德國聯(lián)邦環(huán)境部資助的一個(gè)研究項目表明，如果將可再生能源發(fā)電設施與蓄電系統和備用電廠(chǎng)等聯(lián)網(wǎng)，便可以在未來(lái)保障德國的電能供應。當然，這樣做要花費多少成本，則另當別論。

一個(gè)國家能不能*僅靠可再生能源發(fā)電來(lái)滿(mǎn)足其全部用電需求，同時(shí)還能保持電網(wǎng)穩定？來(lái)自弗勞恩霍夫研究所的研究人員（右圖）認為這不無(wú)可能。

對德國的電力用戶(hù)而言，2050年2月1日是個(gè)好日子。這一天，北部海岸刮起大風(fēng)，風(fēng)勢強勁，海上風(fēng)電場(chǎng)和安裝在陸地上的風(fēng)電機組，都卯足了勁，轉個(gè)不停。同時(shí)，這一天，還陽(yáng)光燦爛，主要分布在南部地區的光伏發(fā)電模塊，也在全力工作。在一間中央控制室的顯示屏上，工程師可以從一張圖表上看到，這一天的平均可再生能源發(fā)電量為8000萬(wàn)千瓦，正午時(shí)份的高發(fā)電量，則高達1.2億千瓦。

在這樣的場(chǎng)景中，僅靠利用風(fēng)力和陽(yáng)光等可再生能源生產(chǎn)的電能，便足以滿(mǎn)足整個(gè)德國的工業(yè)、貿易、商業(yè)和居家等用電需求。在德國，用電量大的是柏林、漢堡和魯爾地區的幾座城市。不過(guò)，歸功于新的輸電線(xiàn)路，像這樣的人口密集地區，也并未遇到任何麻煩。

如果有時(shí)候風(fēng)力不夠強勁，或者太陽(yáng)躲在云層之后，那么，采用甲烷和沼氣系統來(lái)發(fā)電的備用電廠(chǎng)，也將出現在這幅場(chǎng)景中——不過(guò)今天不需要它們出場(chǎng)?？刂剖依锏墓ぷ魅藛T認為，這是利用過(guò)剩電能為遍布全國的蓄電系統充電，以及利用“電轉氣”系統生產(chǎn)可輸送至天然氣管網(wǎng)或重新變?yōu)殡娔艿募淄闅怏w的理想日子。

一個(gè)幾乎*基于可再生能源的基礎設施，能不能像如今的礦物燃料電廠(chǎng)那樣，不論用電需求是增加還是減少，都能始終確保電網(wǎng)的穩定性和可靠性呢？換句話(huà)說(shuō)，技術(shù)解決方案，能不能擔起抵消風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電與生俱來(lái)的波動(dòng)性的重任？

在一個(gè)名為“聯(lián)合電廠(chǎng)”的合作項目中，科學(xué)家針對這些問(wèn)題給出了答案。西門(mén)子研究人員Philipp Wolfrum博士和Florian Steinke博士表示：“*采用可再生能源發(fā)電，是有可能實(shí)現電力平衡的。其中至關(guān)重要的因素是，借助面向分布式電廠(chǎng)的智能電能控制系統，在短的時(shí)間內作出積極而準確的響應。”這是從西門(mén)子中央研究院與來(lái)自科學(xué)界、商界的合作伙伴所共同開(kāi)展的模擬中得出的結論。

風(fēng)大，太陽(yáng)足?？刂葡到y工程師認為，原則上，到2050年，可再生能源發(fā)電廠(chǎng)確實(shí)可以保持德國電網(wǎng)的頻率和電壓的穩定，保證提供可靠的服務(wù)，同時(shí)也能生產(chǎn)出足夠的負荷均衡電能，在任何時(shí)刻，都能始終提供正好需要的發(fā)電量。在他們的研究項目中，他們假定風(fēng)力發(fā)電量占總發(fā)電量的大部分——在本例中，占比為60%。此外，光伏發(fā)電系統生產(chǎn)的電能約占五分之一，生物能占10%。其余10%則來(lái)自水力發(fā)電和地熱發(fā)電。

這種電能供應系統模型是基于這樣一個(gè)假設：年用電需求幾乎與當前一樣，即6000億度左右。模型涵蓋了額外的用電設備，如電動(dòng)汽車(chē)和新的蓄電系統，而且也考慮了德國聯(lián)邦政府所預期的能效提升，以及工業(yè)系統和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和需求管理的可能性。

這個(gè)模型還假設，德國聯(lián)邦政府擬于2032年實(shí)行的《網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)計劃》會(huì )如期實(shí)施，這樣一來(lái)，比如說(shuō)，未來(lái)的海上風(fēng)電場(chǎng)將并入電網(wǎng)，而且還將建造高壓直流輸電線(xiàn)路，主要用于從德國北部向南部，遠距離傳輸所生產(chǎn)的電能。

