德國已經(jīng)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(biāo)（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(fēng)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(chǎn)生發(fā)電量超過或是大幅低于當(dāng)?shù)匦枨蟮那闆r。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(fēng)力及太陽能生產(chǎn)的發(fā)電量，剩下的部分稱為“剩余電力”（residuepower），而風(fēng)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(fēng)力等發(fā)電量變化的靈活電源，而且還需要具備足夠應(yīng)對天氣變化的容量。天然氣與生物質(zhì)的熱電聯(lián)產(chǎn)（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(zhì)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(zhì)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(zhì)發(fā)電也面臨著不少課題。作為風(fēng)力和太陽能的剩余電力，生物質(zhì)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(xiàn)宏偉的能源目標(biāo)，德國準(zhǔn)備在這里，對自然資源豐富的地區(qū)應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的作用及系統(tǒng)構(gòu)建進行驗證和模擬。
讓我們先來通過2008年的實際數(shù)據(jù)，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(nèi)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(fēng)力占67%，太陽能占2%，生物燃氣占7%，生物質(zhì)占2%，天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)占18%。除以地區(qū)內(nèi)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(fēng)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(shù)據(jù)、2020年方案以及100%可再生能源方案，其中，風(fēng)力和太陽能的輸出功率將大幅增加。風(fēng)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(quán)重越大，生物質(zhì)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(zhì)發(fā)電，德國采取了怎樣的引導(dǎo)措施？其關(guān)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(yīng)增加。
直接交易需要企業(yè)提供銷量與銷售時間的預(yù)期，偏離預(yù)期需支付違約金。為了彌補風(fēng)險，國家將向企業(yè)支付“管理溢價”。隨著預(yù)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(diào)整輸出，運轉(zhuǎn)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(zhì)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(yù)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(fēng)力等變動電源帶來了相應(yīng)的好處，但生物質(zhì)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(dāng)高的價值。在政策支持下，生物質(zhì)更容易得到融資，這也起到了刺激追加投資的作用。
生物質(zhì)直接交易的期待與課題
生物質(zhì)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(zhì)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(xiàn)場電源，生物質(zhì)通過包括供熱在內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)（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(jù)電力市場的走向安排設(shè)備運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)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(shè)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(zhì)鍋爐增加供熱。
這就必須建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、鍋爐、蓄熱槽、熱泵等設(shè)備。而為生物質(zhì)發(fā)電設(shè)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和生物燃氣鍋爐的運轉(zhuǎn)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(jù)電力價格、熱需求、蓄熱設(shè)備的使用情況等因素，決定熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和鍋爐的最佳運轉(zhuǎn)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(yù)報等諸多變化因素。因此，開發(fā)包含了這些參數(shù)的模擬軟件成為了首要任務(wù)?？偠灾褪欠e累技術(shù)經(jīng)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(gòu)筑靈活的供應(yīng)系統(tǒng)
如上所述，要想實現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電，重點在于增加風(fēng)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(zhì)”，構(gòu)筑推動需求轉(zhuǎn)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(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)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(dāng)?shù)氐臒嵝枨蟆犭娐?lián)產(chǎn)同時產(chǎn)生一定比例的熱能。而傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)一般是以熱需求為準(zhǔn)，同時產(chǎn)生電能，因此，借助以需求響應(yīng)為基礎(chǔ)的熱需求轉(zhuǎn)移，應(yīng)該可以實現(xiàn)一定程度的調(diào)整。
但是，對于普及可再生能源發(fā)電來說，根據(jù)電力市場的動向，使供電利潤達到最大，作為副產(chǎn)品而產(chǎn)生一定的熱能，這才是合理的運轉(zhuǎn)方式。按照固定價格收購制度的評價方式，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)作為本地靈活電源的價值要高于作為供熱設(shè)備的價值。因此，調(diào)整地區(qū)的熱需求將會采用開關(guān)鍋爐、蓄熱設(shè)備蓄熱放熱、供熱管道蓄熱放熱、需求轉(zhuǎn)移等方式。
但是，要想實現(xiàn)100%可再生能源，單靠熱需求轉(zhuǎn)移、設(shè)置蓄熱設(shè)備存在局限性。還需要構(gòu)筑包含電能、熱能以及燃料在內(nèi)的“地區(qū)靈活供應(yīng)系統(tǒng)”。在生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)方面，與生成作為燃料的“生物燃氣”之間進行協(xié)調(diào)將變得重要（資料5）。
綜合利用電、熱、氣三大網(wǎng)絡(luò)
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(diào)。通過設(shè)置儲氣罐，提純甲烷氣體注入燃氣管道等方式，調(diào)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(yīng)，制造甲烷氣體，作為燃料儲存。
以木質(zhì)生物質(zhì)作為燃料時，燃料的調(diào)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(quán)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(xiàn)的關(guān)鍵，在于構(gòu)建充分利用電、熱、氣網(wǎng)絡(luò)的靈活系統(tǒng)。這些網(wǎng)絡(luò)是出色的地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，擁有完善設(shè)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(zhì)等發(fā)電及蓄電池的“靈活供應(yīng)”，吸收電力輸出的變化。而且，作為“靈活供需要素”，把電能轉(zhuǎn)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(xué)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(xiàn)有穩(wěn)壓電源，還有望起到穩(wěn)定風(fēng)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(wǎng)有余力，而且建設(shè)供電網(wǎng)需要相當(dāng)長的時間。再考慮到燃料和熱需求，因此，完善廣域調(diào)整以及地區(qū)調(diào)整能力都是必備條件。
要在地方城市及地區(qū)實現(xiàn)100%利用可再生能源，需要充分利用輸配電網(wǎng)、熱管、燃氣管道3大網(wǎng)絡(luò)，制定電、熱、燃氣的最佳調(diào)度計劃，在地區(qū)內(nèi)建立能源循環(huán)。如果得以實現(xiàn)，企業(yè)還可以根據(jù)3個價格，實現(xiàn)合理控制。
德國的本地型智能電網(wǎng)E-Energy是與日本的燃氣行業(yè)提出的智能能源網(wǎng)絡(luò)相似的概念。在德國，電、熱、氣網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)商務(wù)在線》特約撰稿人：山家公雄）
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