卢安武：加大可再生能源电力供应

　　由于电网运营商们有效运用各种技术，高比例可再生能源证明他们能够可靠地提供电力供应。长期以来，许多电力界人士一直认为，风能和太阳能光伏这两种随着时间推移不断变化的可再生能源，在确保可靠性的前提下，其发电量在电力供应中只可能占几个百分点而已。但现在仍持这种观点的人会看到愈来愈多的现实挑战。我们看到，通过结合应用五种技术，德国和其它一些国家正在以高比例的可再生能源为他们的电网提供电力，且效果十分成功。这五种技术包括：1)在地区和国家相互连通的电网中充分利用各种发电资源;2)提高可再生能源发电的预报和预测;3)整合可调度的可再生能源;4)增加分布式储能;5)有效利用需求侧管理。

　　发电方式的多样性和互联电网在德国，可再生能源发电量在2012年发电总量中占比达23%。在丹麦，可再生能源发电量在发电总量中占比甚至达到了惊人的41%，其中仅风力发电的占比就达到了2013年全年发电总量的33%，当年12月单月占比高达54.8%。这两个国家拥有欧洲最稳定的电力供应系统，其可靠性比美国电力供应体系高出约十倍。这两个国家均与两个或多个邻国交换电能，帮助平衡风力发电场和光伏不断变化的电力输出。比如，当丹麦的风机发电量超额时，就会向其他国家出口，发电量不足时，就从斯堪的纳维亚电网进口水电电能。不过，这种电网互联可能并不像多数人想的那么重要。2013年上半年，处在欧洲电网边缘的西班牙的可再生能源发电量占其总发电量的49%，而与其接壤的葡萄牙的可再生能源发电量占比达到了惊人的70%(风力发电和太阳能发电占比分别为29%和30%，不包括水电)。西班牙2013年全年的发电量中，32% 来自可再生能源(不含水电的30%)、葡萄牙47%的发电量来自可再生能源(不含水电的44%)。在与英格兰和威尔士接壤的电力净输出国苏格兰，40%的发电量来自可再生能源(不含水电的36%)。短时期内，可再生能源发电量占比较高的前四位国家，分别可以实现70%、136%、61%、和100%的可再生能源供电。科罗拉多州的 Xcel 能源公司，去年一年的风力发电量就已超过60%。更高的预报能力和可预测性现代光伏发电和风力发电均是已知的最可靠的发电技术(从技术方面看，可用率往往高达98%-99%)，但是它们的输出功率会受时间和天气的影响而大幅变化。不过，一台电机不只驱动一个负载;所有电机会合在一起为电网服务，即所有电机整合在一起来驱动所有负载。因此，德国电网巨头公司 RWE 与西门子公司合作，整合各种不同的可再生能源以稳定电力输出。这种稳定和可靠的电力供应依靠的是对许多变量的筹划调控，所以必须准确预报电力输出的变化。尽管准确性还有待提高，但是预报能力的发展已经实现了光伏发电和风力发电比电力需求更容易预测。例如，在一个多暴风雨的冬季月份，法国电网运营商报告的全国实际风力发电量与其提前一天预报的发电量(见如下图示)已十分接近。较少的误差在电能实际调度上网前的几个小时内也消失了。

