科技動態 | 未來，德國如何突破新能源并網的極限
科技研發 2019-01-03 14:21:00
目前，德國超過三分之一的發電量來自可再生能源。德國如何在可再生能源發電的未來中繼續保持優越性，是對德國能源行業最重要的問題。
德國向綠色能源的轉型仍在繼續。但是，在沒有太陽或者風的時候，完全建立在可再生能源基礎上的電力系統將如何給世界第四大經濟體供電？能源過渡計劃的反對者認為德國必然面對電力能源短缺的挑戰，然而能源轉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，天然氣這種對環境有危害的燃料的情況下，把對天氣依賴性極高的風力發電，太陽能發電和用電需求進行匹配，這是德國向無核和低碳經濟進行能源轉變的巨大挑戰。
根據德國的氣候改善計劃，目前可再生能源發電已經可以滿足德國三分之一的電力需求，到2030年將會達到50%。這項計劃還意味著，截止到本世紀中葉，德國必須全面實現可再生能源發電，因為工業和農業中不可避免會產生二氧化碳，這些二氧化碳會耗盡德國剩余的二氧化碳排放預算。
長遠來看，德國將不再能依靠核電站（所有的核電站都要在2022年關閉），也不能依靠煤炭或天然氣發電，來提供所需要的基本電能——稱為“基本負荷”。反對者認為，德國永遠不能單純依靠可再生能源發電滿足電力需求，因為即使有大量的風力渦輪機和太陽能發電廠，他們也不能在無風，無光的條件下產生足夠的電力來滿足需求。在能源轉型的背景條件下，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）。
2017年初，這種天氣狀況十分常見，如下圖所示，1月中旬的風能和太陽能發電量非常低：
圖|發電量與消耗量
從上圖可以看出，即使風能和太陽能發電容量增加三倍，也無法滿足用電需求。
理論上，有許多方法可以彌補可繼續能源供電過程中的供需不平衡問題。國際能源署（IKA）的專家研究認為，由于電力系統中的可再生能源份額不斷增長，應當從成本、實用性和特定需求三個方面提升可持續能源供電的實用性：
- 使能源供需更加靈活（可再生燃氣，沼氣，數字化）
- 提高效率
- 從國外獲得能源（能源的出口與進口）
- 能源儲存技術（抽水蓄能，蓄電池，能源與氣體轉換，能源與熱力轉換，蓄熱技術等）
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
調整需求以匹配供應
不是一味地調整供應量來滿足需求，相反而是通過調整需求量來適應供應量，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現的途徑：一種是通過提高效率來降低電力消耗；還可以通過調節使短時期的用電需求量更靈活。但很多專家認為，到本世紀中葉，德國的用電需求量將會持續增長，因為大部分運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模型中，需求側的響應對系統優化有重要意義。Agora Energiewende委托進行的一項研究顯示：需求側響應可以降低電力供應成本，進一步整合可再生能源，促進能源供應安全；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，需求側響應調節都會發揮重要作用。
對于大型工業電力消費者，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，避免直接碰撞電力市場的高價位。關閉電力消費通常被稱為“負載脫落”，而延遲電力需求則被稱為“負載轉移”。
毫無疑問，“數字化”是當今能源領域最重要的流行詞。信息技術可以是很多種平衡供需關系的方法得以實現，例如管理家用電器的耗電量，或將電動汽車的電池集成到電力系統中。
當然，在可再生電力能源系統中，靈活的電力供應也是必不可少的。在未來，風能和太陽能供電必然需要其他能源的補充，而這些替補能源必定有較高的靈活性，例如傳統的燃氣發電廠可以在幾分鐘時間內快速啟動補充電力產量，因此，他們可能會在一個越來越依賴可持續能源的電力系統中扮演重要角色。在一個100%使用可再生能源的未來，燃氣發電廠會使用可再生能源生產的天然氣，實現在不排放廢氣的情況下運行。
能源的出口與進口
國外的電力能源也可以用來彌補可再生能源系統的供需缺口。例如，德國可以從擁有大量水力發電系統的鄰國進口電能，比如多山的奧地利。
此外，歐洲電網的一體化程度正在通過電網的擴展逐步提高，所以德國可以從其他氣候不同的國家來進口太陽能和風能。例如，從希臘進口太陽能和從西班牙進口風能。無風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，電網運營商50Hertz宣布計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的建設工作已經開始。從2019年起，電纜將允許可再生能源的運輸交換。在德國風力發電量豐富時，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，水可以通過渦輪機釋放來發電，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，對于儲能技術的要求就越高。但大多數能源專家認為，在未來幾十年內并不需要大規模的能源存儲技術，因為有性價比更高的方法來對可再生能源電力系統進行優化（見上文）。能源智庫Agora Energiewende委托進行的一項研究得出結論，德國未來20年的風能和太陽能系統發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的研究都在如火如荼地進行。許多技術人員、工程師和其他領域的專家，各類公司企業，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的正常運行。世界能源理事會(World energy Council)在報告中寫道:“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著迷。”
由于德國風力渦輪機和太陽能電池裝機容量不斷提升，在風能和太陽能資源充足的夏季，可再生能源發電的產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模儲能技術成本過高，必須尋找更加經濟有效的方法來利用剩余的能源。在國際層面上，任何突破性技術都會獲得巨大收益。
目前，儲能技術主要有物理儲能(如抽水蓄能)、化學儲能(如鋰離子電池)和電磁儲能(如超導電磁儲能)三大類。 對比物理儲能而言，電化學儲能具有使用方便、環境污染少、效率高等優點。不同的電池類型性能各異，其中鋰離子電池發展最為迅速，儲能應用前景最佳。鋰離子電池無明顯短板，領跑電池技術之爭。鋰電池性能大幅提升，與鉛酸電池相比優勢明顯，且有逐步取代鈉硫電池和液流電池在大容量儲能領域的歷史壟斷地位。在 2016年全球電化學儲能新建項目中，鋰電池裝機占比約為 90%，成為應用最廣泛的新型儲能技術。100MW級高性能鋰離子電池儲能有望在 2020年之前完成技術攻關、2025年開始推廣應用，帶來更廣闊的市場空間。
圖|全球儲能市場累計裝機規模（2000-2018）
根據 CNESA 全球儲能項目庫的不完全統計，截至 2017 年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模175.4GW，同比增長 4%；抽水蓄能的累計裝機規模依舊占據最大比重，為 96%；電化學儲能的累計裝機規模緊隨其后，規模為 2926.6MW，同比增長 45%。
圖|2017 年全球新增投運電化學儲能項目分布（MW%）
此外，在未來的能源系統中，分散的小規模存儲技術系統(例如家用電池)也可能發揮重要作用。汽車制造商和公用事業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模存儲方式，也可以平衡電網。特斯拉(Tesla)、戴姆勒(Daimler)和索尼(Sonnen)等公司生產的電池，在安裝了屋頂光伏系統的家庭中已經變得越來越普遍。
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，然后在傳統的燃氣發電廠燃燒發電，或者用來為家庭供暖。但是這項技術目前很昂貴，因為在轉換過程中會損失很多能量。
現在德國是全球最大的戶用儲能市場。GTM（Greentech Media）發布德國儲能市場報告，預測2015-2021 年期間德國儲能市場規模將增長 11 倍，達到每年 10.3 億美元。推動德國儲能市場發展的因素包括逐年下降的稅費、高額的零售電價、高比例的可再生能源發電、KfW 戶用儲能補貼等。對于現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，能夠實現大規模能源存儲，只有實踐和時間能夠給我們答案。
