增加可再生能源電力的比重

文／艾默里·洛文斯

長(zhǎng)期以來(lái)，電力行業(yè)的很多人都認(rèn)為，風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電這兩種波動(dòng)性較大的可再生能源電力在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中只能占據(jù)很小的一部分比例，否則將危及整個(gè)電網(wǎng)的安全。

然而，眾所周知，德國(guó)和其他一些國(guó)家通過(guò)五項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)成功地使電網(wǎng)接納了相當(dāng)大比例的可再生能源電力。這五項(xiàng)技術(shù)分別是：發(fā)揮區(qū)域或全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)在接納不同電源上的杠桿作用；提高可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)；整合可調(diào)度的可再生能源；增加分布式儲(chǔ)能設(shè)施；利用電力需求側(cè)響應(yīng)。

電源多樣化以及互聯(lián)電網(wǎng)

2012年，德國(guó)可再生能源供應(yīng)了全國(guó)電力總需求的23%。在丹麥，可再生能源電量占比更是達(dá)到了41%之多，僅風(fēng)電便供應(yīng)了2013年全部電量的33%，其中，12月份的風(fēng)電占比高達(dá)54.8%。德國(guó)、丹麥供電系統(tǒng)的可靠性在歐洲國(guó)家中是最高的，比美國(guó)電力系統(tǒng)的可靠性更是高出約10倍。德國(guó)和丹麥都與兩個(gè)以上的鄰國(guó)交換電力，以此來(lái)平衡風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站出力的波動(dòng)性。例如，丹麥在國(guó)內(nèi)電量有盈余的時(shí)候?qū)L(fēng)電向境外輸送，當(dāng)國(guó)內(nèi)電量不足時(shí)又從挪威電網(wǎng)輸入水電。

位于歐洲電網(wǎng)邊緣的西班牙在2013年上半年生產(chǎn)的可再生能源電量占比達(dá)到了49%，而僅與西班牙電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的葡萄牙有70%的電量來(lái)自可再生能源（不包含分別占西班牙和葡萄牙29%和30%的水電電力）。整個(gè)2013年，西班牙所發(fā)電量有32%來(lái)自可再生能源（不包含30%的水電），葡萄牙這一數(shù)值為47%（不包含44%的水電）。同樣，僅與英格蘭和威爾士電網(wǎng)互聯(lián)的蘇格蘭是一個(gè)電力凈輸出地，有40%的電量來(lái)自可再生能源（不包含36%的水電）。

短時(shí)段內(nèi)，上述可再生能源占比排名前4位的國(guó)家在可再生能源發(fā)電比例上曾分別達(dá)到70%、136%、61%和100%，類似地，美國(guó)科羅拉多州的艾克賽爾能源公司2013年風(fēng)電占比在短時(shí)段內(nèi)超過(guò)了60%。

提高可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力

現(xiàn)代的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是已知發(fā)電技術(shù)中最可靠的技術(shù)類型，但是他們的出力會(huì)隨時(shí)間和氣候的變化出現(xiàn)較大波動(dòng)。幸運(yùn)的是，發(fā)電機(jī)與電力負(fù)荷并非一一對(duì)應(yīng)，所有的發(fā)電機(jī)共同服務(wù)于整個(gè)電網(wǎng)，電網(wǎng)將這些發(fā)電機(jī)聯(lián)接到一起，為所有的電力負(fù)荷供電。這樣，德國(guó)電力巨頭萊茵集團(tuán)與西門子合作，通過(guò)波動(dòng)性可再生能源構(gòu)成的多種能源結(jié)構(gòu)，“合成”了穩(wěn)定的出力。

這些穩(wěn)定、可靠的電源來(lái)自對(duì)多種波動(dòng)性電源的精心設(shè)計(jì)與安排，因此，對(duì)波動(dòng)性電源出力必須預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。盡管還有進(jìn)步的空間，但現(xiàn)在的預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，對(duì)光伏和風(fēng)電的預(yù)測(cè)往往比對(duì)電力需求的預(yù)測(cè)還準(zhǔn)確。例如，在多風(fēng)暴天氣的冬季個(gè)別月份，法國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商所記錄的全國(guó)實(shí)際風(fēng)電發(fā)電情況與其前一天預(yù)測(cè)的數(shù)值非常接近。

整合可調(diào)度的可再生能源

現(xiàn)代的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也融合了更廣泛的電源。他們先從地理位置和類型上多樣化的風(fēng)電和光伏發(fā)電入手，然后增加其他能調(diào)度的可再生能源，這些能源在任何需要的時(shí)候都可以啟動(dòng)并且運(yùn)行狀態(tài)良好，譬如大型、小型水電，幾種新興的海洋能，太陽(yáng)能光熱電站，地?zé)崮?，以及生物質(zhì)能，沼氣發(fā)電等。

增加分布式儲(chǔ)能設(shè)施

另一個(gè)重要的靈活電源是分布式儲(chǔ)電或儲(chǔ)熱（例如冰蓄冷空調(diào)、電動(dòng)汽車智能充電、光伏系統(tǒng)備用電池設(shè)備)。有了智能電網(wǎng)，汽車充電可以是雙向的，在特需情況下可以由汽車反向供電。特斯拉和其他一些電動(dòng)汽車商，以及太陽(yáng)能開發(fā)商都在嘗試開發(fā)這樣的功能。作為目前全球最大的電池生產(chǎn)商，特斯拉也正在利用其全球一流的電池和汽車逆變器，為建筑物和工廠提供有效、可靠和經(jīng)濟(jì)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。而Sunverge、SolarCity、Solar Grid Storage、Stem以及一些新興企業(yè)正在著手或者已經(jīng)開始提供分布式儲(chǔ)能設(shè)備，作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的一種補(bǔ)充。

