從傳統能源到可再生能源
——德國能源結構的轉型之路

顧科杰

（國網江蘇省電力有限公司 常熟市供電分公司，江蘇 常熟 215500）

一、 引言

德國是世界第四大經濟體，也是歐洲最大的經濟體和老牌工業(yè)國家。同時，在世界能源史上， 德國是電力市場改革的先驅者，也是最為激進的能源轉型政策實施者。本文從德國傳統能源結構的發(fā)展切入，回顧德國能源轉型的過程及轉型中發(fā)生的重大歷史事件，分析德國逐漸淘汰化石能源并棄用核能，建立以可再生能源為主的新能源結構的原因。

二、 德國傳統能源結構的起步和發(fā)展

煤炭是歐洲各國早期工業(yè)的生命線，同時也是早期德國工業(yè)的能源支柱。無論是第一次世界大戰(zhàn)后的“魯爾危機”，還是第二次世界大戰(zhàn)后的“舒曼計劃”，在其中均可看到煤炭扮演了非常重要的角色。1952年，聯邦德國與法國、意大利、比利時、荷蘭及盧森堡成立了歐洲煤鋼共同體（European Coal and Steel Community），試圖以煤炭鋼鐵工業(yè)來拉動戰(zhàn)后歐洲的經濟復蘇。到1957年，煤炭仍然是德國工業(yè)以及民用最主要的能源，硬煤和褐煤占到了當時聯邦德國一次能源消耗的84%。但是僅僅在一年后，由于世界原油價格的下跌，原油在德國一次能源消耗中的占比就從11%上升到了15%；在1963年，原油在德國一次能源消耗中占比已經達到了32%，至1967年，則更加上升到了48%［1］503。

除煤炭和石油之外，核能也是德國較早利用的能源。在第二次世界大戰(zhàn)之前，德國是世界上原子能研究的領導者，哥廷根是當時世界核能研究的中心。戰(zhàn)后，由于國內社會環(huán)境混亂，眾多科學家移民，研究所破?。?］290；同時，核研究作為第二次世界大戰(zhàn)中納粹德國軍事研究的一部分，在戰(zhàn)后被占德盟軍嚴格限制，即使在聯邦德國成立后，在盟軍高級委員會第22號法案中，研究禁令仍被繼續(xù)執(zhí)行。直至1952年5月26日， 聯邦政府在“占領和外交委員會（第七委員會）的報告”（Bericht des Ausschusses für das Besatzungsstatut und ausw?rtige Angelegenheiten （7. Ausschu?））中，以立法禁止核武器發(fā)展、制造和擁有為條件，聯邦德國獲得了有限制的核技術研究資格［3］。

1956年，聯邦德國成立了原子能委員會，正式揭開了其和平利用核能的序幕。1957年，聯邦德國加入歐洲原子能共同體（EURATOM）并啟動了第一個國家級的核計劃“Eltville 計劃（Eltville Programm）”，設想到1965年將有5100兆瓦由德國設計的反應堆投入運行，而最初的500兆瓦則由國家基金推廣［4］141。同時，除了國家對核能的激勵政策，聯邦德國也在核科研上投入了大量精力。在美國提出“原子能為和平服務（Atoms for Peace）”計劃后，1956年，慕尼黑工業(yè)大學的海因茨·邁爾·萊布尼茨（Heinz Maier-Leibnitz）教授代表巴伐利亞州政府向美國購買了第一個研究用反應堆，這就是因雞蛋型屋頂被稱為“原子蛋”的慕尼黑研究堆FRM（Forschungsreaktor München）。

進入20世紀60年代，礦物油與國內硬煤之間的競爭加劇。即使是以煤炭補貼和對石油產品征收重稅為特征的大規(guī)模煤炭優(yōu)先政策，也無法確保硬煤在德國能源市場的競爭力。到1970年，聯邦德國的主要能源消耗中礦物油的比例已上升至53%［5］。與此同時，由于不斷增加的能源缺口及與國際社會關系的改善使聯邦德國發(fā)展核能的輿論壓力減少，其核工業(yè)迅速發(fā)展。1967年，聯邦德國的核能從測試階段轉向實用階段，其能源政策和資金支持加速了核電在商業(yè)中的使用。在聯邦政府的倡議下，核工業(yè)機構和能源供應公司就核能進入商業(yè)運用進行了談判。第三個核計劃于同年推出，到1972年共獲得了高達62億馬克資金，超過了前兩個核計劃的資金總和。在1971年至1975年間，能源公司提交了14份核電廠的施工申請，總容量高達1，300兆瓦。對核電廠需求的增加是因為聯邦德國政府第一個能源計劃（Energie programms）的規(guī)定，該計劃旨在滿足核電廠45，000兆瓦的能源輸出［6］114。

