实现“100％可再生能源地区”的策略

这一次，笔者将介绍德国智能电网实证（E-Energy）6个项目之一的“RegModHarz”。前两次，笔者介绍了面朝波罗的海的港口城市库克斯港的“eTelligence”项目，作为地方示范项目，RegModHarz的地位与之不相上下。

德国力争在2050年使可再生能源电力达到80％

德国已经决定在2022年之前停用所有核电站，提出了到2030年，使可再生能源占到总发电量的50％，到2050年占到80％以上的国家目标（资料1）。因为各地区的可再生能源资源参差不齐，所以，在可再生能源资源丰富的地方，这一比例要达到100％甚至更高。

扩大可再生能源发电的开发意味着增加资源量丰富的风力以及太阳能的发电量。但二者的发电量受天气影响，如果可再生能源达到100％，就会产生发电量超过或是大幅低于当地需求的情况。这就需要从境外输入电力，或向境外输出。

地区的电力消费量减去地区利用风力及太阳能生产的发电量，剩下的部分称为“剩余电力”（residue power），而风力及太阳能发电会有变动，因此要想提高可再生能源的比例，剩余电力就必须是能够吸收风力等发电量变化的灵活电源，而且还需要具备足够应对天气变化的容量。天然气与生物质的热电联产（CHP：Combined Heat & Power）可满足这个条件。抽水和蓄电池虽然灵活，但自身无法发电，而且容量有限。

为提高可再生能源的比例生物质备受期待。德国等欧洲各国拥有丰富的森林资源，而且牧畜业繁荣，牲畜粪便的排放量大。而且种植着大量的玉米等燃料作物。作为生物燃料，木质有木片等固体燃料，牲畜粪便和玉米等则通过微生物发酵生成沼气。

但开发生物质发电也面临着不少课题。作为风力和太阳能的剩余电力，生物质发电不仅有可能得不到有效利用，而且还需要照顾与热需求之间的平衡。这些课题需要逐一解决，并吸引足够的投资。

借助100％的可再生能源重振哈尔茨地区

“RegModHarz”（Regenerative Model Region Harz）项目顾名思义，是把哈尔茨作为样板，利用能源重振地区的尝试。哈尔茨地区位于德国中心偏北的山区（资料2）。原本是一个拥有24万人口的完整区域，但受到东西德分裂的影响，这里如今分属3个州。为了实现宏伟的能源目标，德国准备在这里，对自然资源丰富的地区应当承担的作用及系统构建进行验证和模拟。

让我们先来通过2008年的实际数据，来大致了解哈尔茨地区的电力供需情况（资料3）。地区内的电力消费量为1300吉瓦时（1吉为10亿），占德国整体的0.2％。发电容量为191兆瓦（1兆为100万）。发电量为467吉瓦时，其中，水力占5％，风力占67％，太阳能占2％，生物燃气占7％，生物质占2％，天然气热电联产占18％。除以地区内的消费量1300吉瓦时，推定自给率为36％，其中30％是可再生能源。但是，在这样的情况下，风力及太阳能发电输出功率的变化仍然会造成过剩或是短缺。以15分钟为单位进行估算，从地区外输入电力的比例为65％，向地区外输出的比例为2％。

RegModHarz项目进行模拟的对象是2008年实际数据、2020年方案以及100％可再生能源方案，其中，风力和太阳能的输出功率将大幅增加。风力将按照151兆瓦→248兆瓦→630兆瓦，太阳能将按照10兆瓦→90兆瓦→708兆瓦的速度扩大。随着两种发电方式的比例增加，发电量的变化随之增大，输入输出的规模也会扩大。而且，在不同的季节和时段，发电量会发生变化，电力价格也会发生变化。二者的权重越大，生物质这种灵活电源就愈发重要。

在电力交易市场上直接买卖可再生能源发电

对于生物质发电，德国采取了怎样的引导措施？其关键词是与市场直接交易（Direct Marketing）。

德国政府于2009年1月修改固定价格收购制度（FIT：Feed in Tariff），使可再生能源发电可直接在电力交易市场上销售。按照固定价格收购制度的规定，输配电企业要在20年的时间里，以固定的优惠价格收购可再生能源发电，但随着制度的修改，发电方也可选择直接向市场销售。但是，因为市场价格一般低于收购价格，所以市场销售不受青睐。

2012年1月，德国实行“市场溢价”，给直接市场交易提供了机会。这是在市场价格低于收购价格时补齐差价的制度。协议以月为单位签订，国家按月均市场价格减去固定价格的差额给予补偿。如果在高价位时段销售的电量多，利润也会相应增加。

