丹麦分布式能源发展之路

文 | Preben Maegaard

编译 | 张玥

未来，可再生能源将成为全球能源供给的主要来源已是不可忽视的事实。随着化石能源的日益枯竭以及核能成本的持续上涨，可再生能源的介入为解决能源需求提供了更为灵活的选择。然而，可再生能源的发展也面临着巨大挑战，其发电出力的波动性势必需要一个全新的电力系统来适应。就风电和太阳能来说，一些技术成熟的有效集成解决方案在其波动性的适应上已卓有成效。

在可再生能源集成解决方案的研究上，丹麦一直走在世界前沿，尤其是热电联产方式的区域集中供热供冷系统的运营更是非常成功，其模式也值得推广。本文围绕丹麦能源尤其是分布式可再生能源以及能源集成解决方案等方面展开讨论。

Preben Maegaard，是丹麦乃至世界可再生能源研究方面的先驱，曾获得丹麦及欧洲多项可再生能源奖。自1983年以来，担任北欧可再生能源中心主任。自2001年以来，担任世界可再生能源理事会主席委员会成员。2001年至2004年，担任世界风能协会（WWEA）主席。

能源系统的变革

随着气候变化和资源稀缺的加剧，全球能源系统也处在大变革的边缘。为了大幅降低二氧化碳排放量，建立一套基于可再生能源充分利用的能源系统是十分必要的。毋庸置疑的是，在未来的20或30年间，全球能源系统将会与现有能源系统大有不同。向未来可持续能源过渡的技术模块已经以分散式热电站、风力发电、大、小型沼气厂、太阳能、各类生物质能以及水力发电等形式存在。因此，当下首要的任务就是整合这些不同形式的可再生能源（可借助天然气），以最大限度地提高可再生能源的利用率，因为任何单一形式的可再生能源都不可能孤立发展。未来可再生能源的集成转化，需要对各种形式的可再生能源设施，包括大型和小型发电厂，进行重组利用。只基于当前成本低廉的技术开发是远远不够的，有可能导致诸如大型风电机组的单向利用等问题，因此必须采取多方措施，如建立多样化供应系统、能源储存和节能机制，包括合理的用户管理策略等。

大多数国家长期依赖于以化石能源为主导的能源体系，制约了波动出力的太阳能和风电形成长效的自主系统。如此形成的后果之一是，电力过剩时可再生能源就处于闲置、甚至白白浪费掉的状态。在风电占比较大的地区，由于当地电网接纳能力不足，机组经常间歇性启停。同样地，当热电联产（CHP）的产能与风电产能一样过剩时，就会出现额外的剩余电力。随着越来越多的风电并入电网，加上热电联产系统利用率的提高，这类问题的出现也会日益频繁。实践证明，电锅炉和热泵利用风电的过剩产能进行供热、供冷是一种成本较低的解决方案，丹麦的能源体系也可以很好地适应这种产能利用方式。电力供需失衡意味着风电、太阳能和热电联产等发电出力占比较大时，会周期性地出现产能过剩的问题，但其实这是可避免的。适当的公共电力管控就能够很好地解决波动性发电出力的问题，比如采取一些激励措施，如合理利用所谓的过剩电力，避免周期性的低价电力出售，在强风区建立与电力供应峰值匹配的主输电线路和集成系统等。

在2012年3月的能源协议中，丹麦政府计划于2020年实现风电占全国电力供应50%的目标，这就加大了对风电场成功建设施行中可能遇到的选址和其他问题的关注。根据这项能源协议，2020年丹麦将新增海上风电装机容量1800MW，新增近海风电容量500MW，新增陆上风电容量1000MW，这就意味着风电装机的大规模增长。截至2014年，丹麦风力发电已满足全国34%的电力需求，到2020年将会达到50%。在用电低峰期和高风速时段，风力发电完全可以满足全部的用电需求，按当地水平换算，风电占比也许会达到实际电力消费的400%。强大的跨国电力互补仍然对丹麦的电力上调和下调政策起着至关重要的作用，然而这也许只是短期的解决方案，作为当下过剩电力的进口国很可能在未来对购买邻国电力失去兴趣，因为丹麦也考虑到，这样做只会增加邻国的可再生能源利用比。

现有的储能系统虽然种类多样，但可投入使用并且有商业利用价值的只有少数。而且，这些储能技术是集中式应用还是分散式应用则需要结合各自的投资额，损失量以及发展潜能进行综合比对才能得出。储能方案的选取也需结合各自的局限性、环境影响度、地势需求、应用重点、投资复杂性以及效益等方面综合考虑。而且，储能技术还要达到容量、灵活度、响应时间以及成本效益的最优化。

目前，类似电解制氢、制气、海水淡化等技术的风电就地消纳方案正不断涌现。本文下节将根据一些先驱国家（以丹麦为例）所面临的各种新型电源管理的需求和挑战，重点放在对可再生能源的应用以及电力平衡的技术解决方案上。除了储能技术，用于供热、供冷的水力发电和生物质发电与供热供冷的结合应用也将作为操作性高的辅助解决方案来讨论。从全球范围来看，这些方案的应用虽然有限，但是随着可再生能源的持续增长，电力供热供冷系统的构建似乎是必不可少的。

图1 丹麦风电装机容量统计以及风电占国内电力需求的比例图

图2 各类能源的发电比例图

图3 热电联产系统示意图

丹麦能源发展简史

丹麦以其风电产业和大规模的风力发电闻名于世界。从长远来看，区域供暖加上热电联产（CHP）的模式非常重要，这种转变也是减少丹麦二氧化碳排放量的重点举措。然而，CHP要达到满足60%的电力需求以及70%的供热需求，就需要建立一套逐渐过渡到完全由可再生能源供给的公共基础设施。

