1.引言
為了實(shí)現(xiàn)德國到2050年溫室氣體排放減少80%-95%的目標(biāo)，必須首先改變電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，能源因素在溫室氣體排放方面起主要作用，占到德國排放總量的80%以上，發(fā)電排放的溫室氣體占能源排放總量的40%。在電力方面減少溫室氣體排放，潛力巨大：通過對(duì)電能進(jìn)行高效利用，合理改變能源結(jié)構(gòu)，完全依靠可再生能源進(jìn)行能源供應(yīng)，就有可能將溫室氣體排放量降低到接近零的水平。
德國作為高度發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，以現(xiàn)在的生活方式、消費(fèi)模式和行為模式，2050實(shí)現(xiàn)完全依靠可再生能源發(fā)電，在技術(shù)上是可行的。這一結(jié)論在很多機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果中都有所顯示，如“模擬地區(qū)聯(lián)盟”、環(huán)境問題專家委員會(huì)、綠色和平組織等。
2050年實(shí)現(xiàn)完全依靠可再生能源滿足電力供應(yīng)，也有利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。德國可以在這一戰(zhàn)略的支撐下，將環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)合起來，同時(shí)推動(dòng)全世界的氣候保護(hù)進(jìn)程。
全部電能來自可再生能源為德國當(dāng)下的能源供應(yīng)安全問題提供了保障，也利于解決可再生能源供應(yīng)起伏波動(dòng)的問題。在這種情況下，可再生能源的波動(dòng)狀態(tài)可以隨時(shí)得到中和，因?yàn)榭稍偕茉粗g不同的發(fā)電形式、存儲(chǔ)和負(fù)荷管理能夠得到很好的相互補(bǔ)充。
實(shí)現(xiàn)這一能源供應(yīng)目標(biāo)的重要前提是要深入開發(fā)電力消費(fèi)方面存在的節(jié)省潛力。這不僅是指私人家庭的能源節(jié)約，工業(yè)領(lǐng)域也必須在經(jīng)濟(jì)增長的前提下減少電力損耗。這樣，可再生能源也可以滿足其它額外的電力需求，如發(fā)展電動(dòng)汽車，發(fā)展熱泵以滿足采暖和熱水需求等。此外，為了限制建筑采暖的電力損耗，要從本質(zhì)上改善建筑的隔熱效果。
2008年，德國70%的能源供應(yīng)主要依靠進(jìn)口的煤、天然氣、石油等。通過實(shí)現(xiàn)完全可再生能源電力供應(yīng)，可以明顯降低德國對(duì)進(jìn)口能源的依賴，更好地應(yīng)對(duì)油、氣價(jià)格的強(qiáng)烈波動(dòng)。
到2050年改變電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電力100%來自可再生能源的目標(biāo)是可行的，但是需要采取強(qiáng)有力的、果斷的政治措施。15年前，可再生能源在電力消耗總額中占5%，2009年上升到了16%。德國想要實(shí)現(xiàn)2050年完全依靠可再生能源發(fā)電的目標(biāo)，還有很多事情要做：不僅要繼續(xù)推動(dòng)可再生能源的發(fā)展，而且要改變現(xiàn)有能源系統(tǒng)，使之適用于可再生能源。要確定發(fā)展過程中的中間目標(biāo)，尤其是確定2020年以后的目標(biāo)。行動(dòng)越早、越堅(jiān)決，就有越多的時(shí)間用來進(jìn)行技術(shù)和社會(huì)方面的調(diào)整改革。
2.電力存儲(chǔ)和負(fù)荷管理潛力分析
電力生產(chǎn)和電力消耗必須在任何時(shí)候都達(dá)到均等。太陽能和風(fēng)能發(fā)電在電力輸送方面波動(dòng)較大，不能對(duì)其進(jìn)行充分預(yù)計(jì)。而且，電能消耗在每天和每年的情況都有不同，都會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)完全依靠可再生能源發(fā)電，需要擴(kuò)大風(fēng)能和太陽能方面的建設(shè)，這樣，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的問題，有時(shí)電力負(fù)荷又會(huì)大于可再生能源的電產(chǎn)量。所以，要對(duì)電力進(jìn)行存儲(chǔ)和負(fù)荷管理。
