一项研究显示:需求侧响应可以降低电力供应成本,进一步整合可再生能源,促进能源供应安全;无论是在总体需求量低但可再生能源投入高,或是总体需求量高但可再生能源投入低的情况下,需求侧响应调节都会发挥重要作用。

      对于大型工业电力消费者,可以选择在可再生能源密集时接通电源,从低电价中获益,在资源稀缺是切断消费,避免直接碰撞电力市场的高价位。关闭电力消费通常被称为“负载脱落”,而延迟电力需求则被称为“负载转移”

      毫无疑问,“数字化”是当今能源领域最重要的流行词。信息技术可以是很多种平衡供需关系的方法得以实现,例如管理家用电器的耗电量,或将电动汽车的电池集成到电力系统中。

      当然,在可再生电力能源系统中,灵活的电力供应也是必不可少的。在未来,风能和太阳能供电必然需要其他能源的补充,而这些替补能源必定有较高的灵活性,例如传统的燃气发电厂可以在几分钟时间内快速启动补充电力产量,因此,他们可能会在一个越来越依赖可持续能源的电力系统中扮演重要角色。在一个100%使用可再生能源的未来,燃气发电厂会使用可再生能源生产的天然气,实现在不排放废气的情况下运行。


能源的出口与进口

       国外的电力能源也可以用来弥补可再生能源系统的供需缺口。例如,德国可以从拥有大量水力发电系统的邻国进口电能,比如多山的奥地利。

      此外,欧洲电网的一体化程度正在通过电网的扩展逐步提高,所以德国可以从其他气候不同的国家来进口太阳能和风能。例如,从希腊进口太阳能和从西班牙进口风能。无风且无太阳光的天气在德国十分常见,但是整个欧洲都是这种天气的可能性就很低了。

      德国也即将与水力资源丰富的斯堪的纳维亚半岛直接连通。在2017年初,电网运营商50Hertz宣布计划建造一条德国连接瑞典的电力线。同时,连接德国和挪威的第一条直通线NordLink的建设工作已经开始。从2019年起,电缆将允许可再生能源的运输交换。在德国风力发电量丰富时,多余的电力可以用于位于山上的挪威水库抽水。在德国可再生能源匮乏时,水可以通过涡轮机释放来发电,然后送回德国。


如何储存可再生能源

       可再生能源在电力市场所占的份额越大,对于储能技术的要求就越高。但大多数能源专家认为,在未来几十年内并不需要大规模的能源存储技术,因为有性价比更高的方法来对可再生能源电力系统进行优化(见上文)。能源智库Agora Energiewende委托进行的一项研究得出结论,德国未来20年的风能和太阳能系统发展均不需要新的电力存储。

      尽管这样,世界各国对于能源存储技术的研究都在如火如荼地进行。许多技术人员、工程师和其他领域的专家,各类公司企业,都在寻找新方法来储存多余的可再生能源,以备在恶劣天气状况下电力系统的正常运行。世界能源理事会(World energy Council)在报告中写道:“在可再生能源的同时,将能源储存与可再生能源一起使用,这一前景令全球能源行业着迷。”

      由于德国风力涡轮机和太阳能电池装机容量不断提升,在风能和太阳能资源充足的夏季,可再生能源发电的产量将大大超越整个国家的电力需求。但目前,足以覆盖整个国家电力市场的大规模储能技术成本过高,必须寻找更加经济有效的方法来利用剩余的能源。在国际层面上,任何突破性技术都会获得巨大收益。

      目前,储能技术主要有物理储能(如抽水蓄能)、化学储能(如锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能)三大类。 对比物理储能而言,电化学储能具有使用方便、环境污染少、效率高等优点。不同的电池类型性能各异,其中锂离子电池发展最为迅速,储能应用前景最佳。锂离子电池无明显短板,领跑电池技术之争。锂电池性能大幅提升,与铅酸电池相比优势明显,且有逐步取代钠硫电池和液流电池在大容量储能领域的历史垄断地位。在 2016年全球电化学储能新建项目中,锂电池装机占比约为 90%,成为应用最广泛的新型储能技术。100MW级高性能锂离子电池储能有望在 2020年之前完成技术攻关、2025年开始推广应用,带来更广阔的市场空间。


图|全球储能市场累计装机规模(2000-2018


      根据 CNESA 全球储能项目库的不完全统计,截至 2017 年底,全球已投运储能项目累计装机规模175.4GW,同比增长 4%;抽水蓄能的累计装机规模依旧占据最大比重,为 96%;电化学储能的累计装机规模紧随其后,规模为 2926.6MW,同比增长 45%

图|2017 年全球新增投运电化学储能项目分布(MW%


      此外,在未来的能源系统中,分散的小规模存储技术系统(例如家用电池)也可能发挥重要作用。汽车制造商和公用事业公司之间的各种合作,也将使用过的电动汽车电池作为第二种大规模存储方式,也可以平衡电网。特斯拉(Tesla)、戴姆勒(Daimler)和索尼(Sonnen)等公司生产的电池,在安装了屋顶光伏系统的家庭中已经变得越来越普遍。

      或者,过剩的电力可以用来制造氢气或其他气体,这些气体可以无限期地储存,然后在传统的燃气发电厂燃烧发电,或者用来为家庭供暖。但是这项技术目前很昂贵,因为在转换过程中会损失很多能量。

      现在德国是全球最大的户用储能市场。GTM(Greentech Media)发布德国储能市场报告,预测2015-2021 年期间德国储能市场规模将增长 11 倍,达到每年 10.3 亿美元。推动德国储能市场发展的因素包括逐年下降的税费、高额的零售电价、高比例的可再生能源发电、KfW 户用储能补贴等。对于现在市场中多种多样的储能可能性,究竟哪种更适合德国国情,能够实现大规模能源存储,只有实践和时间能够给我们答案。


作者:尹华琛