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    西门子以可再生能源为支柱

    发布时间: 2019-01-15  点击次数: 286次

    德国联邦环境部资助的一个研究项目表明,如果将可再生能源发电设施与蓄电系统和备用电厂等联网,便可以在未来保障德国的电能供应。当然,这样做要花费多少成本,则另当别论。

    一个国家能不能完全仅靠可再生能源发电来满足其全部用电需求,同时还能保持电网稳定?来自弗劳恩霍夫研究所的研究人员(右图)认为这不无可能。

    对德国的电力用户而言,2050年2月1日是个好日子。这一天,北部海岸刮起大风,风势强劲,海上风电场和安装在陆地上的风电机组,都卯足了劲,转个不停。同时,这一天,还阳光灿烂,主要分布在南部地区的光伏发电模块,也在全力工作。在一间中央控制室的显示屏上,工程师可以从一张图表上看到,这一天的平均可再生能源发电量为8000万千瓦,正午时份的高发电量,则高达1.2亿千瓦。

    在这样的场景中,仅靠利用风力和阳光等可再生能源生产的电能,便足以满足整个德国的工业、贸易、商业和居家等用电需求。在德国,用电量大的是柏林、汉堡和鲁尔地区的几座城市。不过,归功于新的输电线路,像这样的人口密集地区,也并未遇到任何麻烦。

    如果有时候风力不够强劲,或者太阳躲在云层之后,那么,采用甲烷和沼气系统来发电的备用电厂,也将出现在这幅场景中——不过今天不需要它们出场。控制室里的工作人员认为,这是利用过剩电能为遍布全国的蓄电系统充电,以及利用“电转气”系统生产可输送至天然气管网或重新变为电能的甲烷气体的理想日子。

    一个几乎完全基于可再生能源的基础设施,能不能像如今的矿物燃料电厂那样,不论用电需求是增加还是减少,都能始终确保电网的稳定性和可靠性呢?换句话说,技术解决方案,能不能担起抵消风力发电和太阳能发电与生俱来的波动性的重任?

    在一个名为“联合电厂”的合作项目中,科学家针对这些问题给出了答案。西门子研究人员Philipp Wolfrum博士和Florian Steinke博士表示:“完全采用可再生能源发电,是有可能实现电力平衡的。其中至关重要的因素是,借助面向分布式电厂的智能电能控制系统,在短的时间内作出积极而准确的响应。”这是从西门子中央研究院与来自科学界、商界的合作伙伴所共同开展的模拟中得出的结论。

    风大,太阳足。控制系统工程师认为,原则上,到2050年,可再生能源发电厂确实可以保持德国电网的频率和电压的稳定,保证提供可靠的服务,同时也能生产出足够的负荷均衡电能,在任何时刻,都能始终提供正好需要的发电量。在他们的研究项目中,他们假定风力发电量占总发电量的大部分——在本例中,占比为60%。此外,光伏发电系统生产的电能约占五分之一,生物能占10%。其余10%则来自水力发电和地热发电。

    这种电能供应系统模型是基于这样一个假设:年用电需求几乎与当前一样,即6000亿度左右。模型涵盖了额外的用电设备,如电动汽车和新的蓄电系统,而且也考虑了德国联邦政府所预期的能效提升,以及工业系统和生产工艺的优化和需求管理的可能性。

    这个模型还假设,德国联邦政府拟于2032年实行的《网络开发计划》会如期实施,这样一来,比如说,未来的海上风电场将并入电网,而且还将建造高压直流输电线路,主要用于从德国北部向南部,远距离传输所生产的电能。

    根据2007年的天气和用电需求数据,研究人员按100米空间分辨率,逐小时估算了整个国家在一年内的发电量和需求量。弗劳恩霍夫风电和电力系统技术研究所(IWES)的专家进行了广泛深入的位置分析,包括地方局部发电的可能性,以查明新建风电场和光伏电站的空间分布,以及可再生能源发电系统向电网输送的电能、用电需求(包括负荷管理)、电厂和蓄电系统的使用等情况。

    但这些分析本身并不足以证明电能供应是可靠且稳定的。如今,电网运营商不得不保证所谓的“配套服务”。除维持稳定的频率和电压之外,还包括拥塞管理,以及在发生断电时快速恢复供电。虚拟联合电厂必须表明,它能随时提供这些服务,它能平衡供应和需求,它能保持稳定的50赫兹频率——这是欧洲通行的频率值。这一点不可或缺,因为稍有偏差,就会导致电网崩溃。

    通过模拟,项目合作伙伴得以确定发电峰值、发电量的过剩和不足、以及将这个系统置于情况下(如个别输电线路故障时)会发生的情况。模拟结果表明,电压和频率的稳定性、拥塞管理以及服务可靠性等在所设想的未来系统中均可实现。然而,要达成这些目标,必须调整项目的一些技术条件。譬如,未来,光伏电站和风电场所采用的基于逆变器的发电机,应能更迅速地提供负荷均衡电能,其响应速度应比目前电力系统所要求的要快。这样,才能进一步确保电网稳定,从而补偿当风速缓慢甚或无风时不可避免的发电量降低。

    研究人员逐公顷、逐小时地分析了整个德国的发电和用电情况。

    不过,项目合作伙伴开展的研究并不于模拟——他们还在随后的现场试验中检测了其可行性。在这个实验中,他们将散布于德国各地的4座生物气发电厂、36座风电场和66座光伏电站连接起来。他们从设在卡塞尔的控制中心,对这些总发电量约为8万千瓦的电厂进行管理。在这个基于可再生能源的联合电厂中,合作伙伴测试了所能提出的各种方法。结果证明,可以将可再生能源发电厂作为一个电能池来管理,以满足供应负荷均衡的电能的技术要求。

