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德国探索电力-天然气存储技术

在斯图加特郊外的一个工业仓库,煤烟滚滚的场景即将成为过去,迎来的是德国绿色能源的光明未来。这里的电力-天然气(p2g)试点工厂是同类型里全球最大的,其背后的研究有助于推动德国走在清洁能源领域的前列。

这个价值350万欧元的项目的开发商说,p2g技术是一个理想的方式,来应对太阳能和风能发电不太稳定的问题。在晴天或是有风的天气,多余的电可以用来制造甲烷,当无风或是天色黑暗时,这些甲烷可以被存储然后燃烧发电。

对p2g存储的探索是德国雄心勃勃的energiewende计划(又称能源转换计划)的一部分,该长期计划旨在治理和净化德国的能源系统。法律中明确规定,该计划打算用可再生能源取代化石燃料,削减二氧化碳排放量。到2020年,德国希望至少有35的电能产自绿色能源;到2050年,这一份额期待能超过80。

energiewende计划是当今世界上最广泛的采用风能、太阳能以及其他可再生能源发电的项目,获得了德国所有政党和绝大多数人口的支持。不管2013年9月全国大选的结果如何,这一计划都将会继续开展。其他国家正在热切地关注这一试验下一步的进展,以及他们是否应该效仿德国的先进模式。德绍市世界可再生能源委员会的执行主席harry lehmann说:“德国的energiewende计划可能引发全球性的能源革命。”

为了实现该目标,德国目前每年投资超过15亿欧元用于能源研究。它的主要目标之一是改善并建立多个贮存系统,例如斯图加特的p2g工厂。另外一个目标是延伸和加强电力网络,使远程风力涡轮机和无数小型光伏装置更好地运转。该研究项目也旨在提高能源生产效率,并鼓励人们减少能源消耗。

大多数德国专家认为,技术障碍是可以克服的。卡尔斯鲁厄理工学院院长eberhard umbach说:“我们不需要技术上的巨大跨越就能完成energiewende计划。”umbach负责监督投资达5亿欧元的德国国家研究中心的能源研究活动。

但是经济上的挑战是棘手的,预计energiewende项目的总成本最高可达1万亿欧元。该项目规模如此巨大,加之欧洲深陷金融危机的泥潭,恐难以承受。美国科罗拉多大学波尔得分校的环境政策研究员roger pielke jr说:“迄今为止,德国公众表现出极大的意愿来为这次转型买单,但这其中存在限制因素,尤其是在经济大环境变得更艰难的情况下。”

金钱和权力

在德国的乡村,由于大额的补贴,昂贵的太阳能电池板覆盖了超过100万个家庭、农场和仓库。沿着高速公路,一大片风力涡轮机如雨后春笋般出现在山脊上,尤其是在多风的北部地区。

2011年3月,日本发生福岛核事故,这为大力开发核能的德国政府敲响了警钟。危机促使总理安吉拉默克尔加快了减少对核能依赖的步伐。(2010年,德国1/4的电量依靠核电。)她立即关闭了8个核电厂,并承诺2022年之前关闭剩余的9个核电厂。突然间,德国需要加快开发可再生能源的步伐。

对于德国消费者而言,这种转变所带来的成本增加是显而易见的,尤其体现在每月电费的上涨。其中包括一系列的“共享成本”,即由所有的家庭共同分担以资助energiewende计划。

“共享成本”是推进绿色能源的一种机制,由此导致的费用比用煤和天然气发电要贵得多。德国《可再生能源法》(eeg)是energiewende计划的法律依据,允许太阳能电池板和风力涡轮机的所有者以提高后的固定价格向电网售电。可再生能源生产商2012年售电收入大约达200亿欧元,但在电力市场,这些实际只值30亿欧元,是德国民众在为其中的差价买单。

eeg最早于2000年出台,已帮助德国建造了更多的风能和太阳能发电系统,且数量远超其他发达国家。但是补贴正在电力市场引发一些奇怪而扭曲的现象:电力公司有时被迫亏本出售常规电力。

德国施行的政策所造成的影响波及了整个欧洲能源市场。欧洲最大的能源供应商之一——位于杜塞尔多夫的德国意昂集团宣布,计划关闭几个在整个欧洲亏本经营的燃气电站,虽然它们比煤电站所造成的污染要小得多。意昂集团老板johannes teyssen告诉股东,可再生能源“不受控的增长”正导致很多燃气电站有大量的时间处于闲置状态。

与此同时,德国还受到很多外部力量的制约,例如美国天然气生产的快速发展,这抑制了国内对煤炭的需求。美国过剩的煤炭正在被运往欧洲,在英国和德国重新掀起了一阵疯狂使用煤炭的热潮。由于对价格低廉的煤的进口量不断增长,2012年德国的温室气体排放量增加了近2——这与之前长期下降的趋势形成了巨大反差。

