1.引言
為了實現德國到2050年溫室氣體排放減少80%-95%的目標，必須首先改變電力供應結構。當前，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：通過對電能進行高效利用，合理改變能源結構，完全依靠可再生能源進行能源供應，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)達的工業(yè)國家，以現在的生活方式、消費模式和行為模式，2050實現完全依靠可再生能源發(fā)電，在技術上是可行的。這一結論在很多機構的研究結果中都有所顯示，如“模擬地區(qū)聯(lián)盟”、環(huán)境問題專家委員會、綠色和平組織等。
2050年實現完全依靠可再生能源滿足電力供應，也有利于經濟的發(fā)展。德國可以在這一戰(zhàn)略的支撐下，將環(huán)境保護與經濟發(fā)展結合起來，同時推動全世界的氣候保護進程。
全部電能來自可再生能源為德國當下的能源供應安全問題提供了保障，也利于解決可再生能源供應起伏波動的問題。在這種情況下，可再生能源的波動狀態(tài)可以隨時得到中和，因為可再生能源之間不同的發(fā)電形式、存儲和負荷管理能夠得到很好的相互補充。
實現這一能源供應目標的重要前提是要深入開發(fā)電力消費方面存在的節(jié)省潛力。這不僅是指私人家庭的能源節(jié)約，工業(yè)領域也必須在經濟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，要從本質上改善建筑的隔熱效果。
2008年，德國70%的能源供應主要依靠進口的煤、天然氣、石油等。通過實現完全可再生能源電力供應，可以明顯降低德國對進口能源的依賴，更好地應對油、氣價格的強烈波動。
到2050年改變電力生產結構，實現電力100%來自可再生能源的目標是可行的，但是需要采取強有力的、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%。德國想要實現2050年完全依靠可再生能源發(fā)電的目標，還有很多事情要做：不僅要繼續(xù)推動可再生能源的發(fā)展，而且要改變現有能源系統(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，尤其是確定2020年以后的目標。行動越早、越堅決，就有越多的時間用來進行技術和社會方面的調整改革。
2.電力存儲和負荷管理潛力分析
電力生產和電力消耗必須在任何時候都達到均等。太陽能和風能發(fā)電在電力輸送方面波動較大，不能對其進行充分預計。而且，電能消耗在每天和每年的情況都有不同，都會出現波動。為了實現完全依靠可再生能源發(fā)電，需要擴大風能和太陽能方面的建設，這樣，有時會出現產能過剩的問題，有時電力負荷又會大于可再生能源的電產量。所以，要對電力進行存儲和負荷管理。
2.1電力存儲
隨著易波動可再生能源比例的提高，需要對電能進行存儲管理，包括短期存儲和長期存儲。短期電力存儲（如抽水蓄能電站）可以很好地平衡一天或幾天的供電波動。長期存儲方式（如化學存儲）可以平衡幾天、幾個月或幾年的供電波動。
抽水蓄能電站
抽水蓄能電站以潛在能源形式對能源進行存儲。在電力需求小的情況下，將水從低處抽往高處，在用電高峰時讓水從高處流回低處，以產生電能。抽水蓄能電站在幾十年前已經在世界范圍內推廣使用。在德國，其凈額定功率現在為6.6千兆瓦，總電量存儲能力大約為40千兆瓦時。2007年，有6到7.4太瓦時(TWh/a)的發(fā)電量上網?，F代抽水蓄能電站的蓄能功率能達到80%以上，德國的蓄能功率平均為74%。
到2020年，建設計劃中已有三個新的抽水蓄能電站，總的額定功率計劃為1645兆瓦。而且，我們假設，原有設備通過現代化改造將效率提高了330兆瓦，到2050年實現大約8.6千兆瓦的裝機額定功率是可能的。
但是從經濟方面來講，新建抽水蓄能電站的潛力是有限的。原因主要表現為缺少合適的地點，缺乏相關自然保護法律條款，民眾對于新建大型工程的接受程度低。
從技術和經濟層面保守估計，2050年裝機的渦輪機功率將達到8.6兆瓦。得出該結論的基礎是：現在的裝機功率為6.6兆瓦，到2020年計劃新建1.64兆瓦，通過改裝提高發(fā)電能力0.33兆瓦。
2.2化學存儲
電能也可以轉變?yōu)榛瘜W能，以化學能方式對電力進行存儲，存儲時間長并且運輸方便。例如可以通過電解將電力轉化為氫。根據儲能系統(tǒng)的不同，氫可以直接存儲或在一定情況下通過反應轉化為甲烷。化學能量可以再轉化為電能或者用于其它用途。
另外，地下空間也適合作為儲能空間，如地下存儲和洞穴存儲。與抽水蓄能電站不同，化學儲能可以在更長時間范圍內協(xié)調電力波動。
2.3負荷管理
負荷管理通過暫時轉移或者切斷不必要的電能應用，達到削峰填谷改變負荷曲線的目的。隨著可再生能源在整個電力系統(tǒng)中份額的增加，負荷管理的作用也逐漸凸顯。負荷管理也可以看成一種虛擬的存儲形式，目的在于提高電力供應系統(tǒng)的安全性和效率。
負荷管理的前提是使用現代信息通訊技術，自動調節(jié)管理過程。總體來講，負荷管理分為以下兩類：
——電力大客戶，鑒于其生產過程的經濟價值不可隨意轉移(例如鋼或氯的生產過程)
——用電相對較少的應用領域，一般可以進行負荷轉移（例如服務業(yè)中的空調使用、電動汽車、家用電器的使用等）
技術潛力：
——熱泵
