照片1 韋克舍市利用位于市中心的熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施向居民供應(yīng)電力和熱量。98％的燃料是利用林業(yè)產(chǎn)生的未利用廢材制造的木碎料。
目前在歐美，除了全球變暖對(duì)策，從能源安全及確保地區(qū)居民就業(yè)等角度出發(fā)，以較高比例利用可再生能源的趨勢(shì)日益高漲。在某些城市，可再生能源在電力中所占的比率已經(jīng)接近100％。
照片2 在洛蘭島，海陸共有500多座風(fēng)車在運(yùn)轉(zhuǎn)，全年所發(fā)電力相當(dāng)于島內(nèi)電力需求的3倍。（點(diǎn)擊放大）
日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所2013年6月28日發(fā)行的《新一代社會(huì)創(chuàng)造項(xiàng)目總覽》中記載，瑞典韋克舍市（人口約8萬(wàn)人）及丹麥洛蘭島（人口為6.5萬(wàn)人）等都已宣布，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)由可再生能源滿足全部電力消費(fèi)需求。韋克舍是利用林業(yè)廢材進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電，洛蘭島是進(jìn)行陸地及海上風(fēng)力發(fā)電。
其中，生物質(zhì)發(fā)電與以往的火力發(fā)電相同，可根據(jù)電力需求供應(yīng)電力，因此即使以較高比率進(jìn)行利用，電能質(zhì)量也沒(méi)有任何問(wèn)題。不過(guò)，如果以受天氣影響輸出變動(dòng)較大的太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電為主體，要使可再生能源比率達(dá)到100％并不容易。在丹麥洛蘭島，全年風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng)超過(guò)全島需求的電力，不過(guò)該島已通過(guò)海底電纜與全歐洲的電網(wǎng)相連，因此在風(fēng)量較大時(shí)向島外輸出電力，在風(fēng)量較少時(shí)從島外輸入電力。
蓄能設(shè)備在美國(guó)需求高漲
要使電能質(zhì)量保持穩(wěn)定，需要使電力需求和供給隨時(shí)保持一致。據(jù)稱一般情況下，如果風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電在并網(wǎng)的電力源中所占的比例提高到20～30％，就會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。而在洛蘭島，即使風(fēng)力發(fā)電量在瞬間超過(guò)了電力需求總量，也能確保電能質(zhì)量。之所以能夠如此，可以說(shuō)是得益于全歐洲龐大的電網(wǎng)，因?yàn)榭稍偕茉丛谄渲兴急嚷蔬€不到20％。
不過(guò)，今后在歐美，利用風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。歐盟（EU）規(guī)定，各國(guó)到2020年要使可再生能源比率達(dá)到20％。該比例是以一次能源為分母。由于在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)汽車燃料難以實(shí)現(xiàn)完全不使用化石燃料，因此，各國(guó)政府的基本戰(zhàn)略是，使電力領(lǐng)域可再生能源比率提高到50％左右，從而使其在一次能源中所占的比例達(dá)到20％。
在美國(guó)，有多個(gè)州政府實(shí)行“可再生能源配額標(biāo)準(zhǔn)制度”（RPS，Renewable Portfolio Standard），規(guī)定電力公司必須采用一定量的可再生能源所發(fā)電力進(jìn)行供電。例如，加利福尼亞州要求各電力公司“到2020年，要供應(yīng)33％”的可再生能源電力。
歐盟和美國(guó)加利福尼亞州設(shè)想將可再生能源在供電中所占的比率提高到30％以上，期待其中大部分由開(kāi)發(fā)空間較大的風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電滿足。要在大量采用輸出功率變動(dòng)較大的風(fēng)力及太陽(yáng)能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)供求平衡，就需要配備可調(diào)節(jié)風(fēng)力和太陽(yáng)能輸出功率變動(dòng)的備用電源，和在風(fēng)力發(fā)電量超過(guò)需求時(shí)存儲(chǔ)電力的“蓄能設(shè)備”。
這種備用電源被稱為“輔助電源”，一般使用易于在短時(shí)間內(nèi)改變功率輸出的燃?xì)饣鹆八Πl(fā)電。在蓄能方面，抽蓄發(fā)電及大型蓄電池備受期待。
利用火口湖實(shí)現(xiàn)100％風(fēng)力發(fā)電
實(shí)際上，目前有些地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)需輸出及輸入電力、百分之百利用風(fēng)力。例如位于非洲大陸西北沿岸附近大西洋海域的厄爾耶羅島。該島是海拔1501米的火山島，山頂有火口湖。沿著海岸人工建設(shè)蓄水池，使用風(fēng)力所發(fā)電力向火口湖汲水，利用與下方蓄水池之間的落差進(jìn)行發(fā)電，向約1萬(wàn)名居民供應(yīng)電力。
蓄水池水量為15萬(wàn)立方米。風(fēng)力發(fā)電輸出功率為11.5兆瓦，利用這些電力旋轉(zhuǎn)抽水泵。抽蓄發(fā)電的額定輸出功率為11.3兆瓦。計(jì)劃風(fēng)力所發(fā)電力全部用于抽水，利用抽蓄發(fā)電進(jìn)行供電，作為例外，利用原有的柴油發(fā)電設(shè)備。
