照片1 韋克舍市利用位于市中心的熱電聯(lián)產設施向居民供應電力和熱量。98％的燃料是利用林業(yè)產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多座風車在運轉，全年所發(fā)電力相當于島內電力需求的3倍。（點擊放大）
日經(jīng)BP清潔技術研究所2013年6月28日發(fā)行的《新一代社會創(chuàng)造項目總覽》中記載，瑞典韋克舍市（人口約8萬人）及丹麥洛蘭島（人口為6.5萬人）等都已宣布，已經(jīng)基本實現(xiàn)由可再生能源滿足全部電力消費需求。韋克舍是利用林業(yè)廢材進行生物質發(fā)電，洛蘭島是進行陸地及海上風力發(fā)電。
其中，生物質發(fā)電與以往的火力發(fā)電相同，可根據(jù)電力需求供應電力，因此即使以較高比率進行利用，電能質量也沒有任何問題。不過，如果以受天氣影響輸出變動較大的太陽能和風力發(fā)電為主體，要使可再生能源比率達到100％并不容易。在丹麥洛蘭島，全年風力發(fā)電量已經(jīng)超過全島需求的電力，不過該島已通過海底電纜與全歐洲的電網(wǎng)相連，因此在風量較大時向島外輸出電力，在風量較少時從島外輸入電力。
蓄能設備在美國需求高漲
要使電能質量保持穩(wěn)定，需要使電力需求和供給隨時保持一致。據(jù)稱一般情況下，如果風力和太陽能發(fā)電在并網(wǎng)的電力源中所占的比例提高到20～30％，就會對電能質量產生影響。而在洛蘭島，即使風力發(fā)電量在瞬間超過了電力需求總量，也能確保電能質量。之所以能夠如此，可以說是得益于全歐洲龐大的電網(wǎng)，因為可再生能源在其中所占比率還不到20％。
不過，今后在歐美，利用風力和太陽能發(fā)電的規(guī)模將進一步擴大。歐盟（EU）規(guī)定，各國到2020年要使可再生能源比率達到20％。該比例是以一次能源為分母。由于在相當長的一段時期內汽車燃料難以實現(xiàn)完全不使用化石燃料，因此，各國政府的基本戰(zhàn)略是，使電力領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到20％。
在美國，有多個州政府實行“可再生能源配額標準制度”（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)電力進行供電。例如，加利福尼亞州要求各電力公司“到2020年，要供應33％”的可再生能源電力。
歐盟和美國加利福尼亞州設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發(fā)空間較大的風力及太陽能發(fā)電滿足。要在大量采用輸出功率變動較大的風力及太陽能的同時，實現(xiàn)供求平衡，就需要配備可調節(jié)風力和太陽能輸出功率變動的備用電源，和在風力發(fā)電量超過需求時存儲電力的“蓄能設備”。
這種備用電源被稱為“輔助電源”，一般使用易于在短時間內改變功率輸出的燃氣火力及水力發(fā)電。在蓄能方面，抽蓄發(fā)電及大型蓄電池備受期待。
利用火口湖實現(xiàn)100％風力發(fā)電
實際上，目前有些地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了無需輸出及輸入電力、百分之百利用風力。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。沿著海岸人工建設蓄水池，使用風力所發(fā)電力向火口湖汲水，利用與下方蓄水池之間的落差進行發(fā)電，向約1萬名居民供應電力。
蓄水池水量為15萬立方米。風力發(fā)電輸出功率為11.5兆瓦，利用這些電力旋轉抽水泵。抽蓄發(fā)電的額定輸出功率為11.3兆瓦。計劃風力所發(fā)電力全部用于抽水，利用抽蓄發(fā)電進行供電，作為例外，利用原有的柴油發(fā)電設備。
厄爾耶羅島之所以能夠僅利用風力實現(xiàn)電力自給自足，是因為可利用天然火口湖這一成本相對較低的“蓄能設備”。不過，在因地形因素無法利用抽蓄發(fā)電的地區(qū)，隨著風力發(fā)電設備的增建，為了調整輸出功率變動，就需要新的輔助電源及蓄能設備。
“需求靈活化”驗證取得進展
在美國西弗吉尼亞州勞雷爾山，沿著山脊設置有61座風力發(fā)電設備，占地長約20公里。這是2011年10月啟動的98兆瓦風電場。在該風電場，作為并網(wǎng)設備設置有美國最大級別的32兆瓦鋰離子電池。設置并運用該蓄電池的是AES Energy Storage公司。通過與蓄電池充放電聯(lián)動，隨時調整隨著風力狀況時刻變動的風力發(fā)電輸出，從而維持了電力公司要求的電能質量，將電力輸入電網(wǎng)。
