德國(guó)風(fēng)電發(fā)展與“碳中和”目標(biāo)

文 | Klaus Müschen, Insa Lütkehus, Hanno Salecker

編譯 | 張玥

德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署近期發(fā)布的一份研究報(bào)告中，提出了在本國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的設(shè)想，該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要各環(huán)保部門(mén)的配合，啟動(dòng)減排措施，大幅降低能耗，將人均二氧化碳排放量降至1噸。這份研究報(bào)告的結(jié)論證實(shí)，德國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)在技術(shù)層面上是完全可行的。然而這也意味著，德國(guó)各個(gè)系統(tǒng)如電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、交通系統(tǒng)以及工業(yè)系統(tǒng)等重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在能源供應(yīng)方面，必須實(shí)現(xiàn)完全依賴(lài)可再生能源。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署2010年發(fā)布的一份研究報(bào)告中顯示，德國(guó)有望到2050年實(shí)現(xiàn)全部的電力供應(yīng)完全來(lái)自于可再生能源的目標(biāo)。在2050年的設(shè)想中，德國(guó)雖然在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的可持續(xù)性利用，然而需要對(duì)殘余物進(jìn)行加工以及產(chǎn)能偏低等特性，決定了生物質(zhì)能不可能成為供應(yīng)整個(gè)能源系統(tǒng)的支柱能源。另一方面，德國(guó)的水電和地?zé)崮馨l(fā)展?jié)摿σ蚕鄬?duì)有限，種種因素促成風(fēng)電和光伏發(fā)電將成為未來(lái)可再生能源的主要力量，并在能源供應(yīng)和溫室氣體減排任務(wù)中扮演重要的角色。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署2013年發(fā)布的一份GIS(地理信息系統(tǒng))分析報(bào)告里特別指出，德國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展?jié)摿δ壳氨淮蠓凸?。?dāng)然，海上風(fēng)電的發(fā)展?jié)摿υ诨癁楝F(xiàn)實(shí)后，無(wú)疑是要比其理論潛力值偏低一些，原因一方面是因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電需要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行分析、考量，才能得出切實(shí)可行的結(jié)論，而非對(duì)所有的項(xiàng)目一概而論；另一方面是因?yàn)檫€需考慮到理性的經(jīng)濟(jì)架構(gòu)和當(dāng)?shù)氐慕蛹{條件等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。但可以肯定的是，德國(guó)海上風(fēng)電的可觀發(fā)電量已經(jīng)證實(shí)了其在德國(guó)可再生能源發(fā)展進(jìn)程中所起的重要作用。

德國(guó)2050年——“碳中和”目標(biāo)

當(dāng)前，科學(xué)界對(duì)氣候變化正日益惡化已基本達(dá)成共識(shí)：人為因素是造成這種變化的主要原因。尤其是一些工業(yè)大國(guó)對(duì)此更要擔(dān)起重責(zé)，降低本國(guó)溫室氣體排放量，努力將全球平均溫度增幅控制在2度以?xún)?nèi)。

德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署（UBA）2013年發(fā)布的一份研究報(bào)告中稱(chēng)，未來(lái)德國(guó)要實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，在技術(shù)層面上是完全可行的。即使像德國(guó)這樣的工業(yè)大國(guó)，要在1990年到2050年六十年時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)本國(guó)95%的溫室氣體減排目標(biāo)也是有極大可能性的。因此，向100%依賴(lài)可再生能源的轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署早前發(fā)布的一份名為《能源目標(biāo)2050:100%可再生能源電力供應(yīng)》的報(bào)告中，已經(jīng)肯定了德國(guó)到2050年實(shí)現(xiàn)完全依賴(lài)可再生能源發(fā)電的技術(shù)可行性。而名為《德國(guó)2050 —“碳中和”國(guó)》的報(bào)告中則指出，除了對(duì)電力領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，可再生能源甚至可以滿(mǎn)足德國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的全部能源供應(yīng)。然而無(wú)論在哪一種模式設(shè)想中，風(fēng)能在其中的重要性都不可忽視，因?yàn)闊o(wú)論從開(kāi)發(fā)潛力還是從經(jīng)濟(jì)發(fā)展性來(lái)考慮，風(fēng)能都占有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。本文將重點(diǎn)探討德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署是如何看待風(fēng)能在未來(lái)德國(guó)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中將扮演的角色。

德國(guó)要實(shí)現(xiàn)2050年溫室氣體減排95%的目標(biāo)，也就意味著，要將人均二氧化碳排放量從目前的11噸降至1噸?！兜聡?guó)2050 —“碳中和”國(guó)》這份報(bào)告中，并沒(méi)有預(yù)測(cè)未來(lái)的能源發(fā)展趨勢(shì)，但是卻描繪了一種技術(shù)可行性高的優(yōu)化解決方案。該研究給出的模式設(shè)想中，囊括了所有相關(guān)的排放源，包括：能源消耗引起的廢氣排放（供電、供熱以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域），工業(yè)廢氣排放、污水處理排放以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)和土地利用變化等造成的廢氣排放。根據(jù)報(bào)告中模式設(shè)想的預(yù)測(cè)，德國(guó)作為進(jìn)口工業(yè)國(guó)，到2050年在完全依賴(lài)可再生能源的情況下，仍然會(huì)維持與今天相似的生活標(biāo)準(zhǔn)，并不會(huì)有所下降。需要注意的一點(diǎn)是，這份研究報(bào)告重點(diǎn)關(guān)注德國(guó)本地的溫室氣體排放情況，并沒(méi)有考慮到與其他國(guó)家的交互影響。相應(yīng)地，德國(guó)出口商品生產(chǎn)造成的廢氣排放在這份報(bào)告中有所體現(xiàn)，而進(jìn)口商品生產(chǎn)造成的廢氣排放則并不在考慮范圍之內(nèi)。

