電能50％、熱能65％依靠可再生能源的城鎮(zhèn)
德國西南部的弗萊堡市人口約為20萬。該市以限制汽車進(jìn)入市區(qū)的交通政策而受到人們關(guān)注，在采取全球變暖對策方面也不遺余力。提出了通過節(jié)能和采用可再生能源，在2030年之前，使二氧化碳排放量較1992年減少40％的目標(biāo)。
作為環(huán)境政策示范地區(qū)，該市于1997年開始，對位于該市南端、面積38公頃的Vauban區(qū)域進(jìn)行了再開發(fā)。該區(qū)把額定輸出功率為5000千瓦（2500千瓦×2座）的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的核心（圖1）。
圖1：弗萊堡Vauban區(qū)域的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施（額定5000千瓦）。以黑森林出產(chǎn)的林業(yè)廢料為燃料，供應(yīng)電力與溫水。（出處：日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所《新一代社會創(chuàng)造項目總覽》，下同）
在連接熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施與住宅的地下，鋪設(shè)了輸電線和運(yùn)送溫水的管道，總長達(dá)12公里。2012年，這里共生產(chǎn)并供應(yīng)了1400萬千瓦時的電能和640萬千瓦時的熱能。熱能全部加以利用，短缺的電能利用其他區(qū)域電力公司的電力系統(tǒng)網(wǎng)供電予以彌補(bǔ)。熱電聯(lián)產(chǎn)一年的綜合熱效率約為80％。
熱電聯(lián)產(chǎn)的燃料是木質(zhì)片材和天然氣，2012年木質(zhì)片材的利用量達(dá)到1.5萬立方米。在Vauban區(qū)域內(nèi)，通過燃燒生物質(zhì)、在建筑屋頂設(shè)置太陽熱系統(tǒng)等，所需熱能的約65％由可再生能源滿足。
在電能方面，通過生物質(zhì)發(fā)電和太陽能發(fā)電，約50％的電能來源于可再生能源。木質(zhì)片材使用的是弗萊堡以東森林地區(qū)（黑森林）的林業(yè)產(chǎn)生的疏伐材等。
Vauban地區(qū)深受歡迎，截至2013年5月，該地區(qū)人口已經(jīng)超過最初計劃，達(dá)到了5500人（2300戶）。其中4成是有小孩的家庭。按照預(yù)定，新公寓建成后，人口將增加到約6000人。
“可再生能源比例超過30％”或?qū)?shí)現(xiàn)
在Vauban地區(qū)，可再生能源在電能和熱能中所占的比例已經(jīng)超過50％，率先步入了德國乃至歐洲力爭實(shí)現(xiàn)的未來社會。歐盟提出的目標(biāo)“到2020年使可再生能源占20％”是以一次能源作為分母，也包括了汽車燃料。但是，鑒于汽車脫離化石燃料還有相當(dāng)長的路要走，要想達(dá)成“20％”的目標(biāo)，就需要把電能與熱能中可再生能源的比例提高到30～40％，以抵消汽車使用的化石燃料。德國政府之所以提出到2020年，把電能中可再生能源所占的比例從現(xiàn)在的約20％提高到35％的目標(biāo)，原因正在于此。
其實(shí)，歐洲已經(jīng)有了像瑞典韋克舍（人口7萬）這樣，全市供電幾乎100％依靠可再生能源的城市。與Vauban一樣，韋克舍也使用以木質(zhì)片材為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，向住宅和設(shè)施供應(yīng)電能與熱能。因?yàn)樯镔|(zhì)發(fā)電比較容易按照電力需求調(diào)整發(fā)電量，所以能夠在維持電能質(zhì)量的同時，提高可再生能源的比例。
但是，今后有望大幅增加的風(fēng)力和太陽能設(shè)備很難按照需求進(jìn)行發(fā)電，受天氣的影響輸出功率變化較大。要想使電網(wǎng)中的電流頻率保持一定，就需要在瞬間使電力需求與供應(yīng)達(dá)到一致。
吸收風(fēng)力與太陽能的輸出功率變化，通常是通過利用能在短時間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出功率的天然氣火力發(fā)電，或是控制水力發(fā)電的輸出功率。