1973年10月爆發(fā)的第一次“石油危機”在國際上被視為聯邦德國能源政策的轉折點。石油價格危機導致所有西方工業(yè)化國家的能源政策重新定位，“遠離石油”成了各國政策的核心。聯邦德國在面對阿拉伯石油禁運威脅時，制定政策以確保獲得可靠能源供應的重要性超過其他能源政策目標。在1974年10月，聯邦德國政府提交了“能源計劃的首次更新（Erste Fortschreibung des Energieprogramms）”。在這次能源計劃更新中，硬煤作為一種長期的可靠能源，沒有其他更為廉價的能源可取代，其在發(fā)電方面的份額由1974年12月修訂的電力法來保障。除了支持硬煤和增加天然氣的份額外，修訂后的能源計劃還提出通過使用大規(guī)模的核能設備來迅速提高發(fā)電能力。在此計劃中，預計到1980年核電廠容量將增加到20，000兆瓦，到1985年將增加到45000～50000兆瓦，最終目標是核電將占總電力供應的45%［7］207。實際上，能源計劃也確實起到了立竿見影的效果，回看歷史數據，單在1981年聯邦德國全年的凈發(fā)電量中，核能占到了14.3%，與1980年11.9%的占比相比，一年內就有了巨大的增長［8］。

三、 德國能源結構的轉型

（一）德國的反核和棄核之路

聯邦德國的反核運動最早表現為民眾對于能否和平利用核能的疑慮。第二次世界大戰(zhàn)時期，廣島和長崎核爆炸讓德國民眾感受到了核武器可怕的破壞力。1957年4月5日，由于當時的聯邦德國總理阿登納在發(fā)布會上表示“戰(zhàn)術核武器只是一個‘火炮的進一步發(fā)展’”。［2］504月12日，由諾貝爾獎得主奧托·哈恩、馬克斯·玻恩和海森堡等十八名德國科學家共同簽署“哥廷根宣言”，反對聯邦德國發(fā)展核武器。雖然“哥廷根宣言”的起草者中也有民用核能的堅定支持者，但是“哥廷根宣言”經常被視為是德國反核運動的起點［2］169-170。20世紀50年代末，聯邦德國建造第一批小型實驗反應堆時，就存在地方抗議活動。但是反核運動進入主流社會，還是1968年對在建中的Würgassen核電站（Kernkraftwerk Würgassen）的抗議，德國的理論物理學家和政治家卡爾·貝歇特（Karl Bechert）對抗議提供了支持［9］191-202。他是德國聯邦議院的社民黨代表，又擁有前聯邦德國原子能和水管理委員會主席的雙重身份，他也被認為是德國“反核之父”。

1959年的民意調查發(fā)現，只有8%的人無條件地支持核能。雖然這種情緒暗示了對未知事物的潛在擔憂，但在切爾諾貝利時代之前，大多數德國人仍然認為核能是安全的［10］。進入20世紀70年代，人們對核能的使用越來越具有批判性。由于布賴薩赫（Breisach）的居民抗議在該鎮(zhèn)建設核電站，原有的場地規(guī)劃不得不終止，最終將核電項目搬遷到了維爾（Wyhl）鎮(zhèn)。1974年4月，反對者向埃門丁根區(qū)辦事處遞交了近10萬個簽名，以阻止在維爾（Wyhl）鎮(zhèn)建設核電項目［6］117-118。在項目開始建設的第二天，即1975年2月18日，“萊茵河上游應對核電廠的環(huán)境危害行動委員會（Oberrheinisches Aktionskomitee gegen Umweltgef?hrdung durch Kernkraftwerke）”的幾百名成員（主要是當地的農民和釀酒師）占領了在維爾的核電廠施工現場。1975年2月23日，大約28000名核反對者與警方發(fā)生了沖突，并在維爾建立了德國第一個明確意義上的反核組織。1975年3月21日，弗萊堡行政法院廢除了維爾核電廠部分施工許可證，并暫時停止了施工［10］。維爾核電站項目被終止之后，聯邦德國發(fā)生了一系列針對核電站的抗議活動，包括位于Brokdorf（1976年）、Kalkar（1977年）和Gorleben（1979年）的核電站建設項目?？梢哉f，在整個20世紀70年代，聯邦德國核電站的建設引發(fā)了公眾的抵觸［11］。