從圖1可以看出，能源消耗引起的溫室氣體排放量已超過(guò)80%。這也是為什么德國(guó)大力推廣節(jié)能降耗措施的原因，尤其是在熱能消耗方面，這對(duì)提高減排力度影響很大。此外，實(shí)現(xiàn)可再生能源完全滿(mǎn)足能源需求的目標(biāo)也是非常有必要的。為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，報(bào)告中也給出了供暖、交通電氣化以及可再生能源的額外產(chǎn)能輸出等模式設(shè)想。

為了降低利用生物質(zhì)能可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署將生物質(zhì)能的利用范圍僅限定在對(duì)農(nóng)作物廢棄物和殘留物的利用。因此，生物質(zhì)能產(chǎn)能的降低一方面催生了供熱和交通系統(tǒng)向電氣化方向發(fā)展；另一方面，也加速了利用可再生能源發(fā)電進(jìn)行水電解制氫技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，采用這樣的技術(shù)，可以將產(chǎn)生的氫氣用于合成沼氣。隨著“電轉(zhuǎn)氣”（即利用風(fēng)電或光伏等可再生能源產(chǎn)生的電力將水電解為氫氣和氧氣，再用生成的氫氣與二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生甲烷）技術(shù)方案的應(yīng)用，大幅降低能源消耗引起的溫室氣體排放，將更有望得以實(shí)現(xiàn)。采用這樣的模式，可再生能源發(fā)電需求也會(huì)隨之大幅增長(zhǎng)。根據(jù)《德國(guó)2050 —“碳中和”國(guó)》的報(bào)告預(yù)測(cè)，到2050年德國(guó)全年用電需求總量將達(dá)到近3000TWh（見(jiàn)圖2）。

由于德國(guó)水力發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展?jié)摿τ邢?，基于這樣的背景，報(bào)告中提出到2050年，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電將在能源供應(yīng)系統(tǒng)里占據(jù)主導(dǎo)地位。從理論上講，德國(guó)在實(shí)現(xiàn)全部電力供給由可再生能源提供方面有一定的技術(shù)潛能。然而，出于生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的考慮，只有部分技術(shù)潛能可以化為現(xiàn)實(shí)，并得到可持續(xù)性地開(kāi)發(fā)利用。因此在報(bào)告提出的設(shè)想模式中，有少部分可再生能源電力仍然需要從國(guó)外進(jìn)口，但大部分電力供應(yīng)還是由德國(guó)當(dāng)?shù)氐墓夥娬竞惋L(fēng)電場(chǎng)提供。本文下節(jié)內(nèi)容將對(duì)德國(guó)的風(fēng)能利用進(jìn)行詳盡細(xì)致的探討。

德國(guó)風(fēng)電發(fā)展的近期目標(biāo)和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃

圖1 德國(guó)1990年、2010年以及2050年“碳中和”模式下的溫室氣體排放量

圖2 德國(guó)2050“碳中和”模式下能源流向的定性描述

德國(guó)的風(fēng)電發(fā)展一直處于全球領(lǐng)先地位，風(fēng)電裝機(jī)容量占全球市場(chǎng)份額的10.6%，緊隨中國(guó)、美國(guó)之后。到目前為止，德國(guó)已成功安裝約23800臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)34250MW。2014年，德國(guó)風(fēng)力發(fā)電約占總發(fā)電量的8.6%。但是，德國(guó)陸上風(fēng)電的裝機(jī)容量要遠(yuǎn)超海上風(fēng)電，出于對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，德國(guó)對(duì)海上風(fēng)電的批準(zhǔn)立項(xiàng)僅限于遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域。因此，與其他國(guó)家陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)相比，德國(guó)風(fēng)電的開(kāi)發(fā)要更加困難，成本更加高昂。目前，德國(guó)風(fēng)電的發(fā)展保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但進(jìn)展速度比預(yù)期要慢，海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)還要得到進(jìn)一步重視。

