丹麥分布式能源發(fā)展之路

文 | Preben Maegaard

編譯 | 張玥

未來(lái)，可再生能源將成為全球能源供給的主要來(lái)源已是不可忽視的事實(shí)。隨著化石能源的日益枯竭以及核能成本的持續(xù)上漲，可再生能源的介入為解決能源需求提供了更為靈活的選擇。然而，可再生能源的發(fā)展也面臨著巨大挑戰(zhàn)，其發(fā)電出力的波動(dòng)性勢(shì)必需要一個(gè)全新的電力系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)。就風(fēng)電和太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，一些技術(shù)成熟的有效集成解決方案在其波動(dòng)性的適應(yīng)上已卓有成效。

在可再生能源集成解決方案的研究上，丹麥一直走在世界前沿，尤其是熱電聯(lián)產(chǎn)方式的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)更是非常成功，其模式也值得推廣。本文圍繞丹麥能源尤其是分布式可再生能源以及能源集成解決方案等方面展開討論。

Preben Maegaard，是丹麥乃至世界可再生能源研究方面的先驅(qū)，曾獲得丹麥及歐洲多項(xiàng)可再生能源獎(jiǎng)。自1983年以來(lái)，擔(dān)任北歐可再生能源中心主任。自2001年以來(lái)，擔(dān)任世界可再生能源理事會(huì)主席委員會(huì)成員。2001年至2004年，擔(dān)任世界風(fēng)能協(xié)會(huì)（WWEA）主席。

能源系統(tǒng)的變革

隨著氣候變化和資源稀缺的加劇，全球能源系統(tǒng)也處在大變革的邊緣。為了大幅降低二氧化碳排放量，建立一套基于可再生能源充分利用的能源系統(tǒng)是十分必要的。毋庸置疑的是，在未來(lái)的20或30年間，全球能源系統(tǒng)將會(huì)與現(xiàn)有能源系統(tǒng)大有不同。向未來(lái)可持續(xù)能源過(guò)渡的技術(shù)模塊已經(jīng)以分散式熱電站、風(fēng)力發(fā)電、大、小型沼氣廠、太陽(yáng)能、各類生物質(zhì)能以及水力發(fā)電等形式存在。因此，當(dāng)下首要的任務(wù)就是整合這些不同形式的可再生能源（可借助天然氣），以最大限度地提高可再生能源的利用率，因?yàn)槿魏螁我恍问降目稍偕茉炊疾豢赡芄铝l(fā)展。未來(lái)可再生能源的集成轉(zhuǎn)化，需要對(duì)各種形式的可再生能源設(shè)施，包括大型和小型發(fā)電廠，進(jìn)行重組利用。只基于當(dāng)前成本低廉的技術(shù)開發(fā)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有可能導(dǎo)致諸如大型風(fēng)電機(jī)組的單向利用等問題，因此必須采取多方措施，如建立多樣化供應(yīng)系統(tǒng)、能源儲(chǔ)存和節(jié)能機(jī)制，包括合理的用戶管理策略等。

大多數(shù)國(guó)家長(zhǎng)期依賴于以化石能源為主導(dǎo)的能源體系，制約了波動(dòng)出力的太陽(yáng)能和風(fēng)電形成長(zhǎng)效的自主系統(tǒng)。如此形成的后果之一是，電力過(guò)剩時(shí)可再生能源就處于閑置、甚至白白浪費(fèi)掉的狀態(tài)。在風(fēng)電占比較大的地區(qū)，由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納能力不足，機(jī)組經(jīng)常間歇性啟停。同樣地，當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）的產(chǎn)能與風(fēng)電產(chǎn)能一樣過(guò)剩時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)額外的剩余電力。隨著越來(lái)越多的風(fēng)電并入電網(wǎng)，加上熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)利用率的提高，這類問題的出現(xiàn)也會(huì)日益頻繁。實(shí)踐證明，電鍋爐和熱泵利用風(fēng)電的過(guò)剩產(chǎn)能進(jìn)行供熱、供冷是一種成本較低的解決方案，丹麥的能源體系也可以很好地適應(yīng)這種產(chǎn)能利用方式。電力供需失衡意味著風(fēng)電、太陽(yáng)能和熱電聯(lián)產(chǎn)等發(fā)電出力占比較大時(shí)，會(huì)周期性地出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的問題，但其實(shí)這是可避免的。適當(dāng)?shù)墓搽娏芸鼐湍軌蚝芎玫亟鉀Q波動(dòng)性發(fā)電出力的問題，比如采取一些激勵(lì)措施，如合理利用所謂的過(guò)剩電力，避免周期性的低價(jià)電力出售，在強(qiáng)風(fēng)區(qū)建立與電力供應(yīng)峰值匹配的主輸電線路和集成系統(tǒng)等。