根據2007年的天氣和用電需求數據，研究人員按100米空間分辨率，逐小時(shí)估算了整個(gè)國家在一年內的發(fā)電量和需求量。弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統技術(shù)研究所（IWES）的專(zhuān)家進(jìn)行了廣泛深入的位置分析，包括地方局部發(fā)電的可能性，以查明新建風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的空間分布，以及可再生能源發(fā)電系統向電網(wǎng)輸送的電能、用電需求（包括負荷管理）、電廠(chǎng)和蓄電系統的使用等情況。

但這些分析本身并不足以證明電能供應是可靠且穩定的。如今，電網(wǎng)運營(yíng)商不得不保證所謂的“配套服務(wù)”。除維持穩定的頻率和電壓之外，還包括擁塞管理，以及在發(fā)生斷電時(shí)快速恢復供電。虛擬聯(lián)合電廠(chǎng)必須表明，它能隨時(shí)提供這些服務(wù)，它能平衡供應和需求，它能保持穩定的50赫茲頻率——這是歐洲通行的頻率值。這一點(diǎn)*，因為稍有偏差，就會(huì )導致電網(wǎng)崩潰。

通過(guò)模擬，項目合作伙伴得以確定發(fā)電峰值、發(fā)電量的過(guò)剩和不足、以及將這個(gè)系統置于情況下（如個(gè)別輸電線(xiàn)路故障時(shí)）會(huì )發(fā)生的情況。模擬結果表明，電壓和頻率的穩定性、擁塞管理以及服務(wù)可靠性等在所設想的未來(lái)系統中均可實(shí)現。然而，要達成這些目標，必須調整項目的一些技術(shù)條件。譬如，未來(lái)，光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)所采用的基于逆變器的發(fā)電機，應能更迅速地提供負荷均衡電能，其響應速度應比目前電力系統所要求的要快。這樣，才能進(jìn)一步確保電網(wǎng)穩定，從而補償當風(fēng)速緩慢甚或無(wú)風(fēng)時(shí)不可避免的發(fā)電量降低。

研究人員逐公頃、逐小時(shí)地分析了整個(gè)德國的發(fā)電和用電情況。

不過(guò)，項目合作伙伴開(kāi)展的研究并不于模擬——他們還在隨后的現場(chǎng)試驗中檢測了其可行性。在這個(gè)實(shí)驗中，他們將散布于德國各地的4座生物氣發(fā)電廠(chǎng)、36座風(fēng)電場(chǎng)和66座光伏電站連接起來(lái)。他們從設在卡塞爾的控制中心，對這些總發(fā)電量約為8萬(wàn)千瓦的電廠(chǎng)進(jìn)行管理。在這個(gè)基于可再生能源的聯(lián)合電廠(chǎng)中，合作伙伴測試了所能提出的各種方法。結果證明，可以將可再生能源發(fā)電廠(chǎng)作為一個(gè)電能池來(lái)管理，以滿(mǎn)足供應負荷均衡的電能的技術(shù)要求。

研究人員Wolfrum和Steinke表示：“歸功于現代化的逆變器和轉換器，太陽(yáng)能電站和風(fēng)電場(chǎng)，比直接并網(wǎng)發(fā)電的同步發(fā)電機提供了更大的自由空間。它們允許電壓、相位和頻率能被調節?？偠灾?，我們能夠證明，這個(gè)系統能保持穩定，以及如何保持穩定。”但兩位研究人員補充了一個(gè)限制條件：只有通過(guò)大規模擴建蓄電系統，才能成功實(shí)現計劃所設想的電能供應方式轉變。他們說(shuō)，這是抵消風(fēng)力發(fā)電量和光伏發(fā)電量季節性波動(dòng)的途徑。

需要大量蓄電裝置。鑒于此，西門(mén)子科學(xué)家也進(jìn)行了相應模擬，以計算出在其長(cháng)遠規劃中，如何優(yōu)化發(fā)電類(lèi)型、空間分布、蓄電裝置及靈活的發(fā)電設備的使用。對這些優(yōu)化的限制要求是必須時(shí)時(shí)刻刻、*所有負荷要求。如今，電力公司采用了抽水蓄能電站作為緩沖之計。其效率高達80%，但容量遠遠不夠滿(mǎn)足儲蓄大量電能之需。目前，德國所有抽水蓄能電站的總發(fā)電量，僅可滿(mǎn)足半小時(shí)的用電需求，但又沒(méi)有足夠多的地方適合建造更多這樣的蓄電設施。

所以，電轉氣工廠(chǎng)將扮演至關(guān)重要的角色。這些工廠(chǎng)可以利用可再生能源發(fā)電設施生產(chǎn)的過(guò)剩電能，通過(guò)被稱(chēng)為電解的化學(xué)工藝，將水分解為氫氣和氧氣。然后，可以將氫氣與二氧化碳（CO2）合成，制造出甲烷氣體。然后，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)可以直接利用由此制得的甲烷，重新生產(chǎn)出電能，其發(fā)電效率可達60%以上。此外，甲烷可以取代天然氣，輸送到公共燃氣管網(wǎng)中。研究指出，德國的天然氣管網(wǎng)，可以輕松應對儲蓄可再生能源發(fā)電設施生產(chǎn)的過(guò)剩電能的需求。

