德国能源转型地图——能源转型需要广泛发动群众

文 | 本刊特约评论员 杨守斌，何继江

在《巴黎气候协定》中，国际社会决定到2050年将全球平均气温增幅限制在2摄氏度以内。为实现这一目标，工业化国家需要寻找能源转型路径，调整能源供应系统结构。自21世纪以来，作为能源转型的先锋国家，也是电力供应系统改革的先驱，德国的可再生能源电力供应份额已经从约5%上升至36.1%（2017年电力系统中最大的组成部分），大量的能源创新技术已经在该国众多的研究和实践项目中经受检验。

德国能源转型过程中具体的温室气体减排和能效提升目标为：2050年的温室气体排放量比2008年减少80%～95%；一次能源使用量减少50%；电力消费量减少25%；建筑能耗减少80%；交通能耗减少40%。截至2015年，德国已实现减排7.2%，其中建筑能效提升最为显著，能源消耗已经减少14.7%。作为能源转型的重要手段，可再生能源的发展得到德国政府的大力支持。截至2017年，可再生能源在能源结构中占比13.1%，其中在电力系统占比达到36.1%，在热力系统与交通领域分别达到12.9%、5.2%。

过去，德国的能源供应系统高度依赖化石燃料与核能。由于该国国内能源资源并不丰富，能源对外依存度超过50%（能源安全受到威胁），电力系统主要依靠大型的集中式化石燃料发电厂和核电厂。化石能源的开采和使用造成巨大的环境破坏。此外，德国的交通运输行业几乎完全依赖于对气候有害的化石能源产品。建筑领域的建筑物隔热性能不佳，存在大量浪费能源的现象。

为实现能源转型，德国政府积极探索相关路径，并描绘出属于自己的、理想的未来能源系统与实施路径：在这套系统中，分布式电源会成为主流，消费者将优先购买光伏和风电所发的电；在转型的过渡阶段，分布式燃气系统使用常规天然气，未来则会使用甲烷气；通过电气转化技术实现可再生能源的长期存储；通过无人驾驶技术和交通电气化实现零碳交通；通过智能电网实现能源供应的本土化和可再生；通过能效提升以及区域绿色电力供应实现建筑对化石能源的零能耗；通过可再生能源开发解决就业，并成为新的经济增长点。

德国政府为实现上述能源转型远景，大力推动可再生能源发展，设定了2030年的可再生能源发展目标：在电力系统中占67.7%，在热力系统中占36.4%，在交通领域占24%。并根据德国的资源禀赋具化设定了表1所示的光伏、光热、海上风电、陆上风电、P2G（电转气）等可再生能源技术在交通、供热、供电等领域的使用占比。在德国，绿色电力的最大份额来自风能和太阳能。同时，太阳能还能够在德国的供热系统中发挥一定作用。本文将概述德国在利用风能和太阳能方面的现状与展望。

表1 2030年德国各类可再生能源技术在交通、供热、供电领域的使用占比

风能

根据风电咨询机构AL-PRO测算，德国在海岸线上的风能资源最为丰富。但是随着近年来风电机组技术的进步，德国南部的风能资源也具备开发价值，只需要根据具体的资源情况选择适合的机组即可。

根据Fraunhofer整理的数据，截至2016年，德国的风电发电量已经占该国全年总电量的14.3%。在装机方面，德国的海上风电累计装机达到413万千瓦、陆上风电则为4480万千瓦。图1所示为截至2016年德国各个州的陆上风电装机情况，北部靠海的州的装机量明显高于内陆。但随着技术的进步，风电开发的潜力远不止于此。一方面，许多旧设施可以由少数先进的高性能风电机组取代，这意味着用数量更少、性能更好的机组，能够生产出更多的电力；另一方面，随着机组技术的进步以及布机方式的优化，机组之间的间距将会减少，由此将提高单位土地面积的装机量，并相应增加发电量。

目前，风电在单位占地面积上的发电量已经高于褐煤。以Garzweiler II褐煤露天矿为例，将该矿区每年产出的褐煤折算为发电量后可以看出，其单位占地面积的发电量约为730万千瓦时/公顷，远远低于风电机组的2250万千瓦时/公顷（只计算机组基础的占地面积)。同时，褐煤是一种严重影响环境的化石能源。一方面，它的二氧化碳排放水平高于一般烟煤和天然气，对气候变化产生重要影响；另一方面，在褐煤开采过程中，区域地下水位大幅度降低，严重影响地质安全。

市场研究机构TNS在2016年进行的一项调查显示，受多重因素影响，93%的德国人赞成扩大可再生能源的使用。然而，要推动可再生能源的进一步发展，还必须获得民众的更多支持。以德国南部巴伐利亚自由州为例，在这里，机组与最近居民区的距离不得低于机组高度的十倍。按照目前的水平计算，这一避让距离（Setback Distance）标准大约为2000米，严重影响风能资源利用。根据测算，如果能够获得更多民众的支持，如图2所示，将避让距离标准由2000米分别降至1200米、1000米，风电机组装机容量潜力将分别增加24倍、61倍1：该测算结果仅供参考，需要根据环境保护和风力预测进行更加细致的测算。。而民众的支持源于信息透明和普及教育。教育则需要从小抓起，从幼儿园抓起。

