未來(lái)，可再生能源將成為全球能源供給的主要來(lái)源，這已是不可忽視的事實(shí)。隨著化石能源的日益枯竭以及核能成本的持續(xù)上漲，可再生能源的介入為解決能源需求提供了更為靈活的選擇。然而，可再生能源的發(fā)展也面臨著挑戰(zhàn)，其發(fā)電出力的波動(dòng)性勢(shì)必需要一個(gè)全新的電力系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)。就風(fēng)能和太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，一些技術(shù)成熟的有效集成解決方案在其波動(dòng)性的適應(yīng)上已卓有成效。

在可再生能源集成解決方案的研究上，丹麥一直走在世界前沿，尤其是熱電聯(lián)產(chǎn)方式的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)更是非常成功，其模式也值得推廣。

能源系統(tǒng)的變革

隨著氣候變化和資源稀缺的加劇，全球能源系統(tǒng)也處在大變革的邊緣。為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統(tǒng)是十分必要的。毋庸置疑的是，在未來(lái)，全球能源系統(tǒng)將會(huì)與現(xiàn)有能源系統(tǒng)大不相同。向未來(lái)可持續(xù)能源過(guò)渡的技術(shù)模塊已經(jīng)以分散式熱電站，風(fēng)力發(fā)電，大、小型沼氣廠，太陽(yáng)能發(fā)電，各類(lèi)生物質(zhì)能發(fā)電以及水力發(fā)電等形式存在。因此，當(dāng)下首要的任務(wù)就是整合這些不同形式的可再生能源（可借助天然氣），以最大限度地提高可再生能源的利用率，因?yàn)槿魏螁我恍问降目稍偕茉炊疾豢赡芄铝l(fā)展。未來(lái)可再生能源的集成轉(zhuǎn)化，需要對(duì)各種形式的可再生能源設(shè)施，包括大型和小型發(fā)電廠，進(jìn)行重組利用。只基于當(dāng)前成本低廉的技術(shù)開(kāi)發(fā)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有可能導(dǎo)致諸如大型風(fēng)電機(jī)組的單向利用等問(wèn)題，因此，必須采取多方措施，如建立多樣化供應(yīng)系統(tǒng)、能源儲(chǔ)存和節(jié)能機(jī)制，包括合理的用戶(hù)管理策略等。

大多數(shù)國(guó)家長(zhǎng)期依賴(lài)于以化石能源為主導(dǎo)的能源體系，制約了波動(dòng)出力的太陽(yáng)能和風(fēng)電形成長(zhǎng)效的自主系統(tǒng)。如此形成的后果之一是，電力過(guò)剩時(shí)可再生能源就處于閑置、甚至白白浪費(fèi)掉的狀態(tài)。在風(fēng)電占比較大的地區(qū)，由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納能力不足，機(jī)組經(jīng)常間歇性啟停。同樣地，當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）的產(chǎn)能與風(fēng)電產(chǎn)能一樣過(guò)剩時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)額外的剩余電力。隨著越來(lái)越多的風(fēng)電并入電網(wǎng)，加上熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)利用率的提高，這類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)也會(huì)日益頻繁。實(shí)踐證明，電鍋爐和熱泵利用風(fēng)電的過(guò)剩產(chǎn)能進(jìn)行供熱、供冷是一種成本較低的解決方案，丹麥的能源體系也可以很好地適應(yīng)這種產(chǎn)能利用方式。電力供需失衡意味著風(fēng)能、太陽(yáng)能和熱電聯(lián)產(chǎn)等發(fā)電出力占比較大時(shí)，會(huì)周期性地出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題，但其實(shí)這是可避免的。適當(dāng)?shù)墓搽娏芸鼐湍軌蚝芎玫亟鉀Q波動(dòng)性發(fā)電出力的問(wèn)題，比如采取一些激勵(lì)措施，如合理利用所謂的過(guò)剩電力，避免周期性的低價(jià)電力出售，在強(qiáng)風(fēng)區(qū)建立與電力供應(yīng)峰值匹配的主輸電線(xiàn)路和集成系統(tǒng)等。