但這樣的調(diào)節(jié)電源容量有限，有看法認(rèn)為，如果并網(wǎng)的風(fēng)力與太陽能所發(fā)電力接近30％，電能質(zhì)量將會出現(xiàn)問題。在歐洲，可再生能源比例已出現(xiàn)超過30％的苗頭，屆時應(yīng)如何維持電能質(zhì)量的問題已浮出水面。
如果增設(shè)天然氣火力發(fā)電，或設(shè)置電力系統(tǒng)使用的大型蓄電池，雖然可以吸收風(fēng)力和太陽能的輸出功率變化，但需要耗費(fèi)巨大的成本。因此，歐洲目前的研發(fā)熱點(diǎn)，是低成本儲能（蓄能設(shè)備）技術(shù)，和配合可再生能源輸出功率控制用電方需求的技術(shù)。
圖2：設(shè)置在洛蘭島的氫氣制備裝置與氫燃料罐。
在風(fēng)力發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)率高時，電解水制備氫氣，輸送給家庭的燃料電池。 成本低于蓄電池的儲氫系統(tǒng)
在丹麥的洛蘭島（Lolland），利用氫氣儲存風(fēng)力發(fā)電電能的實(shí)證項目已經(jīng)開始實(shí)施。其機(jī)制是，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電量大，供電量超出需求時，就用剩余的電能電解水，制備成氫氣儲存在儲罐中；在沒有風(fēng)的日子等無法發(fā)電時，再使用事先儲存的氫氣，利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電，充分利用電能與廢熱。
這個項目的實(shí)施地點(diǎn)是韋斯滕斯考（Vestenskov），位于洛蘭島最大的城鎮(zhèn)納克斯考（Nakskov）以南5公里處。在當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)離住宅區(qū)的海岸附近的空地上，設(shè)置了電解水制備氫氣的裝置，以及壓縮氫氣進(jìn)行儲存的儲罐（圖2）。
氫氣通過導(dǎo)管輸送至住宅，利用家用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電，供應(yīng)電能與熱能。從2011年開始，已有35棟住宅設(shè)置了功率為1.5千瓦的固體高分子型燃料電池（PEFC）（圖3）。
圖3：洛蘭島35棟住宅中設(shè)置的家用燃料電池系統(tǒng)。由當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)險企業(yè)開發(fā)并制造。
第二階段的實(shí)證實(shí)驗(yàn)將于2013年年底開始實(shí)施，計劃在約1萬棟住宅中設(shè)置內(nèi)置小型制氫裝置（水電解裝置）的燃料電池系統(tǒng)。如此一來，就可以節(jié)省設(shè)置氫氣輸送導(dǎo)管的成本。還可利用制備氫氣時產(chǎn)生的廢熱加熱溫水存儲在住宅內(nèi)的儲罐中以供使用。并且還計劃將制備的氫氣用于燃料電池車。與蓄電池相比，儲氫系統(tǒng)具有成本更低、可以長期儲存的優(yōu)點(diǎn)。
德國和法國也已經(jīng)開始實(shí)施利用氫儲存可再生能源的計劃。德國正在柏林郊外進(jìn)行利用風(fēng)力所發(fā)電力制造氫，再把氫氣摻入生物燃?xì)庵杏枰怨?yīng)的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。法國也從2012年1月開始進(jìn)行嘗試，利用其南部科西嘉島設(shè)置的太陽能發(fā)電設(shè)施的電力制備氫氣并儲存，并將其應(yīng)用于燃料電池。
利用電力市場控制需求
與低成本儲能同時進(jìn)行的實(shí)證實(shí)驗(yàn)還有電力需求控制。德國“E-Energy”項目的內(nèi)容之一，就是力爭通過使用電方具有靈活性，平衡風(fēng)電場的輸出功率變動。進(jìn)行了實(shí)證的調(diào)節(jié)用電需求的方法有兩個，一個是把650處住宅和工廠作為對象，一個是充分利用商用冷凍冷藏倉庫、市營泳池等設(shè)施的大型壓縮機(jī)。
以住宅和工廠為對象進(jìn)行實(shí)證的機(jī)制是，在根據(jù)天氣預(yù)報預(yù)測到風(fēng)力發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)率將提高的情況下，通過事先通知，對用電給予獎勵，在預(yù)測風(fēng)力發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)率會降低的情況下，通過事先通知，對用電課以罰金。結(jié)果顯示，與不進(jìn)行通知相比，增減分別實(shí)現(xiàn)了30％左右的需求調(diào)節(jié)。
