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        德國(guó)能源轉(zhuǎn)型地圖
        ——能源轉(zhuǎn)型需要廣泛發(fā)動(dòng)群眾

        2018-08-20 03:55:38楊守斌何繼江
        風(fēng)能 2018年4期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)型

        文 | 本刊特約評(píng)論員 楊守斌,何繼江

        在《巴黎氣候協(xié)定》中,國(guó)際社會(huì)決定到2050年將全球平均氣溫增幅限制在2攝氏度以內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),工業(yè)化國(guó)家需要尋找能源轉(zhuǎn)型路徑,調(diào)整能源供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自21世紀(jì)以來(lái),作為能源轉(zhuǎn)型的先鋒國(guó)家,也是電力供應(yīng)系統(tǒng)改革的先驅(qū),德國(guó)的可再生能源電力供應(yīng)份額已經(jīng)從約5%上升至36.1%(2017年電力系統(tǒng)中最大的組成部分),大量的能源創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)在該國(guó)眾多的研究和實(shí)踐項(xiàng)目中經(jīng)受檢驗(yàn)。

        德國(guó)能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中具體的溫室氣體減排和能效提升目標(biāo)為:2050年的溫室氣體排放量比2008年減少80%~95%;一次能源使用量減少50%;電力消費(fèi)量減少25%;建筑能耗減少80%;交通能耗減少40%。截至2015年,德國(guó)已實(shí)現(xiàn)減排7.2%,其中建筑能效提升最為顯著,能源消耗已經(jīng)減少14.7%。作為能源轉(zhuǎn)型的重要手段,可再生能源的發(fā)展得到德國(guó)政府的大力支持。截至2017年,可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比13.1%,其中在電力系統(tǒng)占比達(dá)到36.1%,在熱力系統(tǒng)與交通領(lǐng)域分別達(dá)到12.9%、5.2%。

        過(guò)去,德國(guó)的能源供應(yīng)系統(tǒng)高度依賴化石燃料與核能。由于該國(guó)國(guó)內(nèi)能源資源并不豐富,能源對(duì)外依存度超過(guò)50%(能源安全受到威脅),電力系統(tǒng)主要依靠大型的集中式化石燃料發(fā)電廠和核電廠?;茉吹拈_采和使用造成巨大的環(huán)境破壞。此外,德國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)幾乎完全依賴于對(duì)氣候有害的化石能源產(chǎn)品。建筑領(lǐng)域的建筑物隔熱性能不佳,存在大量浪費(fèi)能源的現(xiàn)象。

        為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型,德國(guó)政府積極探索相關(guān)路徑,并描繪出屬于自己的、理想的未來(lái)能源系統(tǒng)與實(shí)施路徑:在這套系統(tǒng)中,分布式電源會(huì)成為主流,消費(fèi)者將優(yōu)先購(gòu)買光伏和風(fēng)電所發(fā)的電;在轉(zhuǎn)型的過(guò)渡階段,分布式燃?xì)庀到y(tǒng)使用常規(guī)天然氣,未來(lái)則會(huì)使用甲烷氣;通過(guò)電氣轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ);通過(guò)無(wú)人駕駛技術(shù)和交通電氣化實(shí)現(xiàn)零碳交通;通過(guò)智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的本土化和可再生;通過(guò)能效提升以及區(qū)域綠色電力供應(yīng)實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)化石能源的零能耗;通過(guò)可再生能源開發(fā)解決就業(yè),并成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

        德國(guó)政府為實(shí)現(xiàn)上述能源轉(zhuǎn)型遠(yuǎn)景,大力推動(dòng)可再生能源發(fā)展,設(shè)定了2030年的可再生能源發(fā)展目標(biāo):在電力系統(tǒng)中占67.7%,在熱力系統(tǒng)中占36.4%,在交通領(lǐng)域占24%。并根據(jù)德國(guó)的資源稟賦具化設(shè)定了表1所示的光伏、光熱、海上風(fēng)電、陸上風(fēng)電、P2G(電轉(zhuǎn)氣)等可再生能源技術(shù)在交通、供熱、供電等領(lǐng)域的使用占比。在德國(guó),綠色電力的最大份額來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能。同時(shí),太陽(yáng)能還能夠在德國(guó)的供熱系統(tǒng)中發(fā)揮一定作用。本文將概述德國(guó)在利用風(fēng)能和太陽(yáng)能方面的現(xiàn)狀與展望。

        表1 2030年德國(guó)各類可再生能源技術(shù)在交通、供熱、供電領(lǐng)域的使用占比

        風(fēng)能

        根據(jù)風(fēng)電咨詢機(jī)構(gòu)AL-PRO測(cè)算,德國(guó)在海岸線上的風(fēng)能資源最為豐富。但是隨著近年來(lái)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步,德國(guó)南部的風(fēng)能資源也具備開發(fā)價(jià)值,只需要根據(jù)具體的資源情況選擇適合的機(jī)組即可。