在2012年3月的能源協(xié)議中，丹麥政府計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占全國(guó)電力供應(yīng)50%的目標(biāo)，這就加大了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)成功建設(shè)施行中可能遇到的選址和其他問題的關(guān)注。根據(jù)這項(xiàng)能源協(xié)議，2020年丹麥將新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量1800MW，新增近海風(fēng)電容量500MW，新增陸上風(fēng)電容量1000MW，這就意味著風(fēng)電裝機(jī)的大規(guī)模增長(zhǎng)。截至2014年，丹麥風(fēng)力發(fā)電已滿足全國(guó)34%的電力需求，到2020年將會(huì)達(dá)到50%。在用電低峰期和高風(fēng)速時(shí)段，風(fēng)力發(fā)電完全可以滿足全部的用電需求，按當(dāng)?shù)厮綋Q算，風(fēng)電占比也許會(huì)達(dá)到實(shí)際電力消費(fèi)的400%。強(qiáng)大的跨國(guó)電力互補(bǔ)仍然對(duì)丹麥的電力上調(diào)和下調(diào)政策起著至關(guān)重要的作用，然而這也許只是短期的解決方案，作為當(dāng)下過(guò)剩電力的進(jìn)口國(guó)很可能在未來(lái)對(duì)購(gòu)買鄰國(guó)電力失去興趣，因?yàn)榈溡部紤]到，這樣做只會(huì)增加鄰國(guó)的可再生能源利用比。

現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然種類多樣，但可投入使用并且有商業(yè)利用價(jià)值的只有少數(shù)。而且，這些儲(chǔ)能技術(shù)是集中式應(yīng)用還是分散式應(yīng)用則需要結(jié)合各自的投資額，損失量以及發(fā)展?jié)撃苓M(jìn)行綜合比對(duì)才能得出。儲(chǔ)能方案的選取也需結(jié)合各自的局限性、環(huán)境影響度、地勢(shì)需求、應(yīng)用重點(diǎn)、投資復(fù)雜性以及效益等方面綜合考慮。而且，儲(chǔ)能技術(shù)還要達(dá)到容量、靈活度、響應(yīng)時(shí)間以及成本效益的最優(yōu)化。

目前，類似電解制氫、制氣、海水淡化等技術(shù)的風(fēng)電就地消納方案正不斷涌現(xiàn)。本文下節(jié)將根據(jù)一些先驅(qū)國(guó)家（以丹麥為例）所面臨的各種新型電源管理的需求和挑戰(zhàn)，重點(diǎn)放在對(duì)可再生能源的應(yīng)用以及電力平衡的技術(shù)解決方案上。除了儲(chǔ)能技術(shù)，用于供熱、供冷的水力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電與供熱供冷的結(jié)合應(yīng)用也將作為操作性高的輔助解決方案來(lái)討論。從全球范圍來(lái)看，這些方案的應(yīng)用雖然有限，但是隨著可再生能源的持續(xù)增長(zhǎng)，電力供熱供冷系統(tǒng)的構(gòu)建似乎是必不可少的。

圖1 丹麥風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)以及風(fēng)電占國(guó)內(nèi)電力需求的比例圖

圖2 各類能源的發(fā)電比例圖

圖3 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

丹麥能源發(fā)展簡(jiǎn)史

丹麥以其風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電聞名于世界。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，區(qū)域供暖加上熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）的模式非常重要，這種轉(zhuǎn)變也是減少丹麥二氧化碳排放量的重點(diǎn)舉措。然而，CHP要達(dá)到滿足60%的電力需求以及70%的供熱需求，就需要建立一套逐漸過(guò)渡到完全由可再生能源供給的公共基礎(chǔ)設(shè)施。

