中國儲能網訊：德國已經決定在2022年之前停用所有核電站，提出了到2030年，使可再生能源占到總發(fā)電量的50%，到2050年占到80%以上的國家目標（資料1）。因為各地區(qū)的可再生能源資源參差不齊，所以，在可再生能源資源豐富的地方，這一比例要達到100%甚至更高。
擴大可再生能源發(fā)電的開發(fā)意味著增加資源量豐富的風力以及太陽能的發(fā)電量。但二者的發(fā)電量受天氣影響，如果可再生能源達到100%，就會產生發(fā)電量超過或是大幅低于當地需求的情況。這就需要從境外輸入電力，或向境外輸出。
地區(qū)的電力消費量減去地區(qū)利用風力及太陽能生產的發(fā)電量，剩下的部分稱為“剩余電力”（residuepower），而風力及太陽能發(fā)電會有變動，因此要想提高可再生能源的比例，剩余電力就必須是能夠吸收風力等發(fā)電量變化的靈活電源，而且還需要具備足夠應對天氣變化的容量。天然氣與生物質的熱電聯產（CHP：CombinedHeat&Power）可滿足這個條件。抽水和蓄電池雖然靈活，但自身無法發(fā)電，而且容量有限。
為提高可再生能源的比例生物質備受期待。德國等歐洲各國擁有豐富的森林資源，而且牧畜業(yè)繁榮，牲畜糞便的排放量大。而且種植著大量的玉米等燃料作物。作為生物燃料，木質有木片等固體燃料，牲畜糞便和玉米等則通過微生物發(fā)酵生成沼氣。
但開發(fā)生物質發(fā)電也面臨著不少課題。作為風力和太陽能的剩余電力，生物質發(fā)電不僅有可能得不到有效利用，而且還需要照顧與熱需求之間的平衡。這些課題需要逐一解決，并吸引足夠的投資。
借助100%的可再生能源重振哈爾茨地區(qū)
“RegModHarz”（RegenerativeModelRegionHarz）項目顧名思義，是把哈爾茨作為樣板，利用能源重振地區(qū)的嘗試。哈爾茨地區(qū)位于德國中心偏北的山區(qū)（資料2）。原本是一個擁有24萬人口的完整區(qū)域，但受到東西德分裂的影響，這里如今分屬3個州。為了實現宏偉的能源目標，德國準備在這里，對自然資源豐富的地區(qū)應當承擔的作用及系統(tǒng)構建進行驗證和模擬。
讓我們先來通過2008年的實際數據，來大致了解哈爾茨地區(qū)的電力供需情況（資料3）。地區(qū)內的電力消費量為1300吉瓦時（1吉為10億），占德國整體的0.2%。發(fā)電容量為191兆瓦（1兆為100萬）。發(fā)電量為467吉瓦時，其中，水力占5%，風力占67%，太陽能占2%，生物燃氣占7%，生物質占2%，天然氣熱電聯產占18%。除以地區(qū)內的消費量1300吉瓦時，推定自給率為36%，其中30%是可再生能源。但是，在這樣的情況下，風力及太陽能發(fā)電輸出功率的變化仍然會造成過?；蚴嵌倘薄Ｒ?5分鐘為單位進行估算，從地區(qū)外輸入電力的比例為65%，向地區(qū)外輸出的比例為2%。
RegModHarz項目進行模擬的對象是2008年實際數據、2020年方案以及100%可再生能源方案，其中，風力和太陽能的輸出功率將大幅增加。風力將按照151兆瓦→248兆瓦→630兆瓦，太陽能將按照10兆瓦→90兆瓦→708兆瓦的速度擴大。隨著兩種發(fā)電方式的比例增加，發(fā)電量的變化隨之增大，輸入輸出的規(guī)模也會擴大。而且，在不同的季節(jié)和時段，發(fā)電量會發(fā)生變化，電力價格也會發(fā)生變化。二者的權重越大，生物質這種靈活電源就愈發(fā)重要。
