淺談德國能源革命中儲(chǔ)能的經(jīng)驗(yàn)

可再生能源是德國最重要的電力來源，德國的EEG法案就是為了增加可再生能源的份額而誕生的。截止到2019年初，德國的可再生能源所占的比例已經(jīng)達(dá)到38%，根據(jù)EEG法案的要求，到2025年可再生能源所占的比例將達(dá)到40%-45%。

(圖中綠色部分為可再生能源所占比例)

通過右圖可以看到，風(fēng)能16.3%，水電3.1%，生物質(zhì)發(fā)電和太陽能分別為6.9%和6.1%。其中風(fēng)能和太陽能占22.4%。那么問題來了，風(fēng)能和太陽能都是看天吃飯的能源，具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性。隨著可再生能源的擴(kuò)張，這種不穩(wěn)定性會(huì)逐漸擴(kuò)大。如何保證電網(wǎng)或者能源的平穩(wěn)安全，就成了德國能源革命的重要目標(biāo)。解決這一問題的其中一個(gè)有效方法就是儲(chǔ)能技術(shù)。

目前德國儲(chǔ)能方面有哪些技術(shù)措施呢?主要有如下幾種：

1.光伏電池儲(chǔ)能(power to battery)，也就是戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)配備鋰電池儲(chǔ)能。隨著德國電價(jià)的上升，電池價(jià)格的下降，越來越多的用戶選擇鋰電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。有些用戶甚至可以做到電費(fèi)0支出。

2.電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)能，技術(shù)原理就是將汽車電池作為儲(chǔ)能電池使用。電動(dòng)車的普及也使得這種技術(shù)大規(guī)模推廣成為了現(xiàn)實(shí)。

3.最經(jīng)典的抽水蓄能，電力富余時(shí)，通過水泵將電能轉(zhuǎn)化為勢能。電力不足時(shí)，勢能轉(zhuǎn)化為電能。

4.熱儲(chǔ)能，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，比如說，通過蓄熱罐，將通過電加熱后的熱水存儲(chǔ)起來，用于供熱。德國2018年可再生能源在供熱制冷方面所占的比例為14%，這也使得蓄熱罐作為儲(chǔ)能手段具有了很強(qiáng)的可行性。目前，德國研究人員又提出了一種新理念，將可再生能源產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)在巨大的液態(tài)鹽箱中，其溫度可達(dá)到400-500℃，可以代替鍋爐。這樣，對(duì)于利用現(xiàn)有火電廠汽輪機(jī)設(shè)備，再將熱能轉(zhuǎn)為電能。由于技術(shù)，成本，設(shè)備等諸多因素，還沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。但是我個(gè)人非?？春眠@個(gè)技術(shù)手段，我國是工業(yè)大國，目前的工業(yè)廢水處理技術(shù)是通過蒸發(fā)結(jié)晶得到純度很高的單組分鹽，一方面變危廢為寶，另一方面降低成本。

5.電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能，將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣，電解水后得到氫氣。

上圖為電解水制氫的原理圖

對(duì)于我國來說，鋰電池的成本相對(duì)還是過高，單獨(dú)將鋰電池作為儲(chǔ)能手段不太現(xiàn)實(shí)，如果通過廢舊電池回收或者電動(dòng)汽車電池回收，那另當(dāng)別論。對(duì)于熱儲(chǔ)能，具體來說是再生能源供熱，山西的熱價(jià)格也是相對(duì)很低的，因此也不現(xiàn)實(shí)。抽水蓄能已經(jīng)有很多案例了，但是山西不具備這樣的條件。電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能對(duì)于山西來說可能是最可行的措施。德國氫氣儲(chǔ)能技術(shù)中，非常具有參考性的就是施普倫貝格多能互補(bǔ)集成發(fā)電系統(tǒng)(Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg)項(xiàng)目位于德國布蘭登堡州小鎮(zhèn)施普倫貝格。系統(tǒng)采用先進(jìn)的能源管理技術(shù)，將風(fēng)電和光電耦合，一部分電量可以直接并網(wǎng)，多余的電量制得的氫氣可以儲(chǔ)存或者并入當(dāng)?shù)厝細(xì)夤芫W(wǎng)。非常具體創(chuàng)新性，也非常符合我國目前能源結(jié)構(gòu)的要求。

該系統(tǒng)主要由以下組成：

1. 5 MW電解水制氫設(shè)備2.光伏電站3.風(fēng)力電站4.燃?xì)怆姀S5.儲(chǔ)氣系統(tǒng)6.系統(tǒng)內(nèi)變電站及現(xiàn)有中高壓變電站(并網(wǎng)使用)

項(xiàng)目位于德國布蘭登堡州小鎮(zhèn)施普倫貝格，緊鄰一回220kV電源，一回380kV電源，為并網(wǎng)發(fā)電提供了有利條件。同時(shí)項(xiàng)目緊鄰一條當(dāng)?shù)氐奶烊粴夤艿?，為氫氣并網(wǎng)也提供有利條件。

風(fēng)力場及光伏電站，風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量有45臺(tái)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)功率約為3-4 MW，可為12萬戶家庭提供足夠的電量。電站功率主要集中在0-36MW之間，峰值功率可達(dá)到120MW。

光伏電站裝機(jī)容量為10MW。

電解制氫裝置：模塊化5MW電解系統(tǒng)，采用3D電極，氣體-液體兩相流，有效增加點(diǎn)解效率。該裝置可利用盈余電力生產(chǎn)氫氣，通過管路，送往儲(chǔ)氣罐。

氣體管道及儲(chǔ)氣裝置：通過氣體運(yùn)輸管道，可將制得的氫氣送入燃?xì)饩W(wǎng)供市政供熱?；蛲ㄟ^儲(chǔ)氣裝置將氫氣儲(chǔ)存在Thyhof燃?xì)獍l(fā)電站，儲(chǔ)氣罐容量為48萬m3，可單獨(dú)儲(chǔ)存氫氣使用。

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組：一方面，該設(shè)備可為氫氣適配的燃?xì)廨啓C(jī)做相關(guān)研究;另一方面，該燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組可消納制得的氫氣，起到到調(diào)峰作用。

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：1.風(fēng)/光互補(bǔ)-更多的清潔能源2.更均勻的電力輸出3.更好的經(jīng)濟(jì)效益4.充分利用電力盈余5.氫氣用于交通6.大規(guī)模儲(chǔ)能(氫氣的能量密度很高)7.氫氣可由燃?xì)怆姀S再轉(zhuǎn)換為電能。

Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg項(xiàng)目的主要難點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是控制系統(tǒng)，一個(gè)是氣體系統(tǒng)。如何保證各個(gè)電源有效配合，靈活適應(yīng)用電側(cè)負(fù)荷，同時(shí)保證供電的安全性，對(duì)控制系統(tǒng)提出了極高的要求。同時(shí)氫氣的存儲(chǔ)，以及燃?xì)廨啓C(jī)在天然氣與氫氣之間的切換，也是一個(gè)難點(diǎn)。我們山西有著極其豐富的煤層氣資源，瓦斯發(fā)電站裝機(jī)容量也在逐年增加;晉北地區(qū)天高云淡，是光伏發(fā)電的理想環(huán)境，太行呂梁二山山巔上的風(fēng)電廠也在為百姓提供清潔的能源。很多條件都與本項(xiàng)目類似，不難看出，Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg項(xiàng)目中確實(shí)有許多值得我們借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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參考資料：

https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/erneuerbare-energien

https://www.eti-brandenburg.de