2.1電力存儲(chǔ)
隨著易波動(dòng)可再生能源比例的提高，需要對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)管理，包括短期存儲(chǔ)和長期存儲(chǔ)。短期電力存儲(chǔ)（如抽水蓄能電站）可以很好地平衡一天或幾天的供電波動(dòng)。長期存儲(chǔ)方式（如化學(xué)存儲(chǔ)）可以平衡幾天、幾個(gè)月或幾年的供電波動(dòng)。
抽水蓄能電站
抽水蓄能電站以潛在能源形式對(duì)能源進(jìn)行存儲(chǔ)。在電力需求小的情況下，將水從低處抽往高處，在用電高峰時(shí)讓水從高處流回低處，以產(chǎn)生電能。抽水蓄能電站在幾十年前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)推廣使用。在德國，其凈額定功率現(xiàn)在為6.6千兆瓦，總電量存儲(chǔ)能力大約為40千兆瓦時(shí)。2007年，有6到7.4太瓦時(shí)(TWh/a)的發(fā)電量上網(wǎng)?，F(xiàn)代抽水蓄能電站的蓄能功率能達(dá)到80%以上，德國的蓄能功率平均為74%。
到2020年，建設(shè)計(jì)劃中已有三個(gè)新的抽水蓄能電站，總的額定功率計(jì)劃為1645兆瓦。而且，我們假設(shè)，原有設(shè)備通過現(xiàn)代化改造將效率提高了330兆瓦，到2050年實(shí)現(xiàn)大約8.6千兆瓦的裝機(jī)額定功率是可能的。
但是從經(jīng)濟(jì)方面來講，新建抽水蓄能電站的潛力是有限的。原因主要表現(xiàn)為缺少合適的地點(diǎn)，缺乏相關(guān)自然保護(hù)法律條款，民眾對(duì)于新建大型工程的接受程度低。
從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面保守估計(jì)，2050年裝機(jī)的渦輪機(jī)功率將達(dá)到8.6兆瓦。得出該結(jié)論的基礎(chǔ)是：現(xiàn)在的裝機(jī)功率為6.6兆瓦，到2020年計(jì)劃新建1.64兆瓦，通過改裝提高發(fā)電能力0.33兆瓦。
2.2化學(xué)存儲(chǔ)
電能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，以化學(xué)能方式對(duì)電力進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間長并且運(yùn)輸方便。例如可以通過電解將電力轉(zhuǎn)化為氫。根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同，氫可以直接存儲(chǔ)或在一定情況下通過反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷?；瘜W(xué)能量可以再轉(zhuǎn)化為電能或者用于其它用途。
另外，地下空間也適合作為儲(chǔ)能空間，如地下存儲(chǔ)和洞穴存儲(chǔ)。與抽水蓄能電站不同，化學(xué)儲(chǔ)能可以在更長時(shí)間范圍內(nèi)協(xié)調(diào)電力波動(dòng)。
2.3負(fù)荷管理
負(fù)荷管理通過暫時(shí)轉(zhuǎn)移或者切斷不必要的電能應(yīng)用，達(dá)到削峰填谷改變負(fù)荷曲線的目的。隨著可再生能源在整個(gè)電力系統(tǒng)中份額的增加，負(fù)荷管理的作用也逐漸凸顯。負(fù)荷管理也可以看成一種虛擬的存儲(chǔ)形式，目的在于提高電力供應(yīng)系統(tǒng)的安全性和效率。
負(fù)荷管理的前提是使用現(xiàn)代信息通訊技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)管理過程?？傮w來講，負(fù)荷管理分為以下兩類：
——電力大客戶，鑒于其生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不可隨意轉(zhuǎn)移(例如鋼或氯的生產(chǎn)過程)
