德國(guó)實(shí)現(xiàn)“100%可再生能源地區(qū)”的策略

德國(guó)已經(jīng)決定在2022年之前停用所有核電站，提出了到2030年，使可再生能源占到總發(fā)電量的50%，到2050年占到80%以上的國(guó)家目標(biāo)（資料1）。因?yàn)楦鞯貐^(qū)的可再生能源資源參差不齊，所以，在可再生能源資源豐富的地方，這一比例要達(dá)到100%甚至更高。

擴(kuò)大可再生能源發(fā)電的開(kāi)發(fā)意味著增加資源量豐富的風(fēng)力以及太陽(yáng)能的發(fā)電量。但二者的發(fā)電量受天氣影響，如果可再生能源達(dá)到100%，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)電量超過(guò)或是大幅低于當(dāng)?shù)匦枨蟮那闆r。這就需要從境外輸入電力，或向境外輸出。

地區(qū)的電力消費(fèi)量減去地區(qū)利用風(fēng)力及太陽(yáng)能生產(chǎn)的發(fā)電量，剩下的部分稱(chēng)為“剩余電力”（residuepower），而風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電會(huì)有變動(dòng)，因此要想提高可再生能源的比例，剩余電力就必須是能夠吸收風(fēng)力等發(fā)電量變化的靈活電源，而且還需要具備足夠應(yīng)對(duì)天氣變化的容量。天然氣與生物質(zhì)的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP：CombinedHeat&Power）可滿(mǎn)足這個(gè)條件。抽水和蓄電池雖然靈活，但自身無(wú)法發(fā)電，而且容量有限。

為提高可再生能源的比例生物質(zhì)備受期待。德國(guó)等歐洲各國(guó)擁有豐富的森林資源，而且牧畜業(yè)繁榮，牲畜糞便的排放量大。而且種植著大量的玉米等燃料作物。作為生物燃料，木質(zhì)有木片等固體燃料，牲畜糞便和玉米等則通過(guò)微生物發(fā)酵生成沼氣。

但開(kāi)發(fā)生物質(zhì)發(fā)電也面臨著不少課題。作為風(fēng)力和太陽(yáng)能的剩余電力，生物質(zhì)發(fā)電不僅有可能得不到有效利用，而且還需要照顧與熱需求之間的平衡。這些課題需要逐一解決，并吸引足夠的投資。

借助100%的可再生能源重振哈爾茨地區(qū)

“RegModHarz”（RegenerativeModelRegionHarz）項(xiàng)目顧名思義，是把哈爾茨作為樣板，利用能源重振地區(qū)的嘗試。哈爾茨地區(qū)位于德國(guó)中心偏北的山區(qū)（資料2）。原本是一個(gè)擁有24萬(wàn)人口的完整區(qū)域，但受到東西德分裂的影響，這里如今分屬3個(gè)州。為了實(shí)現(xiàn)宏偉的能源目標(biāo)，德國(guó)準(zhǔn)備在這里，對(duì)自然資源豐富的地區(qū)應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的作用及系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行驗(yàn)證和模擬。

讓我們先來(lái)通過(guò)2008年的實(shí)際數(shù)據(jù)，來(lái)大致了解哈爾茨地區(qū)的電力供需情況（資料3）。地區(qū)內(nèi)的電力消費(fèi)量為1300吉瓦時(shí)（1吉為10億），占德國(guó)整體的0.2%。發(fā)電容量為191兆瓦（1兆為100萬(wàn)）。發(fā)電量為467吉瓦時(shí)，其中，水力占5%，風(fēng)力占67%，太陽(yáng)能占2%，生物燃?xì)?/strong>占7%，生物質(zhì)占2%，天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)占18%。除以地區(qū)內(nèi)的消費(fèi)量1300吉瓦時(shí)，推定自給率為36%，其中30%是可再生能源。但是，在這樣的情況下，風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電輸出功率的變化仍然會(huì)造成過(guò)?；蚴嵌倘薄Ｒ?5分鐘為單位進(jìn)行估算，從地區(qū)外輸入電力的比例為65%，向地區(qū)外輸出的比例為2%。