        根據(jù)Fraunhofer整理的數(shù)據(jù),截至2016年,德國(guó)的風(fēng)電發(fā)電量已經(jīng)占該國(guó)全年總電量的14.3%。在裝機(jī)方面,德國(guó)的海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到413萬(wàn)千瓦、陸上風(fēng)電則為4480萬(wàn)千瓦。圖1所示為截至2016年德國(guó)各個(gè)州的陸上風(fēng)電裝機(jī)情況,北部靠海的州的裝機(jī)量明顯高于內(nèi)陸。但隨著技術(shù)的進(jìn)步,風(fēng)電開發(fā)的潛力遠(yuǎn)不止于此。一方面,許多舊設(shè)施可以由少數(shù)先進(jìn)的高性能風(fēng)電機(jī)組取代,這意味著用數(shù)量更少、性能更好的機(jī)組,能夠生產(chǎn)出更多的電力;另一方面,隨著機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步以及布機(jī)方式的優(yōu)化,機(jī)組之間的間距將會(huì)減少,由此將提高單位土地面積的裝機(jī)量,并相應(yīng)增加發(fā)電量。

        目前,風(fēng)電在單位占地面積上的發(fā)電量已經(jīng)高于褐煤。以Garzweiler II褐煤露天礦為例,將該礦區(qū)每年產(chǎn)出的褐煤折算為發(fā)電量后可以看出,其單位占地面積的發(fā)電量約為730萬(wàn)千瓦時(shí)/公頃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)電機(jī)組的2250萬(wàn)千瓦時(shí)/公頃(只計(jì)算機(jī)組基礎(chǔ)的占地面積)。同時(shí),褐煤是一種嚴(yán)重影響環(huán)境的化石能源。一方面,它的二氧化碳排放水平高于一般煙煤和天然氣,對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響;另一方面,在褐煤開采過(guò)程中,區(qū)域地下水位大幅度降低,嚴(yán)重影響地質(zhì)安全。

        市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)TNS在2016年進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示,受多重因素影響,93%的德國(guó)人贊成擴(kuò)大可再生能源的使用。然而,要推動(dòng)可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展,還必須獲得民眾的更多支持。以德國(guó)南部巴伐利亞自由州為例,在這里,機(jī)組與最近居民區(qū)的距離不得低于機(jī)組高度的十倍。按照目前的水平計(jì)算,這一避讓距離(Setback Distance)標(biāo)準(zhǔn)大約為2000米,嚴(yán)重影響風(fēng)能資源利用。根據(jù)測(cè)算,如果能夠獲得更多民眾的支持,如圖2所示,將避讓距離標(biāo)準(zhǔn)由2000米分別降至1200米、1000米,風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量潛力將分別增加24倍、61倍1:該測(cè)算結(jié)果僅供參考,需要根據(jù)環(huán)境保護(hù)和風(fēng)力預(yù)測(cè)進(jìn)行更加細(xì)致的測(cè)算。。而民眾的支持源于信息透明和普及教育。教育則需要從小抓起,從幼兒園抓起。

        此外,根據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年,德國(guó)風(fēng)電開發(fā)用地面積為23萬(wàn)公頃,但如果僅計(jì)算基礎(chǔ)的用地面積,則為2300公頃。實(shí)際上,機(jī)組之間的土地可以用于農(nóng)業(yè)等綜合利用,所以,并不存在明顯的土地占用問(wèn)題。

        太陽(yáng)能光伏利用

        圖1 截至2016年德國(guó)各州陸上風(fēng)電裝機(jī)情況(單位:MW)

        圖2 不同避讓距離標(biāo)準(zhǔn)下的風(fēng)電裝機(jī)容量

        根據(jù)測(cè)算,德國(guó)的太陽(yáng)輻射量在900~1200kWh/m2之間,雖然低于南歐或非洲,但仍足夠?qū)Φ聡?guó)的熱力和電力供應(yīng)作出重大貢獻(xiàn)。在光伏發(fā)電方面,截至2016年,德國(guó)太陽(yáng)能光伏裝機(jī)達(dá)到4090萬(wàn)千瓦。如圖3所示,超過(guò)1/4的裝機(jī)位于巴伐利亞自由州,這里的許多居民利用屋頂裝上光伏發(fā)電。圖3中的裝機(jī)潛力則顯示,德國(guó)在光伏發(fā)電方面還有充足的潛力可以進(jìn)行挖掘。以?shī)W斯納布呂克市為例,該市政府啟動(dòng)了運(yùn)用激光掃描技術(shù)測(cè)量屋頂太陽(yáng)能利用潛力的評(píng)估項(xiàng)目,使其在2008年成為歐洲第一個(gè)具有太陽(yáng)能資源地圖的城市。在該項(xiàng)目中,共測(cè)量了奧斯納布呂克市73430座建筑物中的69759座,其中非常適合進(jìn)行太陽(yáng)能開發(fā)的建筑達(dá)到27500座(占總建筑物的37%)。如果這些建筑全都裝上光伏設(shè)備的話,所發(fā)電量大約為2.49億千瓦時(shí),大于奧斯納布呂克全市的用電量——2.32億千瓦時(shí)。居民則可以使用在線工具了解自家屋頂上的太陽(yáng)能可利用量,以便進(jìn)行投資決策。目前,超過(guò)400個(gè)城鎮(zhèn)采用了奧斯納布呂克市的做法。