丹麥用了大約10年的時(shí)間，大幅實(shí)現(xiàn)了由低能效、集中式、利用化石能源發(fā)電向區(qū)域自主發(fā)電、電力消費(fèi)者自有發(fā)電的轉(zhuǎn)變。巧合地是，這種轉(zhuǎn)變花費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)于建造一個(gè)核電站的時(shí)間。丹麥一直沒有、未來(lái)也不會(huì)有建立核電站的計(jì)劃，早在1985年，丹麥的國(guó)家能源計(jì)劃書中就已將核能發(fā)電計(jì)劃剔除。

在30年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，丹麥一直保持著能源供給的穩(wěn)定性。在此期間，國(guó)家對(duì)小型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目以及可再生能源有了了解并給予了支持。1975年－2000年，丹麥已經(jīng)減少了30%用于住宅供暖的化石能源消費(fèi)。在1975年還處于100%依賴石油為主要能源供給的丹麥，在同期也已經(jīng)通過(guò)各種方式將化石能源的消費(fèi)降低到40%，能源消費(fèi)種類也變得多樣化，包括對(duì)石油、煤炭、天然氣以及可再生能源的利用。整個(gè)這段時(shí)期，全國(guó)能源的總消耗量相當(dāng)于2000萬(wàn)噸燃油消耗量。

20世紀(jì)90年代，熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）在丹麥的城鎮(zhèn)、村莊以及150處住宅落戶，小型CHP則與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。熱電聯(lián)產(chǎn)電廠包括一個(gè)或者多個(gè)CHP單元，高負(fù)荷鍋爐以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)單元一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（有些是蒸汽輪機(jī)）或者循環(huán)發(fā)電機(jī)組組成。

電力波動(dòng)性供給的解決

在熱能需求高峰以及大風(fēng)時(shí)段，CHP加上風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合并入電網(wǎng)的電量要遠(yuǎn)大于消費(fèi)者需求電量。在這種情況下，CHP就不僅是提供電量，而更需要通過(guò)集中供熱系統(tǒng)向消費(fèi)者提供熱能，發(fā)的電可以看做是一種副產(chǎn)品。

企業(yè)內(nèi)部控制是由企業(yè)董事會(huì)、監(jiān)事會(huì)、經(jīng)理層和全體員工實(shí)施的，旨在實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的過(guò)程。內(nèi)部控制的目標(biāo)是合理保證企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理合法合規(guī)、資產(chǎn)安全、財(cái)務(wù)報(bào)告及相關(guān)信息真實(shí)完整，提高經(jīng)營(yíng)效率和效果，促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)發(fā)展戰(zhàn)略。

風(fēng)力發(fā)電向電網(wǎng)輸送的電量多少是由盛行風(fēng)決定的，并且與CHP和太陽(yáng)能發(fā)電共同向同一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)輸送電力。對(duì)于現(xiàn)有電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，早期風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電在平衡電力供給方面不存在需要特殊解決的問題。而風(fēng)電占比一旦超過(guò)20%或者更多，那就必須有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)舉措。如果說(shuō)每年風(fēng)電都占電力供應(yīng)的20%,那就意味著在很多時(shí)刻甚至很長(zhǎng)天數(shù)內(nèi)，風(fēng)電都可以完全滿足實(shí)際的電力需求。在風(fēng)電裝機(jī)高度集中的地區(qū)，風(fēng)電就可以保證該地區(qū)的基本用電負(fù)荷。

為了電力供需的總體平衡，可采取如下措施：

a.儲(chǔ)存電力以備風(fēng)電和太陽(yáng)能供電不足時(shí)使用

b.間歇性停止部分風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行

c.向鄰國(guó)輸送電力

d.鼓勵(lì)電力需求側(cè)管理機(jī)制的應(yīng)用

e.尋找可再生能源在工業(yè)用電和供冷供熱用電方面的創(chuàng)新利用法

向鄰國(guó)輸送電力需要長(zhǎng)距離傳輸線路架設(shè)等巨額投資，因此并不是一個(gè)長(zhǎng)期的解決方案。大風(fēng)區(qū)有時(shí)處在跨境區(qū)，因此丹麥的鄰國(guó)在大風(fēng)期也會(huì)擴(kuò)大風(fēng)電出力。根據(jù)稅率的差異，丹麥可以鼓勵(lì)工業(yè)用電和家庭用電方式的轉(zhuǎn)變，如根據(jù)供電情況，操作定制機(jī)器、在夜間洗衣服、給電動(dòng)汽車充放電等方法調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。然而，改變消費(fèi)者的習(xí)慣還是有一定的局限性。比如，電動(dòng)車車主可能更愿意在早晨開著充滿電的車離開，而不愿意為省幾分錢避開用電高峰期。