　　整合可调度的可再生发电资源现代化的电网运营正在整合更大范围内的资源。电网运营商从风力发电和光伏发电开始，多样化选择地点(这样它们就不会在同一时间遇到同样的天气)和资源类型(这样它们就不会以同样的方式做出反应)。各运营方还会加上其它“可调度的”、在需要时可以稳定供电的各种可再生资源，包括大型和小型水电、几种新兴的海洋能源、能够依靠储存的热能在夜间运行的太阳能热电厂、地热、燃烧的生物质能，生物燃气，或垃圾(经常用于不同装机容量的联合循环热电厂，包括燃料电池里的“绿色气体”或天然气，或利用余热进行热电联产)。增加分布式储能另一项关键性灵活资源是分布式发电设施的电量储存 - 如热(比如冰蓄冷空调)或电(比如电动汽车的智能充电或用于太阳能光伏发电系统的备用电池)。通过更为智能化的电网实现汽车双向充电，当电力极其宝贵时，在不影响驾驶的前提下将一些峰值功率电能从汽车电池中回收回去。特斯拉公司、其它汽车制造商以及多家太阳能开发商正在研发这种功能。当今世界上最大的电池制造商-特斯拉公司正在凭借其在汽车电池和变频器领域领先的技术能力，为建筑物和工厂提供非常高效、可靠和并具经济性的分布式储能模块。而且，Sunverge、SolarCity、Solar Grid Storage、Stem等公司，还有更多其它公司正在开始(或已经在)提供分布式电能储存装置，为太阳能光伏发电提供有益补充。有效利用需求侧管理运营商也可以整合“需求侧响应”，控制或影响有特殊用电需求的用户。你的电网公司以奖金的形式鼓励你偶尔关闭一会你的电热水器;你永远不会注意到这种“负荷管理”情况的发生。许多建筑服务项目和工业生产均可使用这种无形的智能化控制，电力需求会变得出奇地灵活，电网也会更灵活。结合现代化电信、分布式控制智能、透明定价(尤其能够反映出实时生产和交付成本)以及与高效电能整合等方法，可使需求响应能够管理比人们想象中更大规模的、也更通用的资源。需求响应的新形式不断涌现。例如，我的电动汽车充电器可按电网的频率在每秒零到7千瓦的幅度内调整充电频率。这种“快速调整”是很值得的(如果电网会像FERC所说的那样因为快速调整而奖励我)，因为我只要每晚对汽车进行充电就可以挣几美元。全盘考虑所有这一切都是可用选项。但是，如果选项不够的话怎么办?下一个更加昂贵一点的选项应该是大规模储能(通过地下岩洞的压缩空气、抽水蓄能水力发电的电能储存、氢气或常规的流体电池)。不过，前面提及的五个欧洲国家还从未出现过需要增加新储能或备用容量的情况。事实上，新证据证明了我长期以来的猜测，即大部分或所有可再生电力系统所需的储能和备用容量可能要少于电网公司为管理大型燃煤电厂和核电厂的发电间歇而购买的容量。例如，许多电网公司研究分析发现，主要的风力发电装置所需的“平衡储备容量”仅有约5%，甚至更少。而大型热电站所需的平衡储备容量是这一数字的三倍。随着更多的国家不断建造更多的可再生能源发电设施，任何限制这一战略的举措都会遭受考验。到目前为止，实践情况已经肯定了分析结论。国家可再生能源实验室进行的2011 REFS 研究结果说明了如何在2050年仅仅以136吉兆(约为可再生能源总发电量的10%)的额外大容量储存电能来运营美国80%至90%的可再生能源电网。落基山研究所在“重塑能源”中提出的实现80%可再生能源转换的方案中，所需增加的大容量储存电能更少，仅为 67 吉兆(占比约为6.3%)，这主要是因为该方案中可再生能源发电设施的一半是分布式的。我们让所有选项相互竞争。例如，正是由于需求侧的资源现在已经在美国五分之三的州的电力拍卖会上竞标，我们就能从市场上更多了解到那些以用户为中心的、分布式供应侧和需求侧的资源能够在成本最低的情况下，可靠并灵活地提供多少电力。不过，现实情况已证明，长期以来，所谓的可再生能源电力供应困难都是虚构出来的。现在全球电力中仅有约6%来自非水电可再生能源发电设施。从全球角度看，我们距五个欧洲国家和美国的两个州可再生能源发电份额的平均水平仍相距甚远。不过，可再生能源每年获得来自世界各地的私人投资高达两千五百亿美元，发电量达80吉兆，市场很看好这两个发展势头。2013年，对全球清洁能源的投资额下降了11%，此前2012年，尽管名义投资额也下降了10%，但由于可再生能源的成本下降更快，可再生能源的发电量增加了6%。总而言之，自2008年起，世界范围内每年新增发电量中的一半都是来自可再生能源;太阳能电池的产量比手机产量增加得还快，可能超过2013年风力发电量的增量;而且，根据彭博新能源财经的预测，太阳能发电有望在一两年内在全球四分之三的市场上与零售电网的电力竞争。可再生能源发电革命的第一阶段，产量增加已全面展开。接下来是有趣的一个阶段，即确保发展能够更加协调。卢安武博士是落基山研究所的联合创始人、首席科学家和名誉主席。

来源：OFweek智能电网

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