AES Energy Storage自2007年創(chuàng)立以來，包括在建設施在內，在美國的5個供電運用轄區(qū)等共設置及運營著多達76兆瓦的系統(tǒng)蓄電池。相關需求非常大，該公司目前正在開發(fā)500兆瓦的蓄電池系統(tǒng)。
在美國，隨著風力發(fā)電及太陽能發(fā)電的增加，用于吸收其變動的輔助用途燃氣發(fā)電站及蓄能設備需求日益增大，這一趨勢已經(jīng)凸顯。AES Energy torage的業(yè)務日益擴大，就是一個例證。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存手段的嘗試。
不過，增設輔助電源及蓄能設備，需要在電網(wǎng)上配備開工率較低的設備。這樣會使得電力系統(tǒng)整體運營成本提高，最終導致電價上升。因此，在歐美智能電網(wǎng)實證試驗中，優(yōu)先進行的嘗試是根據(jù)供電實現(xiàn)“需求靈活化”，也就是從技術及制度角度驗證控制用電方擁有的電力設備。
高速ADR備受期待
在北美，“需求響應”（DR）正日益普及， 具體內容是，如果預計電力供求會出現(xiàn)緊張，就在1天前通知用電大戶等，請其抑制電力需求，并支付相應費用。
還有將這一體制應用于增加風力及太陽能發(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)天氣變化進行靈活應對，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，如果手動操作電力設備就會來不及，因此在調節(jié)電力需求方面需要實現(xiàn)需求響應自動化。一旦接到需求響應指令，按照事先設定的程序，計算機就會自動控制電力設備，迅速削減電力需求。這稱為“高速自動需求響應”（自動需求響應：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需求響應控制廢水處理設施泵的“Grid balance”服務。由于吸收了輸出變動，也會向廢水處理設施支付相應費用，因此具備一定的經(jīng)濟價值。
美國勞倫斯伯克利國家研究室2012年7月公布了以“高速自動需求響應與可再生能源整合”為題的報告。據(jù)該報告推算，如果以整個加利福尼亞州的商業(yè)及產業(yè)設施中可調節(jié)輸出功率的電力設備為對象實施高速自動需求響應，就可抑制0.18～0.9吉瓦的電力需求（表1）。
表1 典型自動需求響應中各種設備的最短反應時間
以可在30分鐘以內做出響應的商用電氣設備為高速自動需求響應對象（出處：‘Fast Automated Demand Response to Enable the Integration of Renewable Resources’（Lawrence Berkeley National Laboratory 2012年6月）
如果針對高速自動需求響應進行適量投資，可進行調節(jié)的電力需求就會增加至0.42～2.07吉瓦。設想可進行高速自動需求響應的設備為空調、照明、冰柜及冰箱等。據(jù)稱利用高速自動需求響應調節(jié)電力需求所需的成本僅為使用蓄電池的10分之1。不過，要達到加利福尼亞州“占電源構成33％”的采用可再生能源目標，需要進行3～5吉瓦的供求調節(jié)。還需要用于補充高速自動需求響應、以天然氣火力發(fā)電及蓄能設備為基礎的輔助服務。
利用“虛擬發(fā)電站”調節(jié)供求
在加緊利用可再生能源取代化石燃料的德國，也在實施名為“E能源”的大規(guī)模實證項目，積極開展配合風力及太陽能輸出功率變動的需求控制。德國在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。目前已經(jīng)有調查結果顯示，在今后10年內可能提高到40％。
E能源項目的目的在于，驗證能夠實現(xiàn)高比率利用可再生能源和以低成本穩(wěn)定供電的技術及制度。在6個地區(qū)，總共有約5000個住宅和企業(yè)參加。
在庫克斯哈文市，為了應對風力發(fā)電產生的電力變動，實際驗證了利用商用冷庫及市營游泳池等的大型壓縮機調節(jié)電力需求。嘗試使冷庫等與電力交易市場聯(lián)動，在風力發(fā)電量較多、電力價格較低時啟動壓縮機，為冷庫內進行充分制冷，在電價上升時停止買電，自動停運壓縮機等。
結果顯示，即使將用于吸收風力發(fā)電輸出功率變動的火力發(fā)電站的使用率減少15％，也能維持地區(qū)的供需平衡，同時，冷庫運營商還削減了6～8％的電費。并且，參加實證的工廠中設置有熱電聯(lián)產系統(tǒng)，能夠在充分考慮風力發(fā)電運轉狀況及電力市場價格的同時，優(yōu)化控制熱電聯(lián)產系統(tǒng)的運轉，從而使電費削減了16％（圖1）。