    研究人员Wolfrum和Steinke表示:“归功于现代化的逆变器和转换器,太阳能电站和风电场,比直接并网发电的同步发电机提供了更大的自由空间。它们允许电压、相位和频率能被调节。总而言之,我们能够证明,这个系统能保持稳定,以及如何保持稳定。”但两位研究人员补充了一个限制条件:只有通过大规模扩建蓄电系统,才能成功实现计划所设想的电能供应方式转变。他们说,这是抵消风力发电量和光伏发电量季节性波动的途径。

    需要大量蓄电装置。鉴于此,西门子科学家也进行了相应模拟,以计算出在其长远规划中,如何优化发电类型、空间分布、蓄电装置及灵活的发电设备的使用。对这些优化的限制要求是必须时时刻刻、完全满足所有负荷要求。如今,电力公司采用了抽水蓄能电站作为缓冲之计。其效率高达80%,但容量远远不够满足储蓄大量电能之需。目前,德国所有抽水蓄能电站的总发电量,仅可满足半小时的用电需求,但又没有足够多的地方适合建造更多这样的蓄电设施。

    所以,电转气工厂将扮演至关重要的角色。这些工厂可以利用可再生能源发电设施生产的过剩电能,通过被称为电解的化学工艺,将水分解为氢气和氧气。然后,可以将氢气与二氧化碳(CO2)合成,制造出甲烷气体。然后,燃气蒸汽联合循环发电厂可以直接利用由此制得的甲烷,重新生产出电能,其发电效率可达60%以上。此外,甲烷可以取代天然气,输送到公共燃气管网中。研究指出,德国的天然气管网,可以轻松应对储蓄可再生能源发电设施生产的过剩电能的需求。

    生物质发电厂将成为可再生能源发电经济的重要组成部分。

    除燃气电厂之外,生物质发电厂也能用作风电场和太阳能电站的有益补充。这两种电厂都能快速灵活地作出响应,从而可用于抵消发电量波动。然而,研究人员通过计算发现,这样的电厂必须足够多,其总发电容量才能够满足德国的大负荷。哪怕可以利用现有的燃气电厂来作出响应,仍然要求增加建设总发电容量达数百万千瓦的新电厂,但如果这些电厂每年仅需运行几百个小时,那么,这样的投资将有待商榷。

    Wolfrum说:“譬如冬季,在没有风的阴天,这些电厂将作为储备资源发挥作用,保证为德国全体居民供应电能。另一个挑战在于蓄电系统管理。如果我知道什么时候是阴天或没有风,那么,我将提前几天按适当的顺序为各种不同类型的蓄电系统充满电,然后在需要电能的时候,以方式释放其中储蓄的电能。”项目合作伙伴还计算了,就电网扩建而言,需要什么样的全国性可再生能源发电系统。计算数据表明,仅需在德国联邦政府当前制定的《网络开发计划》的基础上,适量扩建电网即可。鉴于这样的计算结果,他们坚信,如果通过智能系统,将可再生能源发电厂、蓄电系统和生物气发电厂等整合起来,德国真的可以完全依靠可再生能源发电,来满足其全部用电需求。

    监测、调节、优化。实现这一点的前提条件是,有一套功能强大的通信基础设施,可用于实时监测和管理分布式可再生能源发电厂。尽管这样一来,这种系统会变得更加复杂,但Steinke认为这是能够做到的,“只要你能使有关电厂使用情况的预测和计算更加准确,成功的秘诀就是,可再生能源发电厂、优化的技术及适当的管理方法的正确组合。”

    总之,这个宏大计划的关键特性并不是可再生能源,必须改变的主要是发电和输配电资源的结构和组织。Wolfrum和Steinke指出:“只有通过扩建电网及其所有组成部分、建设蓄电系统、调整平衡电能市场的基本框架,才可能实现可持续发展的能源供应转型。这是因为,目前具有波动性的能源资源尚不能参与其中。由于只能提前很短时间,预测何时会向电网输送利用可再生能源生产的电能,因此所需的投标期限和交付周期也相应地缩短了。”

    “我们认为,在今后的40年内,目前德国使用初级能源的成本将逐步降为零。”

    尽管从企业管理的角度而言,或许难以对本文所列举的、这种完全利用可再生能源发电来供应电能的系统的各个组成部分逐一进行考察,但在Hoffmann教授看来,其总体经济成本效益是确凿无疑的。Hoffmann教授是坐落于卡塞尔的弗劳恩霍夫风电和电力系统技术研究所的所长,他说:“我们认为,实际上在今后的40年内,目前德国使用矿物燃料初级能源的成本——即每年花费830亿欧元用于采购石油、煤炭和天然气——将逐步降为零。根据我们的计算,今后15到20年内将达到盈亏平衡点,也就是说,到那时候,扩建可再生能源发电设施的成本与矿物燃料能源的采购成本之和,将低于当前的初级能源成本。”

    此外,弗劳恩霍夫风电和电力系统技术研究所的研究人员所进行的分析,不仅涵盖了电力行业,而且还包含了供暖和交通领域。专家们也看到了电动交通、客运和重型货运(如无轨电机车)等领域存在的潜力。他们认为,热泵应当能满足75%左右的低温供热需求,并且应在工业领域增加使用电转热技术。此外,他们指出,通过采取提高能效的举措,包括建筑物隔热和安装更好的供暖系统,可将用电需求减少25%。

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