與此同時，核廢料的處理對于聯邦德國來說也是一個棘手的問題。聯邦德國政府于1965年收購了剛剛被廢棄的鹽礦AsseⅡ，將其作為核廢料的存儲設施。截至1978年底，共有124000桶低放射性和1300桶中放射性的核廢料進入AsseⅡ存儲設施。當時鹽礦內七個礦坑各被填充了750米，而其中的四個入口已經被填滿并密封?？梢钥闯?，建設AsseⅡ存儲設施的用途還是存儲核廢料，又因入口被密封，從一開始這個項目就放棄了核廢料回收的可能性。［12］56-58單依靠封存核廢料的方式處理核廢料顯然不行，1972年聯邦德國開始建設核廢物管理中心并為其選址。在選址報告中，初步確定下薩克森州的三個鹽丘進入潛在候選地名單（位于B?rger的鹽丘Wahn，位于Fa?berg的鹽丘Lutterloh和位于Ahlden的鹽丘Lichtenhorst）。核廢料處理中心的選址調查立即引起了這些地區(qū)的居民，特別是土地所有者的強烈反對。1977年2月，下薩克森州州長恩斯特·阿爾布雷赫特無奈（Ernst Albrecht）指定Gorleben鹽丘作為最適合建造核廢料處理中心的位置［13］，但這并未能使抵制活動停止。對Gorleben項目的抵制成了德國在切爾諾貝利事故發(fā)生之前最大的反核運動，以致該項目一直處于斷斷續(xù)續(xù)的建設狀態(tài)中，即使到2010年德國總理默克爾重新啟動該項目，依然有大批抗議者進行示威。

1986年切爾諾貝利發(fā)生的事故直接影響了德國核能政策的進程。有民意調查顯示，在切爾諾貝利災難后的幾周內，德國86%的人贊成淘汰核能，其中包括17%懇求立即停止民用核能的人。切爾諾貝利事故不僅打破了在社會中本已脆弱的“煤核共識”，同時也促成了聯邦德國環(huán)境、消費者保護與核安全部（BMU）的成立［5］。在當時由社民黨治理的石勒蘇益格-荷爾斯泰因州和黑森州，在經歷了切爾諾貝利事件之后，棄用核能的決定性政策已經取得了勝利，漢堡和薩爾州的政策也傾向于這個方向［14］263-280。

2001年，德國提出在未來20年內逐步淘汰核能。政府為每個核電廠分配了剩余電力輸出，即未來幾年的總發(fā)電量，一旦有核電廠達到這個總量，這家核電廠將被淘汰。2010年10月，德國政府又決定允許德國的17座核電站至少運行至2036年。但日本福島第一核電站事故發(fā)生后，德國政府再次決定逐步淘汰核能的使用，這也是德國第二次選擇放棄核能。在2011年6月，德國政府關閉了8家核電站并規(guī)定了其余9家核電站的關閉日期。這些指定日期介于2015年至2022年之間，如果在這段時間內發(fā)生了任何擾亂能源生產（例如計劃停電和意外事件）的事情，也將不會延長關閉日期來彌補能源需求［15］。

（二）德國可再生能源的發(fā)展與挑戰(zhàn)

德國曾經嚴重依賴化石燃料作為一次能源。隨著溫室氣體排放造成的全球變暖問題日益嚴重，對燃燒化石燃料產生的空氣污染以及化石燃料的不可再生性產生的危機感，德國民眾很早就意識到從單一依靠化石燃料的傳統能源體系轉型的重要性。與其同時，德國民眾普遍希望通過德國能源結構的率先轉型，給其他傳統能源結構的國家樹立一個積極的榜樣。早在1987年，Enquete委員會就以“保護地球大氣層的預防措施”為題形成了一份關于未來能源和氣候政策的報告，希望德國在2005年削減相當于1987年碳排放量的25%［16］。當然，淘汰核能帶來的能源缺口，也不能通過只使用化石能源來彌補，因為這既不經濟，也不符合歐盟對碳排放的要求。根據波茨坦氣候影響研究所的研究，要替換并完全淘汰核電，必須補充合計功率21吉瓦的發(fā)電容量，同時德國在2020年之前另有13吉瓦化石電廠需要淘汰［17］。通過可再生能源的擴張，能夠緩解德國在淘汰落后電廠時的供能壓力。