在電力交易市場上直接買賣可再生能源發(fā)電
對于生物質發(fā)電，德國采取了怎樣的引導措施？其關鍵詞是與市場直接交易（DirectMarketing）。
德國政府于2009年1月修改固定價格收購制度（FIT：FeedinTariff），使可再生能源發(fā)電可直接在電力交易市場上銷售。按照固定價格收購制度的規(guī)定，輸配電企業(yè)要在20年的時間里，以固定的優(yōu)惠價格收購可再生能源發(fā)電，但隨著制度的修改，發(fā)電方也可選擇直接向市場銷售。但是，因為市場價格一般低于收購價格，所以市場銷售不受青睞。
2012年1月，德國實行“市場溢價”，給直接市場交易提供了機會。這是在市場價格低于收購價格時補齊差價的制度。協(xié)議以月為單位簽訂，國家按月均市場價格減去固定價格的差額給予補償。如果在高價位時段銷售的電量多，利潤也會相應增加。
直接交易需要企業(yè)提供銷量與銷售時間的預期，偏離預期需支付違約金。為了彌補風險，國家將向企業(yè)支付“管理溢價”。隨著預測精度的提高，溢價逐漸縮小。并且，對于生物燃氣發(fā)電，由于要按照供需調整輸出，運轉會受到限制，因此為了彌補損失，國家將向企業(yè)支付“彈性溢價”。
生物質與火力發(fā)電一樣使用燃料，輸出功率有望保持穩(wěn)定。能夠按照預定進行輸出和供電，可以較高的市場價格出售。通過推測次日市場的價格和自身的發(fā)電容量，精確上報利潤最高的時間和銷量。因此，能夠享受較高的市場溢價，以及各種溢價。
此次制度修訂雖然也給風力等變動電源帶來了相應的好處，但生物質得到的實惠最大，成為了一大投資誘因。因為人們可以作出判斷，靈活的可再生能源發(fā)電具有相當高的價值。在政策支持下，生物質更容易得到融資，這也起到了刺激追加投資的作用。
生物質直接交易的期待與課題
生物質雖然得到了制度的力挺，但課題也不少。推行直接交易后，越來越多的生物質發(fā)電企業(yè)開始采取在市場行情高的時候發(fā)電并銷售，在行情低的時候停止發(fā)電的方式。作為現場電源，生物質通過包括供熱在內的熱電聯產（CHP）系統(tǒng)，利用效率會大幅提升。但電力市場的價格走向與地區(qū)的熱需求未必一致。
如果根據電力市場的走向安排設備運轉，生產的熱量有可能超過需求。這就需要通過細致的合理控制，提高熱泵的輸出，或是利用蓄熱設備增加熱需求。如果熱量低于需求，則要減少熱需求，并且利用蓄熱槽和生物質鍋爐增加供熱。
這就必須建設熱電聯產系統(tǒng)、鍋爐、蓄熱槽、熱泵等設備。而為生物質發(fā)電設置市場溢價和管理溢價，正是為了促進這樣的投資。
資料4表示了RegModHarz項目中，在進行直接買賣的情況下，生物燃氣熱電聯產系統(tǒng)和生物燃氣鍋爐的運轉情況。第1排是次日電力市場的價格變化，第2排是熱能的供需變化，第3排是電能的供需變化，第4排是蓄熱的容量和水平。企業(yè)要根據電力價格、熱需求、蓄熱設備的使用情況等因素，決定熱電聯產系統(tǒng)和鍋爐的最佳運轉方式。
判斷什么是最佳的投資方式并不簡單，因為其中摻雜著電力交易市場、地區(qū)的電能和熱能需求、地區(qū)的天氣預報等諸多變化因素。因此，開發(fā)包含了這些參數的模擬軟件成為了首要任務。總而言之，就是積累技術經驗。而E-Energy能夠為開發(fā)這樣的軟件提供驗證。
最終答案是構筑靈活的供應系統(tǒng)