        除了戶用建筑光伏,德國(guó)也開發(fā)地面光伏電站。該國(guó)約有35萬(wàn)公頃的已經(jīng)退役或即將退役的軍事用地。雖然該類地區(qū)通常是自然保護(hù)區(qū),但存在足夠的空間用于太陽(yáng)能開發(fā)。同時(shí),新的商業(yè)模式開拓使其仍有較大潛力。例如利伯貝爾太陽(yáng)能電站不僅通過(guò)生產(chǎn)清潔能源獲得穩(wěn)定收益,同時(shí)利用電站投資者一次性支付的500萬(wàn)歐元以及土地租金用于軍事基地危險(xiǎn)彈藥清理和環(huán)境修復(fù),是高科技與生態(tài)環(huán)境主動(dòng)保護(hù)相結(jié)合的成功典范。

        太陽(yáng)能熱利用

        在德國(guó),太陽(yáng)能熱利用裝置主要用于加熱洗滌和淋浴用水或用于空間加熱。另外,也可以使用熱驅(qū)制冷機(jī)組通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)進(jìn)行制冷,這將能夠有效降低空調(diào)的用電量。這項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于供冷需求和太陽(yáng)輻射之間存在相關(guān)性,越是陽(yáng)光明媚,對(duì)冷卻的需求也越高。同時(shí),該機(jī)組可以在冬季進(jìn)行供熱,有效節(jié)約了系統(tǒng)成本。

        以柏林為例,如圖4所示,該市通過(guò)能源地圖項(xiàng)目對(duì)可開發(fā)的建筑物屋頂面進(jìn)行調(diào)查分析。民眾可以通過(guò)網(wǎng)站輕松查詢到自家屋頂所能安裝的太陽(yáng)能設(shè)施的發(fā)電量或者產(chǎn)熱量,同時(shí)可以了解到對(duì)應(yīng)的CO2減排量與投資成本。作為太陽(yáng)能供熱的試點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)域——Friedrichstrasse占地1000公頃,共有5837棟建筑物,其中的3926座建筑(屋頂面積為71公頃)適合進(jìn)行太陽(yáng)能熱利用。一般10m2的太陽(yáng)能集熱器每年能夠產(chǎn)生大約4500千瓦時(shí)的熱量,相當(dāng)于平均家庭年采暖需求的1/5。雖然德國(guó)可用于太陽(yáng)能開發(fā)的建筑面積達(dá)到23440公頃,但到目前為止只有一小部分(約1990公頃)用于太陽(yáng)能熱利用,僅占總量的0.85%。

        圖3 截至2016年德國(guó)各州光伏裝機(jī)(左,單位:MW)以及屋頂光伏裝機(jī)潛力(右,單位:MW)

        圖4 柏林的屋頂光伏開發(fā)潛力

        圖5 德國(guó)太陽(yáng)能區(qū)域熱利用項(xiàng)目

        地面供熱站是德國(guó)太陽(yáng)能熱利用的另一種方式。如圖5所示,德國(guó)目前在運(yùn)行的太陽(yáng)能區(qū)域供熱工程面積達(dá)到49450m2,正在建設(shè)的為5000m2,準(zhǔn)備建設(shè)的為32900m2。其中,德國(guó)最大的太陽(yáng)能供熱站位于森夫滕貝格(Senftenberg),于2016年9月開始運(yùn)行。該供熱站占地約2.2公頃,擁有1680個(gè)集熱管。按年平均1700小時(shí)的日照時(shí)間,預(yù)計(jì)每年將產(chǎn)生400萬(wàn)千瓦時(shí)的熱量,在夏季幾乎完全覆蓋基本負(fù)荷。該系統(tǒng)取代了舊式粉煤燃燒鍋爐為10000多名居民供暖。

        德國(guó)政府對(duì)綠色、低碳、環(huán)保的宣傳力度大,綠色能源企業(yè)的營(yíng)銷手段高明,通過(guò)傳導(dǎo)綠色可再生能源價(jià)值觀,滲透至民眾對(duì)于可再生能源的認(rèn)識(shí),并通過(guò)能源地圖等方式分析可再生能源投資收益。自2011年日本福島核電站災(zāi)難發(fā)生以來(lái),德國(guó)全社會(huì)和各黨派就棄核問(wèn)題達(dá)成了共識(shí)。由傳統(tǒng)能源向可再生能源轉(zhuǎn)型也已經(jīng)并將繼續(xù)得到德國(guó)人民的廣泛支持,超過(guò)90%的德國(guó)人贊成進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源?,F(xiàn)階段,有接近一半的可再生能源發(fā)電設(shè)施屬于群眾。在未來(lái),德國(guó)將有越來(lái)越多的房屋和社區(qū)能夠完全從居民自有的可再生能源系統(tǒng)中滿足自我的能源需求。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),雖然國(guó)家的政策能夠樹立能源轉(zhuǎn)型的旗幟,但提升人民群眾對(duì)于未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的認(rèn)知也許才是推動(dòng)可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵之一。

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