在“碳中和”目標(biāo)制定出爐前，德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署2010年發(fā)布的名為《能源目標(biāo)2050：100%可再生能源電力供應(yīng)》的研究報(bào)告中，對(duì)2050年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供應(yīng)就已提出了“區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模式”的設(shè)想。這項(xiàng)研究對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)可再生能源的開(kāi)發(fā)潛力，包括之前提到的“碳中和”模式下光伏、生物質(zhì)能、水力發(fā)電以及地?zé)崮艿睦眠M(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并且考慮到了技術(shù)和環(huán)境等制約因素對(duì)潛力值估算的影響。按照“區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)”的模式，風(fēng)電將可以覆蓋德國(guó)1%的用電范圍。這個(gè)范圍內(nèi)可以容納60GW的裝機(jī)容量，并且年產(chǎn)能將達(dá)到180TWh，海上風(fēng)電的潛在產(chǎn)能也同樣可觀。陸上和海上風(fēng)電的聯(lián)合產(chǎn)能，將能夠滿(mǎn)足德國(guó)一半以上的電力需求，這還只是一個(gè)非常保守的預(yù)估。所以德國(guó)也正著手準(zhǔn)備更加細(xì)致的調(diào)研，以更好開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電的出力潛能，實(shí)現(xiàn)《德國(guó)2050－“碳中和”國(guó)》報(bào)告中設(shè)定的目標(biāo)。

2013年發(fā)布的一份GIS（地理信息系統(tǒng)）研究報(bào)告，對(duì)德國(guó)風(fēng)電的出力潛能給出了調(diào)研分析結(jié)果，明確地指出目前德國(guó)海上風(fēng)電的出力潛能被大幅低估。按照調(diào)研報(bào)告給出的模式設(shè)想和所選取的技術(shù)先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組，理論上講，風(fēng)電將能夠覆蓋德國(guó)13.8%的用電范圍。這個(gè)范圍內(nèi)可以容納1200GW的裝機(jī)容量，并且年產(chǎn)能達(dá)到2900TWh。然而，任何的結(jié)果分析都必須充分考慮到，各項(xiàng)模式設(shè)想下的具體情況是否能夠以現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)出來(lái)。首先，一些出于生態(tài)保護(hù)的考慮措施，對(duì)風(fēng)電的出力潛能值估算會(huì)有一定影響，這點(diǎn)可暫時(shí)忽略。其次，報(bào)告中所選取的參考機(jī)組也是很重要的因素，因?yàn)槠漭嗇灨叨取L(fēng)輪直徑和額定功率都會(huì)對(duì)機(jī)組出力和設(shè)備可利用率產(chǎn)生直接影響。按照?qǐng)?bào)告中選取的參考機(jī)組進(jìn)行估算，其具有的先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以使全國(guó)風(fēng)電機(jī)組的年平均利用小時(shí)數(shù)升至2440小時(shí)。另外，選取的參考機(jī)組產(chǎn)生的低噪音排放，還可能會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)的居民區(qū)產(chǎn)生影響。這項(xiàng)研究報(bào)告的目的并不是對(duì)風(fēng)電的可實(shí)現(xiàn)潛力給出準(zhǔn)確的預(yù)估值。比如海上風(fēng)電的可實(shí)現(xiàn)潛力實(shí)際上是明顯被低估的，這是因?yàn)榧纫紤]到整體的經(jīng)濟(jì)架構(gòu)設(shè)置，也要考慮到當(dāng)?shù)氐慕蛹{水平。對(duì)這些現(xiàn)實(shí)因素具體分析后，那么海上風(fēng)電的產(chǎn)能將有可能滿(mǎn)足德國(guó)未來(lái)很大一部分的能源需求，并在未來(lái)供熱和交通系統(tǒng)電氣化的過(guò)程中，地位更加凸顯。

結(jié)論

德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署認(rèn)為，德國(guó)到2050年要實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，達(dá)到人均二氧化碳排放量降至1噸，在技術(shù)層面是完全可以實(shí)現(xiàn)的。即使是像德國(guó)這樣的工業(yè)大國(guó)，在不降低生活標(biāo)準(zhǔn)的情況下，目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可能性也非常大。2050年的模式設(shè)想中，一方面需要對(duì)效益產(chǎn)能進(jìn)行充分利用；另一方面全國(guó)的能源需求包括供熱和燃料需求等，都要完全依賴(lài)可再生能源，尤其是依靠風(fēng)電和光伏的產(chǎn)能。為了實(shí)現(xiàn)供熱和交通系統(tǒng)的碳減排目標(biāo)，甚至完全實(shí)現(xiàn)“脫碳化”，利用“電轉(zhuǎn)氣”技術(shù)將可再生能源產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w將是重要的實(shí)現(xiàn)路徑，由此也將帶來(lái)對(duì)可再生能源電力需求的大幅增長(zhǎng)。

從現(xiàn)有研究結(jié)果來(lái)看，德國(guó)海上風(fēng)電的出力潛能目前被大幅低估。即使預(yù)估的潛能在化為現(xiàn)實(shí)的過(guò)程中還需考慮各種現(xiàn)實(shí)因素，但海上風(fēng)電已經(jīng)成為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域,成為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要力量。

德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署現(xiàn)已發(fā)布的研究報(bào)告，都是在討論如何為德國(guó)未來(lái)的能源需求尋求及時(shí)的、操作性強(qiáng)的解決方案。然而，需要進(jìn)一步研究分析的將是如何規(guī)劃明確的轉(zhuǎn)型路線(xiàn)。可以肯定的是，風(fēng)能在未來(lái)德國(guó)能源供給的重要地位不容置疑。