厄爾耶羅島之所以能夠僅利用風(fēng)力實(shí)現(xiàn)電力自給自足，是因?yàn)榭衫锰烊换鹂诤@一成本相對(duì)較低的“蓄能設(shè)備”。不過(guò)，在因地形因素?zé)o法利用抽蓄發(fā)電的地區(qū)，隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的增建，為了調(diào)整輸出功率變動(dòng)，就需要新的輔助電源及蓄能設(shè)備。
“需求靈活化”驗(yàn)證取得進(jìn)展
在美國(guó)西弗吉尼亞州勞雷爾山，沿著山脊設(shè)置有61座風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，占地長(zhǎng)約20公里。這是2011年10月啟動(dòng)的98兆瓦風(fēng)電場(chǎng)。在該風(fēng)電場(chǎng)，作為并網(wǎng)設(shè)備設(shè)置有美國(guó)最大級(jí)別的32兆瓦鋰離子電池。設(shè)置并運(yùn)用該蓄電池的是AES Energy Storage公司。通過(guò)與蓄電池充放電聯(lián)動(dòng)，隨時(shí)調(diào)整隨著風(fēng)力狀況時(shí)刻變動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電輸出，從而維持了電力公司要求的電能質(zhì)量，將電力輸入電網(wǎng)。
AES Energy Storage自2007年創(chuàng)立以來(lái)，包括在建設(shè)施在內(nèi)，在美國(guó)的5個(gè)供電運(yùn)用轄區(qū)等共設(shè)置及運(yùn)營(yíng)著多達(dá)76兆瓦的系統(tǒng)蓄電池。相關(guān)需求非常大，該公司目前正在開(kāi)發(fā)500兆瓦的蓄電池系統(tǒng)。
在美國(guó)，隨著風(fēng)力發(fā)電及太陽(yáng)能發(fā)電的增加，用于吸收其變動(dòng)的輔助用途燃?xì)獍l(fā)電站及蓄能設(shè)備需求日益增大，這一趨勢(shì)已經(jīng)凸顯。AES Energy torage的業(yè)務(wù)日益擴(kuò)大，就是一個(gè)例證。除了蓄電池，還有將成本更低的飛輪及壓縮空氣用作能源儲(chǔ)存手段的嘗試。
不過(guò)，增設(shè)輔助電源及蓄能設(shè)備，需要在電網(wǎng)上配備開(kāi)工率較低的設(shè)備。這樣會(huì)使得電力系統(tǒng)整體運(yùn)營(yíng)成本提高，最終導(dǎo)致電價(jià)上升。因此，在歐美智能電網(wǎng)實(shí)證試驗(yàn)中，優(yōu)先進(jìn)行的嘗試是根據(jù)供電實(shí)現(xiàn)“需求靈活化”，也就是從技術(shù)及制度角度驗(yàn)證控制用電方擁有的電力設(shè)備。
高速ADR備受期待
在北美，“需求響應(yīng)”（DR）正日益普及， 具體內(nèi)容是，如果預(yù)計(jì)電力供求會(huì)出現(xiàn)緊張，就在1天前通知用電大戶等，請(qǐng)其抑制電力需求，并支付相應(yīng)費(fèi)用。
還有將這一體制應(yīng)用于增加風(fēng)力及太陽(yáng)能發(fā)電可并網(wǎng)量的嘗試。并不是在1天前要求抑制電力需求，而是根據(jù)天氣變化進(jìn)行靈活應(yīng)對(duì)，以分鐘為單位事先提出要求，委托用電方抑制電力需求。這樣一來(lái)，如果手動(dòng)操作電力設(shè)備就會(huì)來(lái)不及，因此在調(diào)節(jié)電力需求方面需要實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)自動(dòng)化。一旦接到需求響應(yīng)指令，按照事先設(shè)定的程序，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)控制電力設(shè)備，迅速削減電力需求。這稱為“高速自動(dòng)需求響應(yīng)”（自動(dòng)需求響應(yīng)：Automated DR，ADR）。
加拿大的Enbala Power Networks公司目前正在向電力公司提供利用高速自動(dòng)需求響應(yīng)控制廢水處理設(shè)施泵的“Grid balance”服務(wù)。由于吸收了輸出變動(dòng)，也會(huì)向廢水處理設(shè)施支付相應(yīng)費(fèi)用，因此具備一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家研究室2012年7月公布了以“高速自動(dòng)需求響應(yīng)與可再生能源整合”為題的報(bào)告。據(jù)該報(bào)告推算，如果以整個(gè)加利福尼亞州的商業(yè)及產(chǎn)業(yè)設(shè)施中可調(diào)節(jié)輸出功率的電力設(shè)備為對(duì)象實(shí)施高速自動(dòng)需求響應(yīng)，就可抑制0.18～0.9吉瓦的電力需求（表1）。
表1 典型自動(dòng)需求響應(yīng)中各種設(shè)備的最短反應(yīng)時(shí)間
以可在30分鐘以內(nèi)做出響應(yīng)的商用電氣設(shè)備為高速自動(dòng)需求響應(yīng)對(duì)象（出處：‘Fast Automated Demand Response to Enable the Integration of Renewable Resources’（Lawrence Berkeley National Laboratory 2012年6月）