德国联邦政府环境部长peter altmaier明确表示,未来几十年,需要煤电站来确保能源供应。德国正在建造能生产110亿瓦特电力的煤电站,并且正如德国先前计划的那样,目前约550亿瓦特的产电量不会缩减。

煤炭使用的复苏使德国不太可能实现其设定的2020年减排目标。pielke jr说:“你必须要接受这样的逻辑。如果放弃使用核能,那么短期的排放量将会上升。”

但是德国官员表示,即使排放量存在暂时的上升,但是这个趋势终会得到扭转。先进的燃煤发电厂,例如靠近科隆市的新建的能生产22亿瓦特电力的燃烧褐煤或低质煤的发电厂,将取代一些老旧的低效发电厂。

为了维持这样的趋势,绿色能源的成本必须下降。德国波茨坦气候影响研究所负责德国和欧洲能源战略的专家brigitte knopf说:“补贴使可再生能源初露锋芒,但是可持续能源迟早必须做到经济上的自立。”

供应和需求

风能和太阳能发电的迅速崛起给电网运营商带来了一个噩梦般的场景。他们面临着这样的问题:当有风和阳光普照时,电力供应源源不断;但无风或天气阴沉时,将意味着供应短缺。2011年,据报道,超过20万次的停电都长达3分钟以上,专家警告,重大断电事故的风险越来越大。

为了使energiewende计划能成功开展,电网必须能负荷成千上万的太阳能发电板和风力涡轮机,以及能够连接海上风电场的地方自治的电网,这样可以间歇性地向陆上电网输送大量的电力。

2013年1月,德国政府斥资1.5亿欧元,用于改善电力网络的研究。2012年,政府还宣布,将安装长达4000千米的高低压电力线路,预计总输电量能达到100亿瓦特。

美国新泽西州普林斯顿大学环境经济学家robert socolow说,国外的电力能够促进energiewende计划的成功,因为如果德国遭遇无风或是阴天,将会有来自其他国家的电力满足国内的需求。

一些公司已经提出在撒哈拉沙漠建造太阳能发电站的计划,这样可以获得充足的阳光以满足欧洲的电力需求。由于两大主要合作伙伴——西门子和博世相继退出,这个计划(沙漠技术倡议)在2012年年底失去了势头。此外,能源分析师怀疑,德国或其他欧洲国家将愿意从政治上不稳定的地区进口大量电力。

来自卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员目前正在进行一项实地考察——观察能否可以改变格平根市和弗赖阿姆特镇1000名居民和商业客户的消费行为。这一试验得到了enbw能源公司的支持。他们向消费者发放能提供每时每刻的能源使用量和费用信息的智能电网。这些信息在一天中会有巨大的波动。研究人员的目的在于,观察人们是否会利用这些信息来减少能源消耗。

umbach说:“德国人将如何应对这个新能源局面仍有待观察。电脑是否会告诉他们何时洗涤和做饭?或者他们仍然是根据自己的意愿选择炸肉排的时间?”

调研了所有energiewende计划可能遇到的障碍,umbach不确定这一转型能否像计划的那样尽快取得成功。但是他深信,由德国开展的这个伟大实验是非常合适的。他说:“如果计划失败了,将会对德国造成负面的影响。但是如果它成功了,全世界将会受益。”

可再生能源发达国家德国的新课题:如何维持火电?

最早实行电力固定价格收购制度的德国出现了意想不到的影响。支撑可再生能源采用的火力发电的作用正在发生巨大转变。“无法维持现有火力发电站”,德国电力行业如今正抱着这样的烦恼。大量采用太阳能发电所产生的影响已经波及意想不到的领域。

在供电能力中占比增加的太阳能发电及风力发电,在运用阶段的成本几乎为零,在fit下可优先供应(优先供电)。这样一来,就压低了非fit对象的火力发电等普通电源的电力交易价格,甚至使之降到了与需要燃料费的火力发电成本不符的水平。

起初,可再生能源发电装机容量增加的影响主要表现在火力发电站新建项目延期。然而到如今,就连现有火力发电都几乎无法维持。不过,火力是扩大采用可再生能源时不可或缺的电源。

太阳能发电及风力发电由于发电量会受到日照及风况的影响,输出会发生大幅变动。但另一方面,电力需求量及供应量需要随时保持一致。如果无法保持一致,电力系统的频率会发生大幅变动,最坏的情况下,甚至有可能产生大规模负荷、发电设备脱网,而导致发生大规模停电。

因此需要预想到,受天气变化的影响,可再生能源发电量会大幅波动,并为此准备火电等可机动调节输出

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