德国风电发展与“碳中和”目标

文 | Klaus Müschen, Insa Lütkehus, Hanno Salecker

编译 | 张玥

德国联邦环境署近期发布的一份研究报告中，提出了在本国实现“碳中和”目标的设想，该目标的实现需要各环保部门的配合，启动减排措施，大幅降低能耗，将人均二氧化碳排放量降至1吨。这份研究报告的结论证实，德国未来实现“碳中和”目标在技术层面上是完全可行的。然而这也意味着，德国各个系统如电力系统、供热系统、交通系统以及工业系统等重要生产环节，在能源供应方面，必须实现完全依赖可再生能源。德国联邦环境署2010年发布的一份研究报告中显示，德国有望到2050年实现全部的电力供应完全来自于可再生能源的目标。在2050年的设想中，德国虽然在技术上可以实现生物质能的可持续性利用，然而需要对残余物进行加工以及产能偏低等特性，决定了生物质能不可能成为供应整个能源系统的支柱能源。另一方面，德国的水电和地热能发展潜力也相对有限，种种因素促成风电和光伏发电将成为未来可再生能源的主要力量，并在能源供应和温室气体减排任务中扮演重要的角色。德国联邦环境署2013年发布的一份GIS(地理信息系统)分析报告里特别指出，德国海上风电的发展潜力目前被大幅低估。当然，海上风电的发展潜力在化为现实后，无疑是要比其理论潜力值偏低一些，原因一方面是因为海上风电需要根据项目的具体情况进行分析、考量，才能得出切实可行的结论，而非对所有的项目一概而论；另一方面是因为还需考虑到理性的经济架构和当地的接纳条件等现实问题。但可以肯定的是，德国海上风电的可观发电量已经证实了其在德国可再生能源发展进程中所起的重要作用。

德国2050年——“碳中和”目标

当前，科学界对气候变化正日益恶化已基本达成共识：人为因素是造成这种变化的主要原因。尤其是一些工业大国对此更要担起重责，降低本国温室气体排放量，努力将全球平均温度增幅控制在2度以内。

德国联邦环境署（UBA）2013年发布的一份研究报告中称，未来德国要实现“碳中和”目标，在技术层面上是完全可行的。即使像德国这样的工业大国，要在1990年到2050年六十年时间内，实现本国95%的温室气体减排目标也是有极大可能性的。因此，向100%依赖可再生能源的转型是实现国家“碳中和”目标的关键。德国联邦环境署早前发布的一份名为《能源目标2050:100%可再生能源电力供应》的报告中，已经肯定了德国到2050年实现完全依赖可再生能源发电的技术可行性。而名为《德国2050 —“碳中和”国》的报告中则指出，除了对电力领域的贡献，可再生能源甚至可以满足德国各个领域的全部能源供应。然而无论在哪一种模式设想中，风能在其中的重要性都不可忽视，因为无论从开发潜力还是从经济发展性来考虑，风能都占有相当大的优势。本文将重点探讨德国联邦环境署是如何看待风能在未来德国能源供应结构中将扮演的角色。

德国要实现2050年温室气体减排95%的目标，也就意味着，要将人均二氧化碳排放量从目前的11吨降至1吨。《德国2050 —“碳中和”国》这份报告中，并没有预测未来的能源发展趋势，但是却描绘了一种技术可行性高的优化解决方案。该研究给出的模式设想中，囊括了所有相关的排放源，包括：能源消耗引起的废气排放（供电、供热以及交通运输等领域），工业废气排放、污水处理排放以及农业、林业和土地利用变化等造成的废气排放。根据报告中模式设想的预测，德国作为进口工业国，到2050年在完全依赖可再生能源的情况下，仍然会维持与今天相似的生活标准，并不会有所下降。需要注意的一点是，这份研究报告重点关注德国本地的温室气体排放情况，并没有考虑到与其他国家的交互影响。相应地，德国出口商品生产造成的废气排放在这份报告中有所体现，而进口商品生产造成的废气排放则并不在考虑范围之内。

从图1可以看出，能源消耗引起的温室气体排放量已超过80%。这也是为什么德国大力推广节能降耗措施的原因，尤其是在热能消耗方面，这对提高减排力度影响很大。此外，实现可再生能源完全满足能源需求的目标也是非常有必要的。为实现目标，报告中也给出了供暖、交通电气化以及可再生能源的额外产能输出等模式设想。

为了降低利用生物质能可能产生的风险，德国联邦环境署将生物质能的利用范围仅限定在对农作物废弃物和残留物的利用。因此，生物质能产能的降低一方面催生了供热和交通系统向电气化方向发展；另一方面，也加速了利用可再生能源发电进行水电解制氢技术的实现，采用这样的技术，可以将产生的氢气用于合成沼气。随着“电转气”（即利用风电或光伏等可再生能源产生的电力将水电解为氢气和氧气，再用生成的氢气与二氧化碳反应产生甲烷）技术方案的应用，大幅降低能源消耗引起的温室气体排放，将更有望得以实现。采用这样的模式，可再生能源发电需求也会随之大幅增长。根据《德国2050 —“碳中和”国》的报告预测，到2050年德国全年用电需求总量将达到近3000TWh（见图2）。