RegModHarz項(xiàng)目進(jìn)行模擬的對(duì)象是2008年實(shí)際數(shù)據(jù)、2020年方案以及100%可再生能源方案，其中，風(fēng)力和太陽(yáng)能的輸出功率將大幅增加。風(fēng)力將按照151兆瓦→248兆瓦→630兆瓦，太陽(yáng)能將按照10兆瓦→90兆瓦→708兆瓦的速度擴(kuò)大。隨著兩種發(fā)電方式的比例增加，發(fā)電量的變化隨之增大，輸入輸出的規(guī)模也會(huì)擴(kuò)大。而且，在不同的季節(jié)和時(shí)段，發(fā)電量會(huì)發(fā)生變化，電力價(jià)格也會(huì)發(fā)生變化。二者的權(quán)重越大，生物質(zhì)這種靈活電源就愈發(fā)重要。

在電力交易市場(chǎng)上直接買(mǎi)賣(mài)可再生能源發(fā)電

對(duì)于生物質(zhì)發(fā)電，德國(guó)采取了怎樣的引導(dǎo)措施？其關(guān)鍵詞是與市場(chǎng)直接交易（DirectMarketing）。

德國(guó)政府于2009年1月修改固定價(jià)格收購(gòu)制度（FIT：FeedinTariff），使可再生能源發(fā)電可直接在電力交易市場(chǎng)上銷(xiāo)售。按照固定價(jià)格收購(gòu)制度的規(guī)定，輸配電企業(yè)要在20年的時(shí)間里，以固定的優(yōu)惠價(jià)格收購(gòu)可再生能源發(fā)電，但隨著制度的修改，發(fā)電方也可選擇直接向市場(chǎng)銷(xiāo)售。但是，因?yàn)槭袌?chǎng)價(jià)格一般低于收購(gòu)價(jià)格，所以市場(chǎng)銷(xiāo)售不受青睞。

2012年1月，德國(guó)實(shí)行“市場(chǎng)溢價(jià)”，給直接市場(chǎng)交易提供了機(jī)會(huì)。這是在市場(chǎng)價(jià)格低于收購(gòu)價(jià)格時(shí)補(bǔ)齊差價(jià)的制度。協(xié)議以月為單位簽訂，國(guó)家按月均市場(chǎng)價(jià)格減去固定價(jià)格的差額給予補(bǔ)償。如果在高價(jià)位時(shí)段銷(xiāo)售的電量多，利潤(rùn)也會(huì)相應(yīng)增加。

直接交易需要企業(yè)提供銷(xiāo)量與銷(xiāo)售時(shí)間的預(yù)期，偏離預(yù)期需支付違約金。為了彌補(bǔ)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)家將向企業(yè)支付“管理溢價(jià)”。隨著預(yù)測(cè)精度的提高，溢價(jià)逐漸縮小。并且，對(duì)于生物燃?xì)獍l(fā)電，由于要按照供需調(diào)整輸出，運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)受到限制，因此為了彌補(bǔ)損失，國(guó)家將向企業(yè)支付“彈性溢價(jià)”。

生物質(zhì)與火力發(fā)電一樣使用燃料，輸出功率有望保持穩(wěn)定。能夠按照預(yù)定進(jìn)行輸出和供電，可以較高的市場(chǎng)價(jià)格出售。通過(guò)推測(cè)次日市場(chǎng)的價(jià)格和自身的發(fā)電容量，精確上報(bào)利潤(rùn)最高的時(shí)間和銷(xiāo)量。因此，能夠享受較高的市場(chǎng)溢價(jià)，以及各種溢價(jià)。

此次制度修訂雖然也給風(fēng)力等變動(dòng)電源帶來(lái)了相應(yīng)的好處，但生物質(zhì)得到的實(shí)惠最大，成為了一大投資誘因。因?yàn)槿藗兛梢宰鞒雠袛?，靈活的可再生能源發(fā)電具有相當(dāng)高的價(jià)值。在政策支持下，生物質(zhì)更容易得到融資，這也起到了刺激追加投資的作用。