生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)將成為可再生能源發(fā)電經(jīng)濟的重要組成部分。

除燃氣電廠(chǎng)之外，生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)也能用作風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電站的有益補充。這兩種電廠(chǎng)都能快速靈活地作出響應，從而可用于抵消發(fā)電量波動(dòng)。然而，研究人員通過(guò)計算發(fā)現，這樣的電廠(chǎng)必須足夠多，其總發(fā)電容量才能夠滿(mǎn)足德國的大負荷。哪怕可以利用現有的燃氣電廠(chǎng)來(lái)作出響應，仍然要求增加建設總發(fā)電容量達數百萬(wàn)千瓦的新電廠(chǎng)，但如果這些電廠(chǎng)每年僅需運行幾百個(gè)小時(shí)，那么，這樣的投資將有待商榷。

Wolfrum說(shuō)：“譬如冬季，在沒(méi)有風(fēng)的陰天，這些電廠(chǎng)將作為儲備資源發(fā)揮作用，保證為德國全體居民供應電能。另一個(gè)挑戰在于蓄電系統管理。如果我知道什么時(shí)候是陰天或沒(méi)有風(fēng)，那么，我將提前幾天按適當的順序為各種不同類(lèi)型的蓄電系統充滿(mǎn)電，然后在需要電能的時(shí)候，以方式釋放其中儲蓄的電能。”項目合作伙伴還計算了，就電網(wǎng)擴建而言，需要什么樣的全國性可再生能源發(fā)電系統。計算數據表明，僅需在德國聯(lián)邦政府當前制定的《網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)計劃》的基礎上，適量擴建電網(wǎng)即可。鑒于這樣的計算結果，他們堅信，如果通過(guò)智能系統，將可再生能源發(fā)電廠(chǎng)、蓄電系統和生物氣發(fā)電廠(chǎng)等整合起來(lái)，德國真的可以*依靠可再生能源發(fā)電，來(lái)滿(mǎn)足其全部用電需求。

監測、調節、優(yōu)化。實(shí)現這一點(diǎn)的前提條件是，有一套功能強大的通信基礎設施，可用于實(shí)時(shí)監測和管理分布式可再生能源發(fā)電廠(chǎng)。盡管這樣一來(lái)，這種系統會(huì )變得更加復雜，但Steinke認為這是能夠做到的，“只要你能使有關(guān)電廠(chǎng)使用情況的預測和計算更加準確，成功的秘訣就是，可再生能源發(fā)電廠(chǎng)、優(yōu)化的技術(shù)及適當的管理方法的正確組合。”

總之，這個(gè)宏大計劃的關(guān)鍵特性并不是可再生能源，必須改變的主要是發(fā)電和輸配電資源的結構和組織。Wolfrum和Steinke指出：“只有通過(guò)擴建電網(wǎng)及其所有組成部分、建設蓄電系統、調整平衡電能市場(chǎng)的基本框架，才可能實(shí)現可持續發(fā)展的能源供應轉型。這是因為，目前具有波動(dòng)性的能源資源尚不能參與其中。由于只能提前很短時(shí)間，預測何時(shí)會(huì )向電網(wǎng)輸送利用可再生能源生產(chǎn)的電能，因此所需的投標期限和交付周期也相應地縮短了。”

“我們認為，在今后的40年內，目前德國使用初級能源的成本將逐步降為零。”

盡管從企業(yè)管理的角度而言，或許難以對本文所列舉的、這種*利用可再生能源發(fā)電來(lái)供應電能的系統的各個(gè)組成部分逐一進(jìn)行考察，但在Hoffmann教授看來(lái)，其總體經(jīng)濟成本效益是確鑿無(wú)疑的。Hoffmann教授是坐落于卡塞爾的弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統技術(shù)研究所的所長(cháng)，他說(shuō)：“我們認為，實(shí)際上在今后的40年內，目前德國使用礦物燃料初級能源的成本——即每年花費830億歐元用于采購石油、煤炭和天然氣——將逐步降為零。根據我們的計算，今后15到20年內將達到盈虧平衡點(diǎn)，也就是說(shuō)，到那時(shí)候，擴建可再生能源發(fā)電設施的成本與礦物燃料能源的采購成本之和，將低于當前的初級能源成本。”

此外，弗勞恩霍夫風(fēng)電和電力系統技術(shù)研究所的研究人員所進(jìn)行的分析，不僅涵蓋了電力行業(yè)，而且還包含了供暖和交通領(lǐng)域。專(zhuān)家們也看到了電動(dòng)交通、客運和重型貨運（如無(wú)軌電機車(chē)）等領(lǐng)域存在的潛力。他們認為，熱泵應當能滿(mǎn)足75%左右的低溫供熱需求，并且應在工業(yè)領(lǐng)域增加使用電轉熱技術(shù)。此外，他們指出，通過(guò)采取提高能效的舉措，包括建筑物隔熱和安裝更好的供暖系統，可將用電需求減少25%。