由于德国水力发电和地热发电的发展潜力有限，基于这样的背景，报告中提出到2050年，风力发电和光伏发电将在能源供应系统里占据主导地位。从理论上讲，德国在实现全部电力供给由可再生能源提供方面有一定的技术潜能。然而，出于生态保护和经济发展的考虑，只有部分技术潜能可以化为现实，并得到可持续性地开发利用。因此在报告提出的设想模式中，有少部分可再生能源电力仍然需要从国外进口，但大部分电力供应还是由德国当地的光伏电站和风电场提供。本文下节内容将对德国的风能利用进行详尽细致的探讨。

德国风电发展的近期目标和长远规划

图1 德国1990年、2010年以及2050年“碳中和”模式下的温室气体排放量

图2 德国2050“碳中和”模式下能源流向的定性描述

德国的风电发展一直处于全球领先地位，风电装机容量占全球市场份额的10.6%，紧随中国、美国之后。到目前为止，德国已成功安装约23800台风电机组，总装机容量达34250MW。2014年，德国风力发电约占总发电量的8.6%。但是，德国陆上风电的装机容量要远超海上风电，出于对生态环境的保护，德国对海上风电的批准立项仅限于远离海岸的区域。因此，与其他国家陆上风电和海上风电的开发相比，德国风电的开发要更加困难，成本更加高昂。目前，德国风电的发展保持持续增长态势，但进展速度比预期要慢，海上风电的开发还要得到进一步重视。

在“碳中和”目标制定出炉前，德国联邦环境署2010年发布的名为《能源目标2050：100%可再生能源电力供应》的研究报告中，对2050年实现100%可再生能源供应就已提出了“区域网络模式”的设想。这项研究对全国范围内可再生能源的开发潜力，包括之前提到的“碳中和”模式下光伏、生物质能、水力发电以及地热能的利用进行了详细调研，并且考虑到了技术和环境等制约因素对潜力值估算的影响。按照“区域互联网”的模式，风电将可以覆盖德国1%的用电范围。这个范围内可以容纳60GW的装机容量，并且年产能将达到180TWh，海上风电的潜在产能也同样可观。陆上和海上风电的联合产能，将能够满足德国一半以上的电力需求，这还只是一个非常保守的预估。所以德国也正着手准备更加细致的调研，以更好开发海上风电的出力潜能，实现《德国2050－“碳中和”国》报告中设定的目标。

2013年发布的一份GIS（地理信息系统）研究报告，对德国风电的出力潜能给出了调研分析结果，明确地指出目前德国海上风电的出力潜能被大幅低估。按照调研报告给出的模式设想和所选取的技术先进的风电机组，理论上讲，风电将能够覆盖德国13.8%的用电范围。这个范围内可以容纳1200GW的装机容量，并且年产能达到2900TWh。然而，任何的结果分析都必须充分考虑到，各项模式设想下的具体情况是否能够以现实的方式呈现出来。首先，一些出于生态保护的考虑措施，对风电的出力潜能值估算会有一定影响，这点可暂时忽略。其次，报告中所选取的参考机组也是很重要的因素，因为其轮毂高度、风轮直径和额定功率都会对机组出力和设备可利用率产生直接影响。按照报告中选取的参考机组进行估算，其具有的先进技术优势可以使全国风电机组的年平均利用小时数升至2440小时。另外，选取的参考机组产生的低噪音排放，还可能会对一定范围内的居民区产生影响。这项研究报告的目的并不是对风电的可实现潜力给出准确的预估值。比如海上风电的可实现潜力实际上是明显被低估的，这是因为既要考虑到整体的经济架构设置，也要考虑到当地的接纳水平。对这些现实因素具体分析后，那么海上风电的产能将有可能满足德国未来很大一部分的能源需求，并在未来供热和交通系统电气化的过程中，地位更加凸显。

结论

德国联邦环境署认为，德国到2050年要实现“碳中和”目标，达到人均二氧化碳排放量降至1吨，在技术层面是完全可以实现的。即使是像德国这样的工业大国，在不降低生活标准的情况下，目标的实现可能性也非常大。2050年的模式设想中，一方面需要对效益产能进行充分利用；另一方面全国的能源需求包括供热和燃料需求等，都要完全依赖可再生能源，尤其是依靠风电和光伏的产能。为了实现供热和交通系统的碳减排目标，甚至完全实现“脱碳化”，利用“电转气”技术将可再生能源产生的电力转化为可燃气体将是重要的实现路径，由此也将带来对可再生能源电力需求的大幅增长。

从现有研究结果来看，德国海上风电的出力潜能目前被大幅低估。即使预估的潜能在化为现实的过程中还需考虑各种现实因素，但海上风电已经成为可再生能源发展的重要领域,成为推动能源结构调整的重要力量。

德国联邦环境署现已发布的研究报告，都是在讨论如何为德国未来的能源需求寻求及时的、操作性强的解决方案。然而，需要进一步研究分析的将是如何规划明确的转型路线。可以肯定的是，风能在未来德国能源供给的重要地位不容置疑。