——用電相對(duì)較少的應(yīng)用領(lǐng)域，一般可以進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移（例如服務(wù)業(yè)中的空調(diào)使用、電動(dòng)汽車、家用電器的使用等）
技術(shù)潛力：
——熱泵
熱泵在負(fù)荷管理方面具有很大潛力。預(yù)計(jì)到2050年，德國大部分熱泵將配備充足的儲(chǔ)熱設(shè)備，尤其是手工業(yè)、商業(yè)、服務(wù)業(yè)都將與太陽能熱電廠相聯(lián)。按照德國政府對(duì)建筑保溫和熱水需求的預(yù)計(jì)，2050年，在工業(yè)、手工業(yè)、商業(yè)、服務(wù)業(yè)和家庭領(lǐng)域，熱泵的電力消耗約為44太瓦時(shí)，其電能消耗的大部分可以用于負(fù)荷管理。
——空調(diào)
手工業(yè)、商業(yè)和服務(wù)業(yè)中使用的空調(diào)也適合用于負(fù)荷管理。因?yàn)橄奶焯柟庹蘸涂照{(diào)需求達(dá)到最高，所以太陽能發(fā)電與空調(diào)應(yīng)用成正相關(guān)。而建筑物在一天內(nèi)不同的時(shí)間段熱量會(huì)有所變化，所以空調(diào)需求高峰有時(shí)會(huì)在出現(xiàn)在供電高峰之后。
預(yù)計(jì)德國2050年空調(diào)用電消耗將為28太瓦時(shí)，在負(fù)荷管理方面具有很大潛力?？照{(diào)電力消耗的大部分可以用于負(fù)荷管理。
——電動(dòng)汽車
電動(dòng)汽車的增加也會(huì)導(dǎo)致將來用電量的增加。但電池蓄能可以在用電高峰時(shí)提供很大的利用空間。通過對(duì)充電行為進(jìn)行調(diào)控，電動(dòng)汽車也可以為可再生能源供電起到削峰填谷的作用。
所以，電動(dòng)汽車的負(fù)荷管理潛力與電池蓄電能力、汽車類型和電動(dòng)汽車的并網(wǎng)關(guān)系密切。與熱泵和空調(diào)的負(fù)荷管理潛力不同，電動(dòng)汽車的負(fù)荷管理潛力是一直存在于全年中的。
預(yù)計(jì)德國2050年電動(dòng)汽車用電消耗為28太瓦時(shí)，其中很大部分可以用于電力的負(fù)荷管理。
——工業(yè)消耗
工業(yè)電能消耗過程也可以用于負(fù)荷管理，如金屬工業(yè)中的電解，鋼鐵生產(chǎn)，水泥工業(yè)等。這些領(lǐng)域的電能消耗每年約為50太瓦時(shí)，但只有一部分可以用于負(fù)荷管理。
——其它領(lǐng)域
另外，除了空調(diào)用電以外，在手工業(yè)、商業(yè)、服務(wù)業(yè)中也有一部分電力需求可以納入負(fù)荷管理。私人家庭中的冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等也可以轉(zhuǎn)移用電需求，但是，家用電器的用電量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工業(yè)、商業(yè)、服務(wù)業(yè)的用電量，將其納入負(fù)荷管理并無很大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而且，隨著用電效率的提高，這方面的用電量將會(huì)明顯下降，所以，在研究中沒有將家用電器納入負(fù)荷管理模型分析。
3.可再生能源發(fā)電潛力
——太陽能
要計(jì)算太陽能發(fā)電的技術(shù)/生態(tài)潛力，需要考慮的主要因素有：德國的太陽光照射情況、建設(shè)太陽能電池組件的可支配面積、設(shè)備技術(shù)等。
——陸地風(fēng)能
風(fēng)能在電力供應(yīng)中發(fā)揮著巨大作用，2008年德國風(fēng)力發(fā)電占電力總消耗的6.6%，在未來幾年，風(fēng)能的發(fā)電份額將會(huì)繼續(xù)提高。
——海上風(fēng)能
海上風(fēng)能將會(huì)成為未來電力供應(yīng)的重要部分。由于海上風(fēng)力比陸地風(fēng)力強(qiáng)勁而持久，海上的風(fēng)力發(fā)電的貢獻(xiàn)率應(yīng)高于陸地風(fēng)力發(fā)電。但是，出于對(duì)自然環(huán)境保護(hù)的考慮，海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備必須離海岸線30公里到100公里，水下深度為20米到50米之間。
——水力發(fā)電