聯邦德國對可再生能源的支持始于1974年，以聯邦政府的能源研究框架計劃為代表［18］。在聯邦德國，風能是最早被開發(fā)的綠色能源之一，風能的發(fā)展也引領了其后沼氣發(fā)電和光伏發(fā)電的發(fā)展。20世紀70年代末到80年代后半期，當時的聯邦政府由于急需大容量的風機接入電網以滿足當時電網的能源需求，于是，實施大型風力發(fā)電設施Growian試點項目。Growian試點項目于1982年10月正式啟動，由于各種技術問題，系統僅運行420小時，并于1987年8月停止運行。到它被拆解時，共花費了大約9000萬德國馬克，以致Growian長期以來被認為是德國風電史上“最大的失敗”［19］。但是通過這個項目，聯邦德國也總結了制造大型風力發(fā)電設施的經驗，為以后德國的大規(guī)模離岸風電場建設打下了基礎。

1990年德國統一，新聯邦政府接受和處置了前東德的能源資產，并力求將可再生能源整合到電力市場。當時東德的主要能源消耗幾乎完全基于使用化石燃料，在電力供應方面，褐煤的份額占到了80%［5］。在這個歷史背景下，1991年的德國電力供應法（StrEG）出臺，標志著德國政府對可再生能源補貼政策的巨大推動，該法律首次規(guī)定了供電企業(yè)為可再生能源補償電能的義務，要求電力公司從可再生能源生產商處購買電力并規(guī)定其補償金額。風力渦輪機的運營商可按照電力公司售電電價的90%作為其上網電價，來自生物質的電能上網電價則以零售電價格的80%定價。該法律還規(guī)定可再生能源的電力收購價必須高于其他能源的電力收購價?？纱蠓黾涌稍偕茉丛陔娏ιa中的份額并改善可再生能源的使用技術［19］53。與此同時，聯邦和州政府認真考慮了光伏系統的推廣，于1990年9月宣布了“1000屋頂光伏計劃”。該計劃在1990年到1995年間推廣合計5兆瓦的2500個屋頂光伏項目，由州政府出資50%，國家出資20%為1到5千瓦的小型分布式光伏項目提供補貼。這給光伏的市場發(fā)展提供了決定性的推動力［20］6。

此外，隨著風力渦輪機的發(fā)展，風力發(fā)電設備逐漸變得更大、更便宜、更可靠。在1990年，風力渦輪機單臺平均的裝機容量為200千瓦，轉子直徑為40米，輪轂高度為50米；到2000年，風力渦輪機已經達到了1兆瓦級，轉子直徑已經達到70米，輪轂高度增加到100米。電網的不斷架設和擴張降低了風電廠與電網并網的線路成本，經驗帶來的風電場合理選址和正確的風向預測也提高了風力發(fā)電的效率，降低了單位電量建設風電場的投資，這兩點對推進風電產生了積極的作用。然而，隨著風電裝機規(guī)模的增長，阻力也在增加。在石勒蘇益格-荷爾斯泰因州，由于風力發(fā)電增長過快，風機輸出的總功率很快就達到了該地區(qū)電網運營商的負荷限制，而根據先前的德國電力供應法（StrEG）要求，當風電出力達到負荷限制，電網運營商應以固定價格接受穩(wěn)定增加的風電量。這種發(fā)電機組裝機容量快速增長卻以固定且較高的電價上網，會對電網運營商產生相當大的額外成本，這種成本最終會以提高電價的方式轉嫁給用電客戶［21］43-45。

為了解決這個問題，1998年德國對電力供應法進行了第一次修正，加入了5%雙重保障的條款［22］。當供電區(qū)域的電力供應量超過在同一電網區(qū)域內售電量的5%時，達到第一個限制。受影響的當地能源供應商可以將所有額外費用轉嫁給跨區(qū)域能源供應商。電力將在更大的電網中傳輸，并將額外成本分配給更大的售電量。如果跨區(qū)域能源供應商達到銷售量的5%，將使用第二個限制，所有其他可再生能源發(fā)電廠的電價補償義務自動終止［23］137。