丹麥有600個(gè)分散式燃?xì)釩HP可以在幾分鐘內(nèi)完成啟停，因此他們可以很好地適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性。相反地，傳統(tǒng)的火電站以及核電站等則可能需要幾個(gè)小時(shí)甚至一天完成啟停。分散式供電系統(tǒng)只能盡力構(gòu)建一個(gè)完善的供電系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)國(guó)家的電力管制。作為丹麥電力供應(yīng)國(guó)有運(yùn)營(yíng)商，Energinet.dk計(jì)劃將國(guó)家供電系統(tǒng)分散成50000－100000個(gè)小系統(tǒng)，每個(gè)小系統(tǒng)都是基于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)電和CHP的電力自給系統(tǒng)，這將充分發(fā)揮分散式和多樣化電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 電熱鍋爐圖

圖5 燃?xì)釩HP圖

圖6 CHP在丹麥福堡的應(yīng)用

可再生能源發(fā)電與供熱的結(jié)合將會(huì)逐漸增大風(fēng)電和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的占比，因?yàn)樵跍睾蜌夂騾^(qū)，供熱需求要遠(yuǎn)超電力需求的兩倍之多。隨著熱水冷卻（安裝熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵）使用率的提高，其不僅在溫和氣候區(qū)的使用更為現(xiàn)實(shí)，在風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電出力與當(dāng)?shù)谻HP的結(jié)合利用上也將更為普遍、靈活。因此供熱、供冷與熱水的需求可能成為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的最大產(chǎn)能出口。而且，這種利用形式的初始投資也很低，尤其是當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域性供熱供冷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于施用中。同時(shí)，新的集中供熱系統(tǒng)的構(gòu)成也是技術(shù)成熟、成本較低、效能較高的一種解決方案，也將為100%可再生能源發(fā)電出力提供管理上的靈活性。在某些抽水蓄能利用廣泛能地區(qū)，這也成為優(yōu)先的解決方案，但是也會(huì)因地形條件的不同而受到一定的局限性。

風(fēng)電和太陽(yáng)能可以作為能源供應(yīng)的主要來(lái)源，而成本低、易存儲(chǔ)的生物質(zhì)能可以作為理想的備用能源。而且，在風(fēng)電和太陽(yáng)能充足的情況下，生物質(zhì)能也不應(yīng)被白白消耗掉。從環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面看，風(fēng)電的過(guò)剩產(chǎn)能轉(zhuǎn)化為區(qū)域供暖和熱水儲(chǔ)存的價(jià)值與替代燃料的消耗價(jià)值相當(dāng)，可以說(shuō)除了將多余電力低價(jià)輸送到鄰國(guó)外，這是一種最優(yōu)解決方案。

上調(diào)和下調(diào)政策的實(shí)施

風(fēng)電和太陽(yáng)能不能獨(dú)立承擔(dān)持續(xù)的電力供給。未來(lái)的能源供給方案將完全由波動(dòng)性的可再生能源為主導(dǎo)，那么以下這三種典型情況的調(diào)節(jié)方案則可滿足實(shí)際的電力需求：

a 風(fēng)電和太陽(yáng)能產(chǎn)能過(guò)高；則需下調(diào)措施，如將剩余電力轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存或者出口；

b 風(fēng)電和太陽(yáng)能產(chǎn)能過(guò)低；則需上調(diào)措施，如使用儲(chǔ)備電力或者向鄰國(guó)進(jìn)口電力；

c 風(fēng)電和太陽(yáng)能無(wú)產(chǎn)能；則全部的電力供應(yīng)由儲(chǔ)備電力和進(jìn)口電力來(lái)滿足。

風(fēng)電和太陽(yáng)能是未來(lái)可再生能源集成系統(tǒng)的基石，然而其波動(dòng)性需要電力消費(fèi)者的適應(yīng)，并且需要其他能源或儲(chǔ)能方式作為備用供給。當(dāng)前的很多儲(chǔ)能方案都具有可行性，但各自在技術(shù)、媒介和成本上大有不同。這些不同類型的儲(chǔ)能方式要滿足供電、供熱和供冷的集成供給，重點(diǎn)還要看各自的靈活性和反應(yīng)時(shí)間。