如果針對(duì)高速自動(dòng)需求響應(yīng)進(jìn)行適量投資，可進(jìn)行調(diào)節(jié)的電力需求就會(huì)增加至0.42～2.07吉瓦。設(shè)想可進(jìn)行高速自動(dòng)需求響應(yīng)的設(shè)備為空調(diào)、照明、冰柜及冰箱等。據(jù)稱利用高速自動(dòng)需求響應(yīng)調(diào)節(jié)電力需求所需的成本僅為使用蓄電池的10分之1。不過(guò)，要達(dá)到加利福尼亞州“占電源構(gòu)成33％”的采用可再生能源目標(biāo)，需要進(jìn)行3～5吉瓦的供求調(diào)節(jié)。還需要用于補(bǔ)充高速自動(dòng)需求響應(yīng)、以天然氣火力發(fā)電及蓄能設(shè)備為基礎(chǔ)的輔助服務(wù)。
利用“虛擬發(fā)電站”調(diào)節(jié)供求
在加緊利用可再生能源取代化石燃料的德國(guó)，也在實(shí)施名為“E能源”的大規(guī)模實(shí)證項(xiàng)目，積極開(kāi)展配合風(fēng)力及太陽(yáng)能輸出功率變動(dòng)的需求控制。德國(guó)在2012年已經(jīng)能夠利用可再生能源滿足約17％的電力需求。該國(guó)政府提出了到2020年和2050年，將這一比例提高到35％和80％的目標(biāo)。目前已經(jīng)有調(diào)查結(jié)果顯示，在今后10年內(nèi)可能提高到40％。
E能源項(xiàng)目的目的在于，驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)高比率利用可再生能源和以低成本穩(wěn)定供電的技術(shù)及制度。在6個(gè)地區(qū)，總共有約5000個(gè)住宅和企業(yè)參加。
在庫(kù)克斯哈文市，為了應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力變動(dòng)，實(shí)際驗(yàn)證了利用商用冷庫(kù)及市營(yíng)游泳池等的大型壓縮機(jī)調(diào)節(jié)電力需求。嘗試使冷庫(kù)等與電力交易市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)，在風(fēng)力發(fā)電量較多、電力價(jià)格較低時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)，為冷庫(kù)內(nèi)進(jìn)行充分制冷，在電價(jià)上升時(shí)停止買(mǎi)電，自動(dòng)停運(yùn)壓縮機(jī)等。
結(jié)果顯示，即使將用于吸收風(fēng)力發(fā)電輸出功率變動(dòng)的火力發(fā)電站的使用率減少15％，也能維持地區(qū)的供需平衡，同時(shí)，冷庫(kù)運(yùn)營(yíng)商還削減了6～8％的電費(fèi)。并且，參加實(shí)證的工廠中設(shè)置有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能夠在充分考慮風(fēng)力發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及電力市場(chǎng)價(jià)格的同時(shí)，優(yōu)化控制熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使電費(fèi)削減了16％（圖1）。
圖1 相應(yīng)風(fēng)力發(fā)電控制冷庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)
直方柱表示冷庫(kù)耗電量，實(shí)線曲線表示風(fēng)力發(fā)電量，淺色虛線表示電力現(xiàn)貨價(jià)格，深色虛線表示事先預(yù)測(cè)的負(fù)載分配?？赏ㄟ^(guò)在啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電時(shí)進(jìn)行冷卻，在電價(jià)較高時(shí)段抑制運(yùn)轉(zhuǎn)，享受成本價(jià)值。（出處：EWEP）（點(diǎn)擊放大）
E能源項(xiàng)目還在哈爾茨地區(qū)對(duì)家電自動(dòng)控制進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。在該地區(qū)，以風(fēng)力為主體，可再生能源電力在系統(tǒng)電力中所占的比例已經(jīng)達(dá)到30％，但風(fēng)力依然存在較大的開(kāi)發(fā)空間，預(yù)計(jì)太陽(yáng)能發(fā)電也會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。
該地區(qū)的實(shí)證項(xiàng)目力爭(zhēng)通過(guò)創(chuàng)設(shè)名為“虛擬發(fā)電站哈爾茨”、可監(jiān)控可再生能源并與電力交易市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，增加變動(dòng)較大的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)量。“虛擬發(fā)電站”的任務(wù)是，事先預(yù)測(cè)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電量以及電力和熱需求負(fù)荷，為了填補(bǔ)其缺口，委托生物燃?xì)獍l(fā)電站及熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施等分布型能源運(yùn)營(yíng)商調(diào)節(jié)供給，同時(shí)與電力交易所聯(lián)動(dòng)，針對(duì)電力需求調(diào)節(jié)，確定合適的費(fèi)用。