另一方面，使用冷凍冷藏倉庫的實(shí)證嘗試采取的機(jī)制是，使風(fēng)力發(fā)電與冷凍冷藏倉庫、電力市場聯(lián)動，在風(fēng)力發(fā)電量大、電能價格便宜的時段，啟動壓縮機(jī)充分冷卻庫內(nèi)，當(dāng)電能單價上漲時則停止買電，關(guān)閉壓縮機(jī)等。結(jié)果顯示，即使將作為風(fēng)力和太陽能發(fā)電的調(diào)節(jié)電源的火力發(fā)電站等的利用率減少15％，也可以維持地區(qū)的供需平衡，同時，冷凍冷藏倉庫的運(yùn)營商還節(jié)約了6～8％的電費(fèi)。
在丹麥的博恩霍姆島（Bornholm），由歐洲10國加盟的“EcoGrid EU Consortium”也在積極開展實(shí)證項目，其內(nèi)容是利用電力市場更加機(jī)動靈活地控制用電需求。
在博恩霍姆島，供電量的50％以上由可再生能源滿足，上述實(shí)證項目作為平衡供需變動的方法，創(chuàng)建了“實(shí)時電力市場”。驗(yàn)證根據(jù)供需情況時刻變動電力價格，活躍電力交易市場，從而以電力市場為基礎(chǔ)，確保供需平衡的機(jī)制。
由于風(fēng)力發(fā)電量的增減等，市場價格以分鐘為單位發(fā)生變化，各家庭通過住宅內(nèi)的智能網(wǎng)關(guān)和控制器實(shí)時收集價格信息并作出判斷，由控制器根據(jù)價格自動控制家電運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
蓄電池是最后的手段
日本所進(jìn)行的智慧城市相關(guān)實(shí)證項目大都是利用蓄電池使風(fēng)力和太陽能發(fā)電的輸出功率變動實(shí)現(xiàn)平均化的嘗試。對于擁有很多具有實(shí)力的蓄電池廠商的日本而言，這樣做也是為了創(chuàng)建新的蓄電池市場。但歐美卻認(rèn)為，在可再生能源平均化技術(shù)中，“蓄電池是最后的手段”?，F(xiàn)在，對實(shí)現(xiàn)更低廉的儲能以及“需求靈活化”的挑戰(zhàn)已經(jīng)開始。
一般觀點(diǎn)認(rèn)為，在輸送風(fēng)力和太陽能所發(fā)的電力時，考慮到在天氣不同的地區(qū)之間實(shí)現(xiàn)輸出功率平均化的效果，及可利用多座火力發(fā)電站調(diào)節(jié)輸出功率，還是接入規(guī)模大的電網(wǎng)在維持電能質(zhì)量方面更為有利。
但現(xiàn)在有看法指出，這一理論在可再生能源比例約為10％的時候尚可成立，但在接近40％的情況下，倘若把調(diào)節(jié)太陽能和風(fēng)力發(fā)電輸出功率變化的重任直接推給基礎(chǔ)電網(wǎng)，會增加電力系統(tǒng)整體崩潰的風(fēng)險。
因此，歐洲目前正在進(jìn)行摸索，先利用地區(qū)輸電網(wǎng)將風(fēng)力和太陽能的輸出功率變動緩和到一定程度，然后再接入基礎(chǔ)輸電網(wǎng)，建立這樣一種輸電系統(tǒng)。備受期待的方法就是在短時間內(nèi)自動控制電力需求，以及利用氫系統(tǒng)等的低成本儲能。而且，如果像弗萊堡Vauban地區(qū)那樣，擁有使用生物質(zhì)的分布型發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率調(diào)節(jié)也可以用來維持地區(qū)內(nèi)的供需平衡。
歐洲已通過政策明確提出了把可再生能源作為基礎(chǔ)電源予以扶植的方針。為了大量接納會有變動的電源，現(xiàn)在，歐洲的電力系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)都在競相開發(fā)“虛擬發(fā)電站”，這是一種優(yōu)化整合分布型電源、儲能系統(tǒng)以及需求控制的技術(shù)。在今后，“虛擬發(fā)電站”能否逐漸取代大規(guī)模集中型電力系統(tǒng)？還是作為一種“設(shè)想”而告終？在歐洲開展的實(shí)證項目所取得的成果將成為決定因素。（日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所研究員 金子憲治）【日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng)】