圖1 相應風力發(fā)電控制冷庫的運轉
直方柱表示冷庫耗電量，實線曲線表示風力發(fā)電量，淺色虛線表示電力現(xiàn)貨價格，深色虛線表示事先預測的負載分配?？赏ㄟ^在啟動風力發(fā)電時進行冷卻，在電價較高時段抑制運轉，享受成本價值。（出處：EWEP）（點擊放大）
E能源項目還在哈爾茨地區(qū)對家電自動控制進行了實際驗證。在該地區(qū)，以風力為主體，可再生能源電力在系統(tǒng)電力中所占的比例已經(jīng)達到30％，但風力依然存在較大的開發(fā)空間，預計太陽能發(fā)電也會繼續(xù)增長。
該地區(qū)的實證項目力爭通過創(chuàng)設名為“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實現(xiàn)聯(lián)動的機構，增加變動較大的風力發(fā)電并網(wǎng)量。“虛擬發(fā)電站”的任務是，事先預測風力和太陽能發(fā)電量以及電力和熱需求負荷，為了填補其缺口，委托生物燃氣發(fā)電站及熱電聯(lián)產設施等分布型能源運營商調節(jié)供給，同時與電力交易所聯(lián)動，針對電力需求調節(jié)，確定合適的費用。
在住宅方面，由住宅能源管理系統(tǒng)根據(jù)電力價格自動控制部分家電，對電力消費量進行調節(jié)。實證實驗的結果證實，今后，作為在增加風力發(fā)電的同時實現(xiàn)供求一致的方法，與增建輔助火力發(fā)電設備及采用蓄能設備相比，以風力發(fā)電量預測為基礎，適當改變電力的市場價格以調整電力需求的手法，可大幅降低成本（圖2）。
圖2 “虛擬發(fā)電站哈爾茨”的監(jiān)控畫面
上圖中，面積較大的深色曲線表示風力發(fā)電量實際及預測數(shù)據(jù)。下圖中的淺色曲線表示1天前的交易數(shù)據(jù)，深色直方柱表示當天的交易數(shù)據(jù)。（出處：Fraunhofer IWES）（點擊放大）
“實時電力市場”開始進行實際驗證
以上述成果為基礎，在丹麥的Bornholm島，由歐洲10國組成的EcoGrid EU聯(lián)盟開始實施“EcoGrid EU項目”。利用可再生能源在供給電力中所占比例已經(jīng)超過50％的電源構成，作為使變動的需求與供給實現(xiàn)平衡的手法，創(chuàng)設“實時電力市場”。實際驗證根據(jù)電力供求改變電力價格，以激活電力交易，由此以電力市場為基礎保持供需平衡的機制。通過住宅內的智能網(wǎng)關及控制器，實時收集以分為單位變化的市場價格信息并作出判斷，控制器將根據(jù)價格自動控制家電（熱泵和電熱設備）的運轉狀態(tài)。
這一機制可以說是與北美的高速自動需求響應相近的概念。北美的自動需求響應是由電力公司及從電力公司承包了需求響應業(yè)務的系統(tǒng)集成商發(fā)出需求響應指令，根據(jù)其指令對家電進行控制。而EcoGrid EU項目除了利用系統(tǒng)集成商的系統(tǒng)，還參考德國哈爾茨地區(qū)的實證，根據(jù)市場價格信息，由各個家庭的控制器自動判斷并發(fā)出家電控制指令。預定對這2種方式進行實際驗證。
關于用電方設備的自動控制，作為標準規(guī)格，美國確定了“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實證，和與電力市場聯(lián)動的制度建設，都在穩(wěn)步取得進展。
在日本，為了應對風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的增長，一直以設置蓄電池為前提對成本進行了探討，而歐美卻從在不增設蓄電池和輔助電源的條件下，如何大量采用風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的角度出發(fā)，進行實際驗證，并不斷取得成果。
如果日本繼續(xù)推進“蓄電池并設型可再生能源利用”，歐美繼續(xù)進行“需求控制型可再生能源利用”，雙方在電力系統(tǒng)設備利用率方面就會出現(xiàn)很大差距，在電力基礎設施資產效率較低的日本，用電方將繼續(xù)背負高額電價。在終于決定進行發(fā)供電分離的日本，關于進行與電力市場聯(lián)動自動控制需求的實證實驗，甚至都沒有進行探討。日本與歐美存在著非常大的差距。（日經(jīng)BP清潔技術研究所研究員 金子憲治）【日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng)】