丹麦用了大约10年的时间，大幅实现了由低能效、集中式、利用化石能源发电向区域自主发电、电力消费者自有发电的转变。巧合地是，这种转变花费的时间相当于建造一个核电站的时间。丹麦一直没有、未来也不会有建立核电站的计划，早在1985年，丹麦的国家能源计划书中就已将核能发电计划剔除。

在30年的经济发展中，丹麦一直保持着能源供给的稳定性。在此期间，国家对小型热电联产项目以及可再生能源有了了解并给予了支持。1975年－2000年，丹麦已经减少了30%用于住宅供暖的化石能源消费。在1975年还处于100%依赖石油为主要能源供给的丹麦，在同期也已经通过各种方式将化石能源的消费降低到40%，能源消费种类也变得多样化，包括对石油、煤炭、天然气以及可再生能源的利用。整个这段时期，全国能源的总消耗量相当于2000万吨燃油消耗量。

20世纪90年代，热电联产（CHP）在丹麦的城镇、村庄以及150处住宅落户，小型CHP则与区域供暖系统结合起来。热电联产电厂包括一个或者多个CHP单元，高负荷锅炉以及储热系统。热电联产单元一般由发动机、燃气轮机（有些是蒸汽轮机）或者循环发电机组组成。

电力波动性供给的解决

在热能需求高峰以及大风时段，CHP加上风力发电联合并入电网的电量要远大于消费者需求电量。在这种情况下，CHP就不仅是提供电量，而更需要通过集中供热系统向消费者提供热能，发的电可以看做是一种副产品。

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风力发电向电网输送的电量多少是由盛行风决定的，并且与CHP和太阳能发电共同向同一个电网系统输送电力。对于现有电网来说，早期风电和太阳能发电在平衡电力供给方面不存在需要特殊解决的问题。而风电占比一旦超过20%或者更多，那就必须有相应的应对举措。如果说每年风电都占电力供应的20%,那就意味着在很多时刻甚至很长天数内，风电都可以完全满足实际的电力需求。在风电装机高度集中的地区，风电就可以保证该地区的基本用电负荷。

为了电力供需的总体平衡，可采取如下措施：

a.储存电力以备风电和太阳能供电不足时使用

b.间歇性停止部分风电机组的运行

c.向邻国输送电力

d.鼓励电力需求侧管理机制的应用

e.寻找可再生能源在工业用电和供冷供热用电方面的创新利用法

向邻国输送电力需要长距离传输线路架设等巨额投资，因此并不是一个长期的解决方案。大风区有时处在跨境区，因此丹麦的邻国在大风期也会扩大风电出力。根据税率的差异，丹麦可以鼓励工业用电和家庭用电方式的转变，如根据供电情况，操作定制机器、在夜间洗衣服、给电动汽车充放电等方法调节电力供应。然而，改变消费者的习惯还是有一定的局限性。比如，电动车车主可能更愿意在早晨开着充满电的车离开，而不愿意为省几分钱避开用电高峰期。

丹麦有600个分散式燃气CHP可以在几分钟内完成启停，因此他们可以很好地适应可再生能源的波动性。相反地，传统的火电站以及核电站等则可能需要几个小时甚至一天完成启停。分散式供电系统只能尽力构建一个完善的供电系统以应对国家的电力管制。作为丹麦电力供应国有运营商，Energinet.dk计划将国家供电系统分散成50000－100000个小系统，每个小系统都是基于当地的风电和CHP的电力自给系统，这将充分发挥分散式和多样化电力系统的优势。

图4 电热锅炉图

图5 燃气CHP图

图6 CHP在丹麦福堡的应用

可再生能源发电与供热的结合将会逐渐增大风电和太阳能在电力系统中的占比，因为在温和气候区，供热需求要远超电力需求的两倍之多。随着热水冷却（安装热能驱动的吸收式热泵）使用率的提高，其不仅在温和气候区的使用更为现实，在风电和太阳能发电出力与当地CHP的结合利用上也将更为普遍、灵活。因此供热、供冷与热水的需求可能成为风电和太阳能发电的最大产能出口。而且，这种利用形式的初始投资也很低，尤其是当地的区域性供热供冷网络已经处于施用中。同时，新的集中供热系统的构成也是技术成熟、成本较低、效能较高的一种解决方案，也将为100%可再生能源发电出力提供管理上的灵活性。在某些抽水蓄能利用广泛能地区，这也成为优先的解决方案，但是也会因地形条件的不同而受到一定的局限性。

风电和太阳能可以作为能源供应的主要来源，而成本低、易存储的生物质能可以作为理想的备用能源。而且，在风电和太阳能充足的情况下，生物质能也不应被白白消耗掉。从环境友好和经济发展两方面看，风电的过剩产能转化为区域供暖和热水储存的价值与替代燃料的消耗价值相当，可以说除了将多余电力低价输送到邻国外，这是一种最优解决方案。

上调和下调政策的实施

风电和太阳能不能独立承担持续的电力供给。未来的能源供给方案将完全由波动性的可再生能源为主导，那么以下这三种典型情况的调节方案则可满足实际的电力需求：

a 风电和太阳能产能过高；则需下调措施，如将剩余电力转化、储存或者出口；

b 风电和太阳能产能过低；则需上调措施，如使用储备电力或者向邻国进口电力；

c 风电和太阳能无产能；则全部的电力供应由储备电力和进口电力来满足。

风电和太阳能是未来可再生能源集成系统的基石，然而其波动性需要电力消费者的适应，并且需要其他能源或储能方式作为备用供给。当前的很多储能方案都具有可行性，但各自在技术、媒介和成本上大有不同。这些不同类型的储能方式要满足供电、供热和供冷的集成供给，重点还要看各自的灵活性和反应时间。