除卻自身的波動(dòng)性，風(fēng)能和太陽(yáng)能具有的無(wú)限潛能在現(xiàn)有能源體系下，足可以作為支柱能源滿(mǎn)足未來(lái)供電、供暖的需求。未來(lái)，在風(fēng)能和太陽(yáng)能利用率較高的地區(qū)，兩者極有可能成為全年大多數(shù)時(shí)間甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占全年電力供應(yīng)100%的基線(xiàn)電力。而儲(chǔ)能方式穩(wěn)定的生物質(zhì)能，在有限利用下，也可以為CHP的產(chǎn)能提供自身85%或更多的能效，其主要功能是用于協(xié)調(diào)平衡風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)能不足時(shí)的情況。電力儲(chǔ)存也將通過(guò)現(xiàn)有的需求側(cè)管理方式，成為高效能、可持續(xù)、成本低的電熱冷一體化的能源集成系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)。在2012年3月達(dá)成的能源協(xié)議中，丹麥政府計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占全國(guó)電力供應(yīng)50%的目標(biāo)，這就加大了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)成功建設(shè)中可能遇到的選址和其他問(wèn)題的關(guān)注。截至2017年，丹麥風(fēng)力發(fā)電已滿(mǎn)足全國(guó)43.6%的電力需求，預(yù)計(jì)到2020年將會(huì)超過(guò)50%的目標(biāo)。在用電低谷期和高風(fēng)速時(shí)段，風(fēng)力發(fā)電完全可以滿(mǎn)足全部的用電需求，按當(dāng)?shù)厮綋Q算，風(fēng)電占比也許會(huì)達(dá)到實(shí)際電力消費(fèi)的400%。強(qiáng)大的跨國(guó)電力互補(bǔ)仍然對(duì)丹麥的電力上調(diào)和下調(diào)政策起著至關(guān)重要的作用，然而這也許只是短期的解決方案。作為當(dāng)下過(guò)剩電力的進(jìn)口國(guó)很可能在未來(lái)對(duì)購(gòu)買(mǎi)鄰國(guó)電力失去興趣，因?yàn)榈溡部紤]到，這樣做只會(huì)增加鄰國(guó)的可再生能源利用比例。

現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然種類(lèi)多樣，但可投入使用并且有商業(yè)利用價(jià)值的只有少數(shù)。而且，這些儲(chǔ)能技術(shù)是集中式應(yīng)用還是分散式應(yīng)用，則需要結(jié)合各自的投資額、損失量以及發(fā)展?jié)撃苓M(jìn)行綜合比對(duì)才能得出結(jié)論。儲(chǔ)能方案的選取也需結(jié)合各自的局限性、環(huán)境影響度、地勢(shì)需求、應(yīng)用重點(diǎn)、投資復(fù)雜性以及效益等方面綜合考慮。并且儲(chǔ)能技術(shù)還要達(dá)到容量、靈活度、響應(yīng)時(shí)間以及成本效益的最優(yōu)化。目前，類(lèi)似電解制氫、制氣、海水淡化等技術(shù)的風(fēng)電就地消納方案正不斷涌現(xiàn)。下面將根據(jù)一些先驅(qū)國(guó)家（以丹麥為例）所面臨的各種新型電源管理的需求和挑戰(zhàn)，重點(diǎn)放在對(duì)可再生能源的應(yīng)用以及電力平衡的技術(shù)解決方案上。除了儲(chǔ)能技術(shù)，用于供熱、供冷的水力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電與供熱供冷的結(jié)合應(yīng)用也將作為操作性高的輔助解決方案來(lái)討論。從全球范圍來(lái)看，這些方案的應(yīng)用雖然有限，但是隨著可再生能源的持續(xù)增長(zhǎng)，電力供熱供冷系統(tǒng)的構(gòu)建似乎是必不可少的。

丹麥能源發(fā)展簡(jiǎn)史

丹麥以其風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電聞名于世界。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，區(qū)域供暖加上熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）的模式非常重要，這種轉(zhuǎn)變也是減少丹麥二氧化碳排放量的重點(diǎn)舉措。然而，CHP要達(dá)到滿(mǎn)足60%的電力需求以及70%的供熱需求，就需要建立一套逐漸過(guò)渡到完全由可再生能源供給的公共基礎(chǔ)設(shè)施。

