2013年09月23日09:36
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儲藏技術改變氫戰(zhàn)略，氫燃料跨國運輸或成現(xiàn)實
遠程控制太陽能發(fā)電輸出的方式或可成為穩(wěn)定電網(wǎng)的撒手锏
歐盟（EU）提出了到2020年使可再生能源比例達到20％的目標，各成員國都在為此而擴大采用可再生能源。尤其是在這方面比較先進的德國和丹麥，隨著輸出功率變化較大的風力及太陽能發(fā)電的增加，正在積極致力于由以火力發(fā)電為中心的集中型系統(tǒng)向分布型系統(tǒng)轉移，以及實現(xiàn)電力需求控制。通過日經(jīng)BP清潔技術研究所匯總的《新一代社會創(chuàng)造項目總覽》，可以清楚地看到歐洲勇于改革以化石資源為前提的能源系統(tǒng)的姿態(tài)。
電能50％、熱能65％依靠可再生能源的城鎮(zhèn)
德國西南部的弗萊堡市人口約為20萬。該市以限制汽車進入市區(qū)的交通政策而受到人們關注，在采取全球變暖對策方面也不遺余力。提出了通過節(jié)能和采用可再生能源，在2030年之前，使二氧化碳排放量較1992年減少40％的目標。
作為環(huán)境政策示范地區(qū)，該市于1997年開始，對位于該市南端、面積38公頃的Vauban區(qū)域進行了再開發(fā)。該區(qū)把額定輸出功率為5000千瓦（2500千瓦×2座）的熱電聯(lián)產系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的核心（圖1）。
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| 圖1：弗萊堡Vauban區(qū)域的熱電聯(lián)產設施（額定5000千瓦）。以黑森林出產的林業(yè)廢料為燃料，供應電力與溫水。 |
在連接熱電聯(lián)產設施與住宅的地下，鋪設了輸電線和運送溫水的管道，總長達12公里。2012年，這里共生產并供應了1400萬千瓦時的電能和640萬千瓦時的熱能。熱能全部加以利用，短缺的電能利用其他區(qū)域電力公司的電力系統(tǒng)網(wǎng)供電予以彌補。熱電聯(lián)產一年的綜合熱效率約為80％。
熱電聯(lián)產的燃料是木質片材和天然氣，2012年木質片材的利用量達到1.5萬立方米。在Vauban區(qū)域內，通過燃燒生物質、在建筑屋頂設置太陽熱系統(tǒng)等，所需熱能的約65％由可再生能源滿足。
在電能方面，通過生物質發(fā)電和太陽能發(fā)電，約50％的電能來源于可再生能源。木質片材使用的是弗萊堡以東森林地區(qū)（黑森林）的林業(yè)產生的疏伐材等。
Vauban地區(qū)深受歡迎，截至2013年5月，該地區(qū)人口已經(jīng)超過最初計劃，達到了5500人（2300戶）。其中4成是有小孩的家庭。按照預定，新公寓建成后，人口將增加到約6000人。
“可再生能源比例超過30％”或將實現(xiàn)
在Vauban地區(qū)，可再生能源在電能和熱能中所占的比例已經(jīng)超過50％，率先步入了德國乃至歐洲力爭實現(xiàn)的未來社會。歐盟提出的目標“到2020年使可再生能源占20％”是以一次能源作為分母，也包括了汽車燃料。但是，鑒于汽車脫離化石燃料還有相當長的路要走，要想達成“20％”的目標，就需要把電能與熱能中可再生能源的比例提高到30～40％，以抵消汽車使用的化石燃料。德國政府之所以提出到2020年，把電能中可再生能源所占的比例從現(xiàn)在的約20％提高到35％的目標，原因正在于此。