幾十年來，水力發(fā)電一直在德國的電力供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。2007年，水力發(fā)電的貢獻(xiàn)為20.7TWh/a。理論上講，對(duì)水力發(fā)電的開發(fā)程度已經(jīng)很高，只能通過現(xiàn)存設(shè)備的升級(jí)和擴(kuò)建才能繼續(xù)開發(fā)水力發(fā)電的潛力。
——地?zé)岚l(fā)電
研究地?zé)岚l(fā)電潛力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是在聯(lián)邦議會(huì)上公布的《德國地?zé)岚l(fā)電的可能性報(bào)告》。該報(bào)告顯示，從技術(shù)層面上講，德國地?zé)岚l(fā)電潛力每年能達(dá)到312太瓦時(shí)，預(yù)計(jì)使用年限為1000年。
——生物殘?jiān)蛷U料
一般來講，生物能的利用分為兩個(gè)方面：植物生物能和生物殘?jiān)皬U料。研究主要聚焦殘留物和廢料的能源潛力。
總之，德國可再生能源的發(fā)電潛力如下表所示：
4.聯(lián)邦環(huán)境署提出的行動(dòng)建議
4.1減少溫室氣體排放與利用可再生能源相結(jié)合
4.2進(jìn)行能源有效利用
能源的有效利用主要包括：歐盟強(qiáng)化對(duì)耗電產(chǎn)品的監(jiān)督檢查，推動(dòng)創(chuàng)新型產(chǎn)品的開發(fā)利用，企業(yè)實(shí)行能源管理，繼續(xù)發(fā)展能源節(jié)約規(guī)定（EnEV），開發(fā)負(fù)荷管理潛力，減少交通的能源消耗。
4.3法規(guī)和經(jīng)濟(jì)框架條件
法規(guī)方面的建議主要包括：發(fā)展碳排放交易，繼續(xù)強(qiáng)化能源稅收的作用，減少對(duì)氣候有害能源的補(bǔ)貼，促進(jìn)可再生能源的市場融入和系統(tǒng)整合，制定統(tǒng)一的氣候保護(hù)法，排除發(fā)展可再生能源道路上的障礙，強(qiáng)化城鎮(zhèn)和地區(qū)的作用，為發(fā)展可再生能源和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供資金支持。
4.4調(diào)整規(guī)范土地規(guī)劃
在規(guī)范土地規(guī)劃方面，聯(lián)邦環(huán)境署建議在德國全國和地區(qū)范圍內(nèi)制定能源發(fā)展方案，為風(fēng)能建設(shè)提供空間，進(jìn)行地下土地規(guī)劃，促進(jìn)資源的可再生應(yīng)用。
4.5建立必要的基礎(chǔ)設(shè)施
基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要表現(xiàn)在：推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，優(yōu)化升級(jí)電網(wǎng)，擴(kuò)大能源存儲(chǔ)的設(shè)施建設(shè)。
4.6對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電廠提出新要求
聯(lián)邦環(huán)境署建議，不再繼續(xù)新建燃煤發(fā)電廠，在過渡時(shí)期建設(shè)高度靈活的天然氣發(fā)電廠，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。
4.7能源研究
在能源研究方面，要加緊填補(bǔ)專業(yè)人才的空缺。
4.8提高人們對(duì)能源轉(zhuǎn)型的接受程度
4.9為發(fā)展可再生能源確立指導(dǎo)方針
聯(lián)邦環(huán)境署出，要促進(jìn)可再生能源的可持續(xù)建設(shè)，注重資源保護(hù)。
5.結(jié)語：
要想在德國實(shí)現(xiàn)2050年全部依靠可再生能源發(fā)電的目標(biāo)，還有很多工作要做：不僅要繼續(xù)推進(jìn)可再生能源的建設(shè)發(fā)展，而且要調(diào)整現(xiàn)有的能源系統(tǒng)，使之與可再生能源的發(fā)展相適應(yīng)。所以，要在發(fā)展的道路上不斷設(shè)定階段目標(biāo)。行動(dòng)得越早，就有越多的時(shí)間來進(jìn)行技術(shù)和社會(huì)方面的調(diào)整改革。