生物質(zhì)直接交易的期待與課題

生物質(zhì)雖然得到了制度的力挺，但課題也不少。推行直接交易后，越來(lái)越多的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)開(kāi)始采取在市場(chǎng)行情高的時(shí)候發(fā)電并銷(xiāo)售，在行情低的時(shí)候停止發(fā)電的方式。作為現(xiàn)場(chǎng)電源，生物質(zhì)通過(guò)包括供熱在內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)，利用效率會(huì)大幅提升。但電力市場(chǎng)的價(jià)格走向與地區(qū)的熱需求未必一致。

如果根據(jù)電力市場(chǎng)的走向安排設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)的熱量有可能超過(guò)需求。這就需要通過(guò)細(xì)致的合理控制，提高熱泵的輸出，或是利用蓄熱設(shè)備增加熱需求。如果熱量低于需求，則要減少熱需求，并且利用蓄熱槽和生物質(zhì)鍋爐增加供熱。

這就必須建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、鍋爐、蓄熱槽、熱泵等設(shè)備。而為生物質(zhì)發(fā)電設(shè)置市場(chǎng)溢價(jià)和管理溢價(jià)，正是為了促進(jìn)這樣的投資。

資料4表示了RegModHarz項(xiàng)目中，在進(jìn)行直接買(mǎi)賣(mài)的情況下，生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)和生物燃?xì)忮仩t的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。第1排是次日電力市場(chǎng)的價(jià)格變化，第2排是熱能的供需變化，第3排是電能的供需變化，第4排是蓄熱的容量和水平。企業(yè)要根據(jù)電力價(jià)格、熱需求、蓄熱設(shè)備的使用情況等因素，決定熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和鍋爐的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)方式。

判斷什么是最佳的投資方式并不簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渲袚诫s著電力交易市場(chǎng)、地區(qū)的電能和熱能需求、地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)等諸多變化因素。因此，開(kāi)發(fā)包含了這些參數(shù)的模擬軟件成為了首要任務(wù)?？偠灾褪欠e累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。而E-Energy能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)這樣的軟件提供驗(yàn)證。

最終答案是構(gòu)筑靈活的供應(yīng)系統(tǒng)

如上所述，要想實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電，重點(diǎn)在于增加風(fēng)力和太陽(yáng)能的發(fā)電量，開(kāi)發(fā)能夠吸收發(fā)電量變化的靈活電源“生物質(zhì)”，構(gòu)筑推動(dòng)需求轉(zhuǎn)移的機(jī)制。修改固定價(jià)格收購(gòu)制度，采用與電力交易市場(chǎng)進(jìn)行直接交易的方式，稱(chēng)得上是這一舉措的撒手锏。

而生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)需要使電能與熱能取得平衡。電力交易的最佳答案并不一定適合當(dāng)?shù)氐臒嵝枨蟆犭娐?lián)產(chǎn)同時(shí)產(chǎn)生一定比例的熱能。而傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)一般是以熱需求為準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)生電能，因此，借助以需求響應(yīng)為基礎(chǔ)的熱需求轉(zhuǎn)移，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)一定程度的調(diào)整。

但是，對(duì)于普及可再生能源發(fā)電來(lái)說(shuō)，根據(jù)電力市場(chǎng)的動(dòng)向，使供電利潤(rùn)達(dá)到最大，作為副產(chǎn)品而產(chǎn)生一定的熱能，這才是合理的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。按照固定價(jià)格收購(gòu)制度的評(píng)價(jià)方式，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)作為本地靈活電源的價(jià)值要高于作為供熱設(shè)備的價(jià)值。因此，調(diào)整地區(qū)的熱需求將會(huì)采用開(kāi)關(guān)鍋爐、蓄熱設(shè)備蓄熱放熱、供熱管道蓄熱放熱、需求轉(zhuǎn)移等方式。

