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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(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*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)電與生俱來的波動性的重任,？

在一個名為“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*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?，就會?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,、以及將這個系統(tǒng)置于情況下（如個別輸電線路故障時(shí)）會發(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*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)?？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(bǔ)充了一個限制條件：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。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)?，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(shí)間，預(yù)測何時(shí)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(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,。