丹麦分布式能源发展之路-北极星风力发电网

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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。

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。

除却自身的波动性，风电和太阳能具有的无限潜能在现有能源体系下，足可以作为支柱能源满足未来供电、供暖的需求。未来，在风电和太阳能利用率较高的地区，二者极有可能成为全年大多数时间甚至更长时间内占全年电力供应100%的基线电力。而储能方式稳定的生物质能，在有限利用下，也可以为CHP的产能提供自身85%或更多的能效，其主要功能是用于协调平衡风电和太阳能产能不足时的情况。电力储存也将通过现有的需求侧管理方式，成为高效能、可持续、成本低的电热冷一体化的能源集成系统中的关键一环。

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。