在住宅方面，由住宅能源管理系統(tǒng)根據(jù)電力價(jià)格自動(dòng)控制部分家電，對(duì)電力消費(fèi)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，今后，作為在增加風(fēng)力發(fā)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)供求一致的方法，與增建輔助火力發(fā)電設(shè)備及采用蓄能設(shè)備相比，以風(fēng)力發(fā)電量預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，適當(dāng)改變電力的市場(chǎng)價(jià)格以調(diào)整電力需求的手法，可大幅降低成本（圖2）。
圖2 “虛擬發(fā)電站哈爾茨”的監(jiān)控畫(huà)面
上圖中，面積較大的深色曲線表示風(fēng)力發(fā)電量實(shí)際及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。下圖中的淺色曲線表示1天前的交易數(shù)據(jù)，深色直方柱表示當(dāng)天的交易數(shù)據(jù)。（出處：Fraunhofer IWES）（點(diǎn)擊放大）
“實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)”開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證
以上述成果為基礎(chǔ)，在丹麥的Bornholm島，由歐洲10國(guó)組成的EcoGrid EU聯(lián)盟開(kāi)始實(shí)施“EcoGrid EU項(xiàng)目”。利用可再生能源在供給電力中所占比例已經(jīng)超過(guò)50％的電源構(gòu)成，作為使變動(dòng)的需求與供給實(shí)現(xiàn)平衡的手法，創(chuàng)設(shè)“實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)”。實(shí)際驗(yàn)證根據(jù)電力供求改變電力價(jià)格，以激活電力交易，由此以電力市場(chǎng)為基礎(chǔ)保持供需平衡的機(jī)制。通過(guò)住宅內(nèi)的智能網(wǎng)關(guān)及控制器，實(shí)時(shí)收集以分為單位變化的市場(chǎng)價(jià)格信息并作出判斷，控制器將根據(jù)價(jià)格自動(dòng)控制家電（熱泵和電熱設(shè)備）的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
這一機(jī)制可以說(shuō)是與北美的高速自動(dòng)需求響應(yīng)相近的概念。北美的自動(dòng)需求響應(yīng)是由電力公司及從電力公司承包了需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)集成商發(fā)出需求響應(yīng)指令，根據(jù)其指令對(duì)家電進(jìn)行控制。而EcoGrid EU項(xiàng)目除了利用系統(tǒng)集成商的系統(tǒng)，還參考德國(guó)哈爾茨地區(qū)的實(shí)證，根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格信息，由各個(gè)家庭的控制器自動(dòng)判斷并發(fā)出家電控制指令。預(yù)定對(duì)這2種方式進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。
關(guān)于用電方設(shè)備的自動(dòng)控制，作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，美國(guó)確定了“OpenADR”和“SEP”，歐洲確定了“EEBus”和“KNX”。OpenADR和EEBus是從供電方向住宅方的通信規(guī)格，SEP和KNX是家電通信規(guī)格。使用上述通信規(guī)格控制電力需求的技術(shù)實(shí)證，和與電力市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)的制度建設(shè)，都在穩(wěn)步取得進(jìn)展。
在日本，為了應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的增長(zhǎng)，一直以設(shè)置蓄電池為前提對(duì)成本進(jìn)行了探討，而歐美卻從在不增設(shè)蓄電池和輔助電源的條件下，如何大量采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的角度出發(fā)，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并不斷取得成果。
如果日本繼續(xù)推進(jìn)“蓄電池并設(shè)型可再生能源利用”，歐美繼續(xù)進(jìn)行“需求控制型可再生能源利用”，雙方在電力系統(tǒng)設(shè)備利用率方面就會(huì)出現(xiàn)很大差距，在電力基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)效率較低的日本，用電方將繼續(xù)背負(fù)高額電價(jià)。在終于決定進(jìn)行發(fā)供電分離的日本，關(guān)于進(jìn)行與電力市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制需求的實(shí)證實(shí)驗(yàn)，甚至都沒(méi)有進(jìn)行探討。日本與歐美存在著非常大的差距。（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)】