熱泵在負荷管理方面具有很大潛力。預計到2050年，德國大部分熱泵將配備充足的儲熱設備，尤其是手工業(yè)、商業(yè)、服務業(yè)都將與太陽能熱電廠相聯(lián)。按照德國政府對建筑保溫和熱水需求的預計，2050年，在工業(yè)、手工業(yè)、商業(yè)、服務業(yè)和家庭領域，熱泵的電力消耗約為44太瓦時，其電能消耗的大部分可以用于負荷管理。
——空調
手工業(yè)、商業(yè)和服務業(yè)中使用的空調也適合用于負荷管理。因為夏天太陽光照和空調需求達到最高，所以太陽能發(fā)電與空調應用成正相關。而建筑物在一天內不同的時間段熱量會有所變化，所以空調需求高峰有時會在出現在供電高峰之后。
預計德國2050年空調用電消耗將為28太瓦時，在負荷管理方面具有很大潛力?？照{電力消耗的大部分可以用于負荷管理。
——電動汽車
電動汽車的增加也會導致將來用電量的增加。但電池蓄能可以在用電高峰時提供很大的利用空間。通過對充電行為進行調控，電動汽車也可以為可再生能源供電起到削峰填谷的作用。
所以，電動汽車的負荷管理潛力與電池蓄電能力、汽車類型和電動汽車的并網關系密切。與熱泵和空調的負荷管理潛力不同，電動汽車的負荷管理潛力是一直存在于全年中的。
預計德國2050年電動汽車用電消耗為28太瓦時，其中很大部分可以用于電力的負荷管理。
——工業(yè)消耗
工業(yè)電能消耗過程也可以用于負荷管理，如金屬工業(yè)中的電解，鋼鐵生產，水泥工業(yè)等。這些領域的電能消耗每年約為50太瓦時，但只有一部分可以用于負荷管理。
——其它領域
另外，除了空調用電以外，在手工業(yè)、商業(yè)、服務業(yè)中也有一部分電力需求可以納入負荷管理。私人家庭中的冰箱、洗衣機、洗碗機等也可以轉移用電需求，但是，家用電器的用電量要遠遠小于工業(yè)、商業(yè)、服務業(yè)的用電量，將其納入負荷管理并無很大經濟價值。而且，隨著用電效率的提高，這方面的用電量將會明顯下降，所以，在研究中沒有將家用電器納入負荷管理模型分析。
3.可再生能源發(fā)電潛力
——太陽能
要計算太陽能發(fā)電的技術/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、建設太陽能電池組件的可支配面積、設備技術等。
——陸地風能
風能在電力供應中發(fā)揮著巨大作用，2008年德國風力發(fā)電占電力總消耗的6.6%，在未來幾年，風能的發(fā)電份額將會繼續(xù)提高。
——海上風能
海上風能將會成為未來電力供應的重要部分。由于海上風力比陸地風力強勁而持久，海上的風力發(fā)電的貢獻率應高于陸地風力發(fā)電。但是，出于對自然環(huán)境保護的考慮，海上風力發(fā)電設備必須離海岸線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中發(fā)揮重要作用。2007年，水力發(fā)電的貢獻為20.7TWh/a。理論上講，對水力發(fā)電的開發(fā)程度已經很高，只能通過現存設備的升級和擴建才能繼續(xù)開發(fā)水力發(fā)電的潛力。
——地熱發(fā)電
研究地熱發(fā)電潛力的數據基礎是在聯(lián)邦議會上公布的《德國地熱發(fā)電的可能性報告》。該報告顯示，從技術層面上講，德國地熱發(fā)電潛力每年能達到312太瓦時，預計使用年限為1000年。
——生物殘渣和廢料
一般來講，生物能的利用分為兩個方面：植物生物能和生物殘渣及廢料。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)境署提出的行動建議
4.1減少溫室氣體排放與利用可再生能源相結合
4.2進行能源有效利用
能源的有效利用主要包括：歐盟強化對耗電產品的監(jiān)督檢查，推動創(chuàng)新型產品的開發(fā)利用，企業(yè)實行能源管理，繼續(xù)發(fā)展能源節(jié)約規(guī)定（EnEV），開發(fā)負荷管理潛力，減少交通的能源消耗。
4.3法規(guī)和經濟框架條件
法規(guī)方面的建議主要包括：發(fā)展碳排放交易，繼續(xù)強化能源稅收的作用，減少對氣候有害能源的補貼，促進可再生能源的市場融入和系統(tǒng)整合，制定統(tǒng)一的氣候保護法，排除發(fā)展可再生能源道路上的障礙，強化城鎮(zhèn)和地區(qū)的作用，為發(fā)展可再生能源和基礎設施建設提供資金支持。
4.4調整規(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)范圍內制定能源發(fā)展方案，為風能建設提供空間，進行地下土地規(guī)劃，促進資源的可再生應用。
4.5建立必要的基礎設施
基礎設施建設主要表現在：推進網絡建設，優(yōu)化升級電網，擴大能源存儲的設施建設。
4.6對傳統(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，在過渡時期建設高度靈活的天然氣發(fā)電廠，發(fā)展熱電聯(lián)產。
4.7能源研究
在能源研究方面，要加緊填補專業(yè)人才的空缺。
4.8提高人們對能源轉型的接受程度
4.9為發(fā)展可再生能源確立指導方針
聯(lián)邦環(huán)境署出，要促進可再生能源的可持續(xù)建設，注重資源保護。
5.結語：
要想在德國實現2050年全部依靠可再生能源發(fā)電的目標，還有很多工作要做：不僅要繼續(xù)推進可再生能源的建設發(fā)展，而且要調整現有的能源系統(tǒng)，使之與可再生能源的發(fā)展相適應。所以，要在發(fā)展的道路上不斷設定階段目標。行動得越早，就有越多的時間來進行技術和社會方面的調整改革。