利用電力需求側(cè)響應(yīng)

運(yùn)營(yíng)商也可結(jié)合電力需求側(cè)響應(yīng)，控制和影響電力用戶的個(gè)體用電行為。也許你的電熱水器會(huì)偶爾停止工作一刻鐘，但你卻永遠(yuǎn)不會(huì)注意到這類“負(fù)荷管理”策略。利用智能控制技術(shù)，許多建筑設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可以悄無(wú)聲息地使電力需求與電網(wǎng)的靈活性相協(xié)調(diào)?，F(xiàn)代通信技術(shù)，分布式智能控制，透明化定價(jià)（特別是能反應(yīng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)和配送成本時(shí)）結(jié)合節(jié)能技術(shù)，使得電力需求側(cè)響應(yīng)成為比預(yù)想中更強(qiáng)大、更普適的一種方式。

需求側(cè)響應(yīng)的新形式正不斷地涌現(xiàn)。例如，我的電動(dòng)汽車充電器根據(jù)電網(wǎng)的頻率每秒都在0到7千瓦功率范圍內(nèi)對(duì)充電率進(jìn)行調(diào)整。這種“快速調(diào)節(jié)機(jī)制”足夠使我（如果電網(wǎng)確實(shí)如聯(lián)邦能源管理委員會(huì)所承諾的那樣補(bǔ)償我）每晚充電時(shí)都能獲得少量的收益。

發(fā)揮綜合效應(yīng)

所有這些手段為我們提供了多樣的選擇。但是如果這都不夠呢？接下來(lái)代價(jià)更高的選擇可能是大容量?jī)?chǔ)能設(shè)施（地下洞穴的壓縮空氣、抽水蓄能電站、氫、傳統(tǒng)電池或液流電池）。但上文提到的五個(gè)歐洲國(guó)家并不需要新的儲(chǔ)能設(shè)備或備用容量。確實(shí)，新的證據(jù)似乎印證了我一貫的假設(shè)，即高比例或者100%的可再生能源電力系統(tǒng)比目前大型火電廠和核電站所需的儲(chǔ)能或備用容量要少。例如，許多電力公司分析發(fā)現(xiàn)，大型風(fēng)電場(chǎng)只需要大約5%或者更少的“調(diào)峰備用”，而大型火電廠需要的備用高出3倍。

隨著越來(lái)越多國(guó)家開發(fā)利用更多的可再生能源，這項(xiàng)策略將得到更多檢驗(yàn)。目前為止，實(shí)踐證明之前的分析都是正確的。2011年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)提出了到2050年如何在僅增加1.36億千瓦大容量?jī)?chǔ)能設(shè)施的情況下（占可再生能源總裝機(jī)容量的10%左右）使可再生能源電力在美國(guó)電網(wǎng)中占比達(dá)到80%-90%。在《重塑能源》一書中，美國(guó)洛基山研究所所描述的80%可再生能源變革情景增加的大容量?jī)?chǔ)能很少，只有6700萬(wàn)千瓦（6.3%），這主要是因?yàn)槠淇稍偕茉从幸话胧欠植际降摹?/p>

目前，需求側(cè)資源能夠占到美國(guó)電力銷售市場(chǎng)的五分之三。在市場(chǎng)交易中，越是有更多的方式去參與競(jìng)爭(zhēng)，就越容易弄清楚以客戶為中心的分布式供應(yīng)體系以及需求側(cè)資源能夠在多大程度上提供靈活可靠的低成本電力服務(wù)。已經(jīng)顯而易見的是，關(guān)于可再生電力供應(yīng)比例的斷言是站不住腳的。

目前世界非水電可再生能源發(fā)電只有6%。要使全球的可再生能源應(yīng)用水平達(dá)到前述歐洲五國(guó)或美國(guó)的兩個(gè)州的平均水平，仍任重而道遠(yuǎn)。但是，每年全球范圍內(nèi)可再生能源領(lǐng)域私人投資都達(dá)到了2500億美元，新增裝機(jī)容量也超過(guò)了8000萬(wàn)千瓦，前景都很樂(lè)觀。2013年全球清潔能源名義投資額下跌了11%， 但是在2012年，盡管名義投資額也下降了10%左右，由于成本下降速度更快，所以裝機(jī)容量還是增加了6%。

自2008年開始，全球每年新增發(fā)電裝機(jī)有一半來(lái)自可再生能源，太陽(yáng)能電池組件增長(zhǎng)的速度比手機(jī)增長(zhǎng)還要快。彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)測(cè)，在今后的一兩年內(nèi)，太陽(yáng)能發(fā)電可以在全球四分之三的市場(chǎng)與電網(wǎng)零售電力相競(jìng)爭(zhēng)?？稍偕茉措娏Ω锩牡谝徊健?guī)?；a(chǎn)已經(jīng)起步，接下來(lái)最有趣的就是確保所有進(jìn)行中的各項(xiàng)工作緊密配合。