其實，歐洲已經(jīng)有了像瑞典韋克舍（人口7萬）這樣，全市供電幾乎100％依靠可再生能源的城市。與Vauban一樣，韋克舍也使用以木質片材為燃料的熱電聯(lián)產設備，向住宅和設施供應電能與熱能。因為生物質發(fā)電比較容易按照電力需求調整發(fā)電量，所以能夠在維持電能質量的同時，提高可再生能源的比例。
但是，今后有望大幅增加的風力和太陽能設備很難按照需求進行發(fā)電，受天氣的影響輸出功率變化較大。要想使電網(wǎng)中的電流頻率保持一定，就需要在瞬間使電力需求與供應達到一致。
吸收風力與太陽能的輸出功率變化，通常是通過利用能在短時間內調節(jié)輸出功率的天然氣火力發(fā)電，或是控制水力發(fā)電的輸出功率。
但這樣的調節(jié)電源容量有限，有看法認為，如果并網(wǎng)的風力與太陽能所發(fā)電力接近30％，電能質量將會出現(xiàn)問題。在歐洲，可再生能源比例已出現(xiàn)超過30％的苗頭，屆時應如何維持電能質量的問題已浮出水面。
如果增設天然氣火力發(fā)電，或設置電力系統(tǒng)使用的大型蓄電池，雖然可以吸收風力和太陽能的輸出功率變化，但需要耗費巨大的成本。因此，歐洲目前的研發(fā)熱點，是低成本儲能（蓄能設備）技術，和配合可再生能源輸出功率控制用電方需求的技術。
成本低于蓄電池的儲氫系統(tǒng)
在丹麥的洛蘭島（Lolland），利用氫氣儲存風力發(fā)電電能的實證項目已經(jīng)開始實施。其機制是，當風力發(fā)電量大，供電量超出需求時，就用剩余的電能電解水，制備成氫氣儲存在儲罐中；在沒有風的日子等無法發(fā)電時，再使用事先儲存的氫氣，利用燃料電池進行發(fā)電，充分利用電能與廢熱。
這個項目的實施地點是韋斯滕斯考（Vestenskov），位于洛蘭島最大的城鎮(zhèn)納克斯考（Nakskov）以南5公里處。在當?shù)剡h離住宅區(qū)的海岸附近的空地上，設置了電解水制備氫氣的裝置，以及壓縮氫氣進行儲存的儲罐（圖2）。
圖2：設置在洛蘭島的氫氣制備裝置與氫燃料罐。在風力發(fā)電運轉率高時，電解水制備氫氣，輸送給家庭的燃料電池。
氫氣通過導管輸送至住宅，利用家用燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)電，供應電能與熱能。從2011年開始，已有35棟住宅設置了功率為1.5千瓦的固體高分子型燃料電池（PEFC）（圖3）。
圖3：洛蘭島35棟住宅中設置的家用燃料電池系統(tǒng)。由當?shù)氐娘L險企業(yè)開發(fā)并制造。
第二階段的實證實驗將于2013年年底開始實施，計劃在約1萬棟住宅中設置內置小型制氫裝置（水電解裝置）的燃料電池系統(tǒng)。如此一來，就可以節(jié)省設置氫氣輸送導管的成本。還可利用制備氫氣時產生的廢熱加熱溫水存儲在住宅內的儲罐中以供使用。并且還計劃將制備的氫氣用于燃料電池車。與蓄電池相比，儲氫系統(tǒng)具有成本更低、可以長期儲存的優(yōu)點。
德國和法國也已經(jīng)開始實施利用氫儲存可再生能源的計劃。德國正在柏林郊外進行利用風力所發(fā)電力制造氫，再把氫氣摻入生物燃氣中予以供應的實證實驗。法國也從2012年1月開始進行嘗試，利用其南部科西嘉島設置的太陽能發(fā)電設施的電力制備氫氣并儲存，并將其應用于燃料電池。
利用電力市場控制需求
與低成本儲能同時進行的實證實驗還有電力需求控制。德國“E-Energy”項目的內容之一，就是力爭通過使用電方具有靈活性，平衡風電場的輸出功率變動。進行了實證的調節(jié)用電需求的方法有兩個，一個是把650處住宅和工廠作為對象，一個是充分利用商用冷凍冷藏倉庫、市營泳池等設施的大型壓縮機。