在1997年2月19日，歐盟電力指令生效，標志著歐洲電力市場的自由化。翌年，能源工業(yè)法（Energiewirtschaftsgesetz）被修訂，德國開始了電力改革。隨著輸電運營商 （TSO， Transmission System Operators） 和配電運營商 （DSO，Distribution system operators） 分離，輸電運營商掌管著德國高電壓等級的輸電網，而配電運營商負責低壓電網的運營，兩者職責不同，在電網中的分工也不同，相關利益也有分歧。隨著德國電力市場自由化的推進，德國電力供應法（StrEG）的弊端逐漸顯現。例如，由于德國的風電資源集中在沿海地區(qū)，5%的限額對于分布式電源富有地區(qū)的發(fā)電用戶實在過低，以致德國于2000年修訂了可再生能源法案（EEG），并以此取代了電力供應法（StrEG）。該法案與電力供應法最大的區(qū)別就是發(fā)電的電量不再停留于配電網運營商運營的小規(guī)模電網下，而是被允許傳輸到更高電壓級別、由輸電網運營商運營的大規(guī)模電網并由他們支付報酬。由于這種系統的變化，電力現在可以傳遞給輸電網運營商并且必須由它支付報酬，沒有額外的費用，也就沒有必要像德國電力供應法（StrEG）規(guī)定的那樣，進行分攤［22］。

可再生能源法在后來又經過多次修訂，對可再生能源在整個能源結構中的占比有了更高的目標。在2017年最新修訂版中規(guī)定：“該法案的目的是增加可再生能源發(fā)電量占總電力消耗的比例，到2025年達到40%至45%，到2035年達到55%至60%，到2050年至少達到80%?！保?4］根據德國能源市場研究組織 AG Energiebilanzen對2017年德國能源的調研報告，2017年德國的總用電量約為6000億千瓦時，總電力產出量略高于總用電量，約為6550億千瓦時。但是相對于2016年，德國的電力生產結構發(fā)生了比較明顯的變化：基于硬煤（-17.5%）、核能（-9.8%）、褐煤（-1.4%）的電力生產下降，基于可再生能源的電力生產急速上升15%；可再生能源在2017年提供了2180億千瓦時的電量，已經占到了全德國總發(fā)電量的三分之一；相比于德國的傳統能源褐煤（22.5%）、硬煤（14.1%）、天然氣（13.2%）和核能（11.7%），可再生能源已經遙遙領先［25］。

四、 總結及啟示

由于福島核電站泄露事件的發(fā)生，德國“棄核”的進程加快，到2022年，德國境內的17個核電站將全部關閉。德國如今的能源結構由于“棄核”和“減排”的影響，相對于以往，出現了一些新的變化：一是與鄰國電網交換的電量不斷上升，電力需求的滿足更加依靠鄰國電網的輸送；二是電網中新能源、分布式能源的占比不斷上升，風能、太陽能等間歇性電源功率波動較大。這兩個新的變化都為電網埋下了不穩(wěn)定因素。德國的能源轉型，還需要通過負荷控制和儲能解決分布式光伏的不穩(wěn)定性，提高電網的穩(wěn)定性。對我國電網來說，現在正處于售電側改革的階段，同樣也是能源結構轉型階段，自“630”取消分布式項目補貼以來，分布式光伏項目不依靠發(fā)電補貼而僅僅依靠上網電價支撐發(fā)展，電力平價上網越來越成為未來的趨勢。同時，中國分布式電源的裝機容量在近幾年有非常大幅度的提升，且中國國土面積較大，風光資源同樣較為不均衡。通過學習德國能源轉型和電力體制改革的經驗，對我們做好電網資源的調控以及電網供給側和需求側之間的平衡，提供了非常好的啟示和教訓。首先是在電網調控方面，在風能和太陽能等發(fā)電足以部分甚至全部支撐電網負荷的情況下，對于如何降低兩者受天氣影響較大而導致的不穩(wěn)定性對電網的沖擊，德國已經建立了一套相對成熟的應對系統。借用天氣信息實現對風光電發(fā)電系統出力的預測以及對未來電網負荷的預測提高對電網運行方式和潮流控制的可靠性和反應靈敏度，值得我們學習和借鑒。其次是由于早期德國電網在規(guī)劃上對接入的各類設備前瞻性不足，導致大量發(fā)電資源被浪費甚至棄用。由于我國是幅員遼闊、能源分布較為不均衡的國家，對電網建設跨度要求遠大于德國，如何規(guī)劃好電網的合理建設，將能源豐富區(qū)的電力輸送到能源需求區(qū)，也是我們接下來電網規(guī)劃的重點。最后，由于德國早期相對過于激進的可再生能源補貼政策，導致可再生能源裝機容量過高，可再生能源的補貼費用數額巨大，從結果上來說依然是包含在電價中讓電力消費者承擔，這點從電力消費者角度看是不公平的，如何讓可再生能源走出單純依靠補貼的運營模式，也是接下來我們國家能源結構轉型需要思考的一個重要問題。