此外，根据统计，2016年，德国风电开发用地面积为23万公顷，但如果仅计算基础的用地面积，则为2300公顷。实际上，机组之间的土地可以用于农业等综合利用，所以，并不存在明显的土地占用问题。

太阳能光伏利用

图1 截至2016年德国各州陆上风电装机情况（单位：MW）

图2 不同避让距离标准下的风电装机容量

根据测算，德国的太阳辐射量在900～1200kWh/m2之间，虽然低于南欧或非洲，但仍足够对德国的热力和电力供应作出重大贡献。在光伏发电方面，截至2016年，德国太阳能光伏装机达到4090万千瓦。如图3所示，超过1/4的装机位于巴伐利亚自由州，这里的许多居民利用屋顶装上光伏发电。图3中的装机潜力则显示，德国在光伏发电方面还有充足的潜力可以进行挖掘。以奥斯纳布吕克市为例，该市政府启动了运用激光扫描技术测量屋顶太阳能利用潜力的评估项目，使其在2008年成为欧洲第一个具有太阳能资源地图的城市。在该项目中，共测量了奥斯纳布吕克市73430座建筑物中的69759座，其中非常适合进行太阳能开发的建筑达到27500座（占总建筑物的37%）。如果这些建筑全都装上光伏设备的话，所发电量大约为2.49亿千瓦时，大于奥斯纳布吕克全市的用电量——2.32亿千瓦时。居民则可以使用在线工具了解自家屋顶上的太阳能可利用量，以便进行投资决策。目前，超过400个城镇采用了奥斯纳布吕克市的做法。

除了户用建筑光伏，德国也开发地面光伏电站。该国约有35万公顷的已经退役或即将退役的军事用地。虽然该类地区通常是自然保护区，但存在足够的空间用于太阳能开发。同时，新的商业模式开拓使其仍有较大潜力。例如利伯贝尔太阳能电站不仅通过生产清洁能源获得稳定收益，同时利用电站投资者一次性支付的500万欧元以及土地租金用于军事基地危险弹药清理和环境修复，是高科技与生态环境主动保护相结合的成功典范。

太阳能热利用

在德国，太阳能热利用装置主要用于加热洗涤和淋浴用水或用于空间加热。另外，也可以使用热驱制冷机组通过太阳能来进行制冷，这将能够有效降低空调的用电量。这项技术最大的优势在于供冷需求和太阳辐射之间存在相关性，越是阳光明媚，对冷却的需求也越高。同时，该机组可以在冬季进行供热，有效节约了系统成本。

以柏林为例，如图4所示，该市通过能源地图项目对可开发的建筑物屋顶面进行调查分析。民众可以通过网站轻松查询到自家屋顶所能安装的太阳能设施的发电量或者产热量，同时可以了解到对应的CO2减排量与投资成本。作为太阳能供热的试点项目区域——Friedrichstrasse占地1000公顷，共有5837栋建筑物，其中的3926座建筑（屋顶面积为71公顷）适合进行太阳能热利用。一般10m2的太阳能集热器每年能够产生大约4500千瓦时的热量，相当于平均家庭年采暖需求的1/5。虽然德国可用于太阳能开发的建筑面积达到23440公顷，但到目前为止只有一小部分（约1990公顷）用于太阳能热利用，仅占总量的0.85%。

图3 截至2016年德国各州光伏装机（左，单位：MW）以及屋顶光伏装机潜力（右，单位：MW）

图4 柏林的屋顶光伏开发潜力

图5 德国太阳能区域热利用项目

地面供热站是德国太阳能热利用的另一种方式。如图5所示，德国目前在运行的太阳能区域供热工程面积达到49450m2，正在建设的为5000m2，准备建设的为32900m2。其中，德国最大的太阳能供热站位于森夫滕贝格（Senftenberg），于2016年9月开始运行。该供热站占地约2.2公顷，拥有1680个集热管。按年平均1700小时的日照时间，预计每年将产生400万千瓦时的热量，在夏季几乎完全覆盖基本负荷。该系统取代了旧式粉煤燃烧锅炉为10000多名居民供暖。

德国政府对绿色、低碳、环保的宣传力度大，绿色能源企业的营销手段高明，通过传导绿色可再生能源价值观，渗透至民众对于可再生能源的认识，并通过能源地图等方式分析可再生能源投资收益。自2011年日本福岛核电站灾难发生以来，德国全社会和各党派就弃核问题达成了共识。由传统能源向可再生能源转型也已经并将继续得到德国人民的广泛支持，超过90%的德国人赞成进一步扩大可再生能源。现阶段，有接近一半的可再生能源发电设施属于群众。在未来，德国将有越来越多的房屋和社区能够完全从居民自有的可再生能源系统中满足自我的能源需求。对于中国来说，虽然国家的政策能够树立能源转型的旗帜，但提升人民群众对于未来能源转型的认知也许才是推动可再生能源发展的关键之一。