如上所述，要想實現100%可再生能源發(fā)電，重點在于增加風力和太陽能的發(fā)電量，開發(fā)能夠吸收發(fā)電量變化的靈活電源“生物質”，構筑推動需求轉移的機制。修改固定價格收購制度，采用與電力交易市場進行直接交易的方式，稱得上是這一舉措的撒手锏。
而生物質熱電聯產需要使電能與熱能取得平衡。電力交易的最佳答案并不一定適合當地的熱需求。熱電聯產同時產生一定比例的熱能。而傳統(tǒng)的熱電聯產一般是以熱需求為準，同時產生電能，因此，借助以需求響應為基礎的熱需求轉移，應該可以實現一定程度的調整。
但是，對于普及可再生能源發(fā)電來說，根據電力市場的動向，使供電利潤達到最大，作為副產品而產生一定的熱能，這才是合理的運轉方式。按照固定價格收購制度的評價方式，生物質熱電聯產作為本地靈活電源的價值要高于作為供熱設備的價值。因此，調整地區(qū)的熱需求將會采用開關鍋爐、蓄熱設備蓄熱放熱、供熱管道蓄熱放熱、需求轉移等方式。
但是，要想實現100%可再生能源，單靠熱需求轉移、設置蓄熱設備存在局限性。還需要構筑包含電能、熱能以及燃料在內的“地區(qū)靈活供應系統(tǒng)”。在生物質熱電聯產方面，與生成作為燃料的“生物燃氣”之間進行協(xié)調將變得重要（資料5）。
綜合利用電、熱、氣三大網絡
作為燃料，生物燃氣受進行消化發(fā)酵的微生物活動的影響，建立能夠穩(wěn)定進行消化活動的環(huán)境是基本條件。如果把與電力市場直接交易作為前提，那么，發(fā)電量要與按照一定速度生成的生物燃氣之間相互協(xié)調。通過設置儲氣罐，提純甲烷氣體注入燃氣管道等方式，調整剩余和不足。也就是利用剩余電力電解氫氣，使氫氣與通過生物燃氣精煉工序分離出來的二氧化碳反應，制造甲烷氣體，作為燃料儲存。
以木質生物質作為燃料時，燃料的調整雖然會更加靈活，但存放圓木和邊角料、木片和木粒需要龐大的空間。而且，收集和運輸所占的權重也會增加，這樣一來，就必須要完善物流。
綜上所述，在可再生能源豐富的地區(qū)使可再生能源電力達到100%有著很大的可行性，但實現的關鍵，在于構建充分利用電、熱、氣網絡的靈活系統(tǒng)。這些網絡是出色的地區(qū)基礎設施，擁有完善設施的地區(qū)擁有很大的潛力。必須要加以利用。
通過利用熱泵和冷藏倉庫等的“靈活消費”，和利用生物質等發(fā)電及蓄電池的“靈活供應”，吸收電力輸出的變化。而且，作為“靈活供需要素”，把電能轉化成燃料儲存，按需供電、供熱的系統(tǒng)也將變得重要。
精通電力工學的專家認為，對于電能，廣域（以國家為單位，以歐盟為單位等）控制的效率更高。因為這樣不僅能夠有效利用火力和抽水等現有穩(wěn)壓電源，還有望起到穩(wěn)定風力和太陽能發(fā)電功率的效果（使天氣不同的各地之間平均化）。
但前提是廣域電網有余力，而且建設供電網需要相當長的時間。再考慮到燃料和熱需求，因此，完善廣域調整以及地區(qū)調整能力都是必備條件。
要在地方城市及地區(qū)實現100%利用可再生能源，需要充分利用輸配電網、熱管、燃氣管道3大網絡，制定電、熱、燃氣的最佳調度計劃，在地區(qū)內建立能源循環(huán)。如果得以實現，企業(yè)還可以根據3個價格，實現合理控制。
德國的本地型智能電網E-Energy是與日本的燃氣行業(yè)提出的智能能源網絡相似的概念。在德國，電、熱、氣網絡已經基本完善，為成功創(chuàng)造了條件。
遺憾的是，日本的熱能和燃料網絡比較脆弱，還有待于今后進行完善。在完善之前，除了依賴蓄電池之外，恐怕別無他法，但這或許能夠壓縮蓄電池的成本，創(chuàng)造出日本獨特的新模式。（《日經商務在線》特約撰稿人：山家公雄）