但是，要想實(shí)現(xiàn)100%可再生能源，單靠熱需求轉(zhuǎn)移、設(shè)置蓄熱設(shè)備存在局限性。還需要構(gòu)筑包含電能、熱能以及燃料在內(nèi)的“地區(qū)靈活供應(yīng)系統(tǒng)”。在生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)方面，與生成作為燃料的“生物燃?xì)?rdquo;之間進(jìn)行協(xié)調(diào)將變得重要（資料5）。

綜合利用電、熱、氣三大網(wǎng)絡(luò)

作為燃料，生物燃?xì)馐苓M(jìn)行消化發(fā)酵的微生物活動(dòng)的影響，建立能夠穩(wěn)定進(jìn)行消化活動(dòng)的環(huán)境是基本條件。如果把與電力市場(chǎng)直接交易作為前提，那么，發(fā)電量要與按照一定速度生成的生物燃?xì)庵g相互協(xié)調(diào)。通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)氣罐，提純甲烷氣體注入燃?xì)夤艿赖确绞剑{(diào)整剩余和不足。也就是利用剩余電力電解氫氣，使氫氣與通過(guò)生物燃?xì)饩珶捁ば蚍蛛x出來(lái)的二氧化碳反應(yīng)，制造甲烷氣體，作為燃料儲(chǔ)存。

以木質(zhì)生物質(zhì)作為燃料時(shí)，燃料的調(diào)整雖然會(huì)更加靈活，但存放圓木和邊角料、木片和木粒需要龐大的空間。而且，收集和運(yùn)輸所占的權(quán)重也會(huì)增加，這樣一來(lái)，就必須要完善物流。

綜上所述，在可再生能源豐富的地區(qū)使可再生能源電力達(dá)到100%有著很大的可行性，但實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，在于構(gòu)建充分利用電、熱、氣網(wǎng)絡(luò)的靈活系統(tǒng)。這些網(wǎng)絡(luò)是出色的地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，擁有完善設(shè)施的地區(qū)擁有很大的潛力。必須要加以利用。

通過(guò)利用熱泵和冷藏倉(cāng)庫(kù)等的“靈活消費(fèi)”，和利用生物質(zhì)等發(fā)電及蓄電池的“靈活供應(yīng)”，吸收電力輸出的變化。而且，作為“靈活供需要素”，把電能轉(zhuǎn)化成燃料儲(chǔ)存，按需供電、供熱的系統(tǒng)也將變得重要。

精通電力工學(xué)的專(zhuān)家認(rèn)為，對(duì)于電能，廣域（以國(guó)家為單位，以歐盟為單位等）控制的效率更高。因?yàn)檫@樣不僅能夠有效利用火力和抽水等現(xiàn)有穩(wěn)壓電源，還有望起到穩(wěn)定風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電功率的效果（使天氣不同的各地之間平均化）。

但前提是廣域電網(wǎng)有余力，而且建設(shè)供電網(wǎng)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。再考慮到燃料和熱需求，因此，完善廣域調(diào)整以及地區(qū)調(diào)整能力都是必備條件。

要在地方城市及地區(qū)實(shí)現(xiàn)100%利用可再生能源，需要充分利用輸配電網(wǎng)、熱管、燃?xì)夤艿?大網(wǎng)絡(luò)，制定電、熱、燃?xì)獾淖罴颜{(diào)度計(jì)劃，在地區(qū)內(nèi)建立能源循環(huán)。如果得以實(shí)現(xiàn)，企業(yè)還可以根據(jù)3個(gè)價(jià)格，實(shí)現(xiàn)合理控制。

德國(guó)的本地型智能電網(wǎng)E-Energy是與日本的燃?xì)?/strong>行業(yè)提出的智能能源網(wǎng)絡(luò)相似的概念。在德國(guó)，電、熱、氣網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本完善，為成功創(chuàng)造了條件。

遺憾的是，日本的熱能和燃料網(wǎng)絡(luò)比較脆弱，還有待于今后進(jìn)行完善。在完善之前，除了依賴(lài)蓄電池之外，恐怕別無(wú)他法，但這或許能夠壓縮蓄電池的成本，創(chuàng)造出日本獨(dú)特的新模式。（《日經(jīng)商務(wù)在線(xiàn)》特約撰稿人：山家公雄）