以住宅和工廠為對象進行實證的機制是，在根據(jù)天氣預報預測到風力發(fā)電運轉率將提高的情況下，通過事先通知，對用電給予獎勵，在預測風力發(fā)電運轉率會降低的情況下，通過事先通知，對用電課以罰金。結果顯示，與不進行通知相比，增減分別實現(xiàn)了30％左右的需求調節(jié)。
另一方面，使用冷凍冷藏倉庫的實證嘗試采取的機制是，使風力發(fā)電與冷凍冷藏倉庫、電力市場聯(lián)動，在風力發(fā)電量大、電能價格便宜的時段，啟動壓縮機充分冷卻庫內，當電能單價上漲時則停止買電，關閉壓縮機等。結果顯示，即使將作為風力和太陽能發(fā)電的調節(jié)電源的火力發(fā)電站等的利用率減少15％，也可以維持地區(qū)的供需平衡，同時，冷凍冷藏倉庫的運營商還節(jié)約了6～8％的電費。
在丹麥的博恩霍姆島（Bornholm），由歐洲10國加盟的“EcoGrid EU Consortium”也在積極開展實證項目，其內容是利用電力市場更加機動靈活地控制用電需求。
在博恩霍姆島，供電量的50％以上由可再生能源滿足，上述實證項目作為平衡供需變動的方法，創(chuàng)建了“實時電力市場”。驗證根據(jù)供需情況時刻變動電力價格，活躍電力交易市場，從而以電力市場為基礎，確保供需平衡的機制。
由于風力發(fā)電量的增減等，市場價格以分鐘為單位發(fā)生變化，各家庭通過住宅內的智能網(wǎng)關和控制器實時收集價格信息并作出判斷，由控制器根據(jù)價格自動控制家電運轉狀態(tài)。
蓄電池是最后的手段
日本所進行的智慧城市相關實證項目大都是利用蓄電池使風力和太陽能發(fā)電的輸出功率變動實現(xiàn)平均化的嘗試。對于擁有很多具有實力的蓄電池廠商的日本而言，這樣做也是為了創(chuàng)建新的蓄電池市場。但歐美卻認為，在可再生能源平均化技術中，“蓄電池是最后的手段”�，F(xiàn)在，對實現(xiàn)更低廉的儲能以及“需求靈活化”的挑戰(zhàn)已經(jīng)開始。
一般觀點認為，在輸送風力和太陽能所發(fā)的電力時，考慮到在天氣不同的地區(qū)之間實現(xiàn)輸出功率平均化的效果，及可利用多座火力發(fā)電站調節(jié)輸出功率，還是接入規(guī)模大的電網(wǎng)在維持電能質量方面更為有利。
但現(xiàn)在有看法指出，這一理論在可再生能源比例約為10％的時候尚可成立，但在接近40％的情況下，倘若把調節(jié)太陽能和風力發(fā)電輸出功率變化的重任直接推給基礎電網(wǎng)，會增加電力系統(tǒng)整體崩潰的風險。
因此，歐洲目前正在進行摸索，先利用地區(qū)輸電網(wǎng)將風力和太陽能的輸出功率變動緩和到一定程度，然后再接入基礎輸電網(wǎng)，建立這樣一種輸電系統(tǒng)。備受期待的方法就是在短時間內自動控制電力需求，以及利用氫系統(tǒng)等的低成本儲能。而且，如果像弗萊堡Vauban地區(qū)那樣，擁有使用生物質的分布型發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率調節(jié)也可以用來維持地區(qū)內的供需平衡。
歐洲已通過政策明確提出了把可再生能源作為基礎電源予以扶植的方針。為了大量接納會有變動的電源，現(xiàn)在，歐洲的電力系統(tǒng)相關企業(yè)都在競相開發(fā)“虛擬發(fā)電站”，這是一種優(yōu)化整合分布型電源、儲能系統(tǒng)以及需求控制的技術。在今后，“虛擬發(fā)電站”能否逐漸取代大規(guī)模集中型電力系統(tǒng)？還是作為一種“設想”而告終？在歐洲開展的實證項目所取得的成果將成為決定因素。（作者：金子憲治，日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）
