實(shí)現(xiàn)區(qū)域100%可再生能源供應(yīng)的策略
來源：日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) | 0評(píng)論 | 7389查看 | 2013-12-05 10:38:00
這一次，筆者將介紹德國(guó)智能電網(wǎng)實(shí)證（E-Energy）6個(gè)項(xiàng)目之一的“RegModHarz”。前兩次，筆者介紹了面朝波羅的海的港口城市庫克斯港的“eTelligence”項(xiàng)目，作為地方示范項(xiàng)目，RegModHarz的地位與之不相上下。
德國(guó)力爭(zhēng)在2050年使可再生能源電力達(dá)到80％
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)電的開發(fā)意味著增加資源量豐富的風(fēng)力以及太陽能的發(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)力及太陽能生產(chǎn)的發(fā)電量，剩下的部分稱為“剩余電力”（residue power），而風(fēng)力及太陽能發(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：Combined Heat & Power）可滿足這個(gè)條件。抽水和蓄電池雖然靈活，但自身無法發(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微生物發(fā)酵生成沼氣。
但開發(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”（Regenerative Model Region Harz）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。
讓我們先來通過2008年的實(shí)際數(shù)據(jù)，來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）。發(fā)電量為467吉瓦時(shí)，其中，水力占5％，風(fēng)力占67％，太陽能占2％，生物燃?xì)庹?％，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)力及太陽能發(fā)電輸出功率的變化仍然會(huì)造成過?；蚴嵌倘?。以15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)上直接買賣可再生能源發(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（Direct Marketing）。
德國(guó)政府于2009年1月修改固定價(jià)格收購制度（FIT：Feed in Tariff），使可再生能源發(fā)電可直接在電力交易市場(chǎng)上銷售。按照固定價(jià)格收購制度的規(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)銷售。但是，因?yàn)槭袌?chǎng)價(jià)格一般低于收購價(jià)格，所以市場(chǎng)銷售不受青睞。
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)提供銷量與銷售時(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，越來越多的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)開始采取在市場(chǎng)行情高的時(shí)候發(fā)電并銷售，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)的熱量有可能超過需求。這就需要通過細(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)行直接買賣的情況下，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?，就是積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。而E-Energy能夠?yàn)殚_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)力和太陽能的發(fā)電量，開發(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)格收購制度，采用與電力交易市場(chǎng)進(jìn)行直接交易的方式，稱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?。熱電?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)電來說，根據(jù)電力市場(chǎng)的動(dòng)向，使
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