丹麥用了大約10年的時(shí)間，大幅實(shí)現(xiàn)了由低能效、集中式、利用化石能源發(fā)電向區(qū)域自主發(fā)電、電力消費(fèi)者自有發(fā)電的轉(zhuǎn)變。巧合的是，這種轉(zhuǎn)變花費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)于建造一個(gè)核電站的時(shí)間。丹麥一直沒(méi)有、未來(lái)也不會(huì)有建立核電站的計(jì)劃，早在1985年，丹麥的國(guó)家能源計(jì)劃書(shū)中就已將核能發(fā)電計(jì)劃剔除。

在30年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，丹麥一直保持著能源供給的穩(wěn)定性。在此期間，國(guó)家對(duì)小型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目以及可再生能源有了了解并給予支持。1975—2000年，丹麥已經(jīng)減少30%用于住宅供暖的化石能源消費(fèi)。在1975年還處于100%依賴(lài)石油為主要能源供給的丹麥，在同期也已經(jīng)通過(guò)各種方式將化石能源的消費(fèi)降低到40%，能源消費(fèi)種類(lèi)也變得多樣化，包括對(duì)石油、煤炭、天然氣以及可再生能源的利用。整個(gè)這段時(shí)期，全國(guó)能源的總消耗量相當(dāng)于2000萬(wàn)噸燃油消耗量。

20世紀(jì)90年代，熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）在丹麥的城鎮(zhèn)、村莊以及150處住宅落戶(hù)，小型CHP則與區(qū)域供暖系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。熱電聯(lián)產(chǎn)電廠包括一個(gè)或者多個(gè)CHP單元、高負(fù)荷鍋爐以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)單元一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（有些是蒸汽輪機(jī)）或者循環(huán)發(fā)電機(jī)組組成。

電力波動(dòng)性供給的解決

在熱能需求高峰以及大風(fēng)時(shí)段，CHP加上風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合并入電網(wǎng)的電量要遠(yuǎn)大于消費(fèi)者需求電量。在這種情況下，CHP就不僅是提供電量，而更需要通過(guò)集中供熱系統(tǒng)向消費(fèi)者提供熱能，發(fā)的電可以看作是一種副產(chǎn)品。

風(fēng)力發(fā)電向電網(wǎng)輸送的電量多少是由盛行風(fēng)決定的，并且與CHP和太陽(yáng)能發(fā)電共同向同一個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)輸送電力。對(duì)于現(xiàn)有電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，早期風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電在平衡電力供給方面不存在需要特殊解決的問(wèn)題。而風(fēng)電占比一旦超過(guò)20%或者更多，那就必須有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)舉措。如果說(shuō)每年風(fēng)電都占電力供應(yīng)的20%, 那就意味著在很多時(shí)刻甚至很長(zhǎng)天數(shù)內(nèi)，風(fēng)電都可以完全滿(mǎn)足實(shí)際的電力需求。在風(fēng)電裝機(jī)高度集中的地區(qū)，風(fēng)電就可以保證該地區(qū)的基本用電負(fù)荷。

為了電力供需的總體平衡，可采取如下措施：

（1）儲(chǔ)存電力以備風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電供電不足時(shí)使用；

（2）間歇性停止部分風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行；

（3）向鄰國(guó)輸送電力；

（4）鼓勵(lì)電力需求側(cè)管理機(jī)制的應(yīng)用；

（5）尋找可再生能源在工業(yè)用電和供冷供熱用電方面的創(chuàng)新利用方法。

向鄰國(guó)輸送電力需要長(zhǎng)距離傳輸線(xiàn)路架設(shè)等巨額投資，因此，并不是一個(gè)長(zhǎng)期的解決方案。大風(fēng)區(qū)有時(shí)處在跨境區(qū)，因此，丹麥的鄰國(guó)在大風(fēng)期也會(huì)擴(kuò)大風(fēng)電出力。根據(jù)稅率的差異，丹麥可以鼓勵(lì)工業(yè)用電和家庭用電方式的轉(zhuǎn)變，如根據(jù)供電情況，采取操作定制機(jī)器、在夜間洗衣服、給電動(dòng)汽車(chē)充放電等方法調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。然而，改變消費(fèi)者的習(xí)慣還是有一定的局限性。比如，電動(dòng)車(chē)車(chē)主可能更愿意在早晨開(kāi)著充滿(mǎn)電的車(chē)離開(kāi)，而不愿意為省幾分錢(qián)避開(kāi)用電高峰期。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

丹麥有數(shù)百個(gè)分散式燃?xì)釩HP可以在幾分鐘內(nèi)完成啟停，因此，它們可以很好地適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性。相反，傳統(tǒng)的火電站以及核電站等則可能需要幾個(gè)小時(shí)甚至一天完成啟停。分散式供電系統(tǒng)只能盡力構(gòu)建一個(gè)完善的供電系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)國(guó)家的電力管制。作為丹麥電力供應(yīng)國(guó)有運(yùn)營(yíng)商，Energinet.dk計(jì)劃將國(guó)家供電系統(tǒng)分散成50000～100000個(gè)小系統(tǒng)，每個(gè)小系統(tǒng)都是基于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)電和CHP的電力自給系統(tǒng)，這將充分發(fā)揮分散式和多樣化電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

可再生能源發(fā)電與供熱的結(jié)合將會(huì)逐漸增大風(fēng)電和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的占比，因?yàn)樵跍睾蜌夂騾^(qū)，供熱需求要遠(yuǎn)超電力需求的兩倍之多。隨著熱水冷卻（安裝熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵）使用率的提高，其不僅在溫和氣候區(qū)的使用更為現(xiàn)實(shí)，在風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電出力與當(dāng)?shù)谻HP的結(jié)合利用上也將更為普遍、靈活。因此供熱、供冷與熱水的需求可能成為風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的最大產(chǎn)能出口。而且這種利用形式的初始投資也很低，尤其是當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域性供熱供冷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于投運(yùn)中。同時(shí)，新的集中供熱系統(tǒng)的構(gòu)成也是技術(shù)成熟、成本較低、效能較高的一種解決方案，也將為100%可再生能源發(fā)電出力提供管理上的靈活性。在某些抽水蓄能利用廣泛的地區(qū)，這也成為優(yōu)先的解決方案，但是也會(huì)因地形條件的不同而受到一定的局限性。

風(fēng)電和太陽(yáng)能可以作為能源供應(yīng)的主要來(lái)源，而成本低、易存儲(chǔ)的生物質(zhì)能可以作為理想的備用能源。在風(fēng)能和太陽(yáng)能充足的情況下，生物質(zhì)能也不應(yīng)被白白消耗掉。從環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面看，風(fēng)電的過(guò)剩產(chǎn)能轉(zhuǎn)化為區(qū)域供暖和熱水儲(chǔ)存的價(jià)值與替代燃料的消耗價(jià)值相當(dāng)，可以說(shuō)除了將多余電力低價(jià)輸送到鄰國(guó)外，這是一種最優(yōu)解決方案。

上調(diào)和下調(diào)政策的實(shí)施

風(fēng)電和太陽(yáng)能不能獨(dú)立承擔(dān)持續(xù)的電力供給。未來(lái)的能源供給方案將完全由波動(dòng)性的可再生能源為主導(dǎo)，那么以下這三種典型情況的調(diào)節(jié)方案則可滿(mǎn)足實(shí)際的電力需求：

（1）風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)能過(guò)高，則需下調(diào)措施，如將剩余電力轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存或者出口；

（2）風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)能過(guò)低，則需上調(diào)措施，如使用儲(chǔ)備電力或者向鄰國(guó)進(jìn)口電力；

（3）風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)產(chǎn)能，則全部的電力供應(yīng)由儲(chǔ)備電力和進(jìn)口電力來(lái)滿(mǎn)足。

風(fēng)能和太陽(yáng)能是未來(lái)可再生能源集成系統(tǒng)的基石，然而其波動(dòng)性需要電力消費(fèi)者的適應(yīng)，并且需要其他能源或儲(chǔ)能方式作為備用供給。當(dāng)前的很多儲(chǔ)能方案都具有可行性，但各自在技術(shù)、媒介和成本上大有不同。這些不同類(lèi)型的儲(chǔ)能方式要滿(mǎn)足供電、供熱和供冷的集成供給，重點(diǎn)還在于這些技術(shù)類(lèi)型各自的靈活性和反應(yīng)時(shí)間。