直接交易需要企业提供销量与销售时间的预期，偏离预期需支付违约金。为了弥补风险，国家将向企业支付“管理溢价”。随着预测精度的提高，溢价逐渐缩小。并且，对于生物燃气发电，由于要按照供需调整输出，运转会受到限制，因此为了弥补损失，国家将向企业支付“弹性溢价”。

生物质与火力发电一样使用燃料，输出功率有望保持稳定。能够按照预定进行输出和供电，可以较高的市场价格出售。通过推测次日市场的价格和自身的发电容量，精确上报利润最高的时间和销量。因此，能够享受较高的市场溢价，以及各种溢价。

此次制度修订虽然也给风力等变动电源带来了相应的好处，但生物质得到的实惠最大，成为了一大投资诱因。因为人们可以作出判断，灵活的可再生能源发电具有相当高的价值。在政策支持下，生物质更容易得到融资，这也起到了刺激追加投资的作用。

生物质直接交易的期待与课题

生物质虽然得到了制度的力挺，但课题也不少。推行直接交易后，越来越多的生物质发电企业开始采取在市场行情高的时候发电并销售，在行情低的时候停止发电的方式。作为现场电源，生物质通过包括供热在内的热电联产（CHP）系统，利用效率会大幅提升。但电力市场的价格走向与地区的热需求未必一致。

如果根据电力市场的走向安排设备运转，生产的热量有可能超过需求。这就需要通过细致的合理控制，提高热泵的输出，或是利用蓄热设备增加热需求。如果热量低于需求，则要减少热需求，并且利用蓄热槽和生物质锅炉增加供热。

这就必须建设热电联产系统、锅炉、蓄热槽、热泵等设备。而为生物质发电设置市场溢价和管理溢价，正是为了促进这样的投资。

资料4表示了RegModHarz项目中，在进行直接买卖的情况下，生物燃气热电联产系统和生物燃气锅炉的运转情况。第1排是次日电力市场的价格变化，第2排是热能的供需变化，第3排是电能的供需变化，第4排是蓄热的容量和水平。企业要根据电力价格、热需求、蓄热设备的使用情况等因素，决定热电联产系统和锅炉的最佳运转方式。

判断什么是最佳的投资方式并不简单，因为其中掺杂着电力交易市场、地区的电能和热能需求、地区的天气预报等诸多变化因素。因此，开发包含了这些参数的模拟软件成为了首要任务。总而言之，就是积累技术经验。而E-Energy能够为开发这样的软件提供验证。

最终答案是构筑灵活的供应系统

如上所述，要想实现100％可再生能源发电，重点在于增加风力和太阳能的发电量，开发能够吸收发电量变化的灵活电源“生物质”，构筑推动需求转移的机制。修改固定价格收购制度，采用与电力交易市场进行直接交易的方式，称得上是这一举措的撒手锏。

而生物质热电联产需要使电能与热能取得平衡。电力交易的最佳答案并不一定适合当地的热需求。热电联产同时产生一定比例的热能。而传统的热电联产一般是以热需求为准，同时产生电能，因此，借助以需求响应为基础的热需求转移，应该可以实现一定程度的调整。

但是，对于普及可再生能源发电来说，根据电力市场的动向，使供电利润达到最大，作为副产品而产生一定的热能，这才是合理的运转方式。按照固定价格收购制度的评价方式，生物质热电联产作为本地灵活电源的价值要高于作为供热设备的价值。因此，调整地区的热需求将会采用开关锅炉、蓄热设备蓄热放热、供热管道蓄热放热、需求转移等方式。

但是，要想实现100％可再生能源，单靠热需求转移、设置蓄热设备存在局限性。还需要构筑包含电能、热能以及燃料在内的“地区灵活供应系统”。在生物质热电联产方面，与生成作为燃料的“生物燃气”之间进行协调将变得重要（资料5）。

综合利用电、热、气三大网络

作为燃料，生物燃气受进行消化发酵的微生物活动的影响，建立能够稳定进行消化活动的环境是基本条件。如果把与电力市场直接交易作为前提，那么，发电量要与按照一定速度生成的生物燃气之间相互协调。通过设置储气罐，提纯甲烷气体注入燃气管道等方式，调整剩余和不足。也就是利用剩余电力电解氢气，使氢气与通过生物燃气精炼工序分离出来的二氧化碳反应，制造甲烷气体，作为燃料储存。

以木质生物质作为燃料时，燃料的调整虽然会更加灵活，但存放圆木和边角料、木片和木粒需要庞大的空间。而且，收集和运输所占的权重也会增加，这样一来，就必须要完善物流。

综上所述，在可再生能源丰富的地区使可再生能源电力达到100％有着很大的可行性，但实现的关键，在于构建充分利用电、热、气网络的灵活系统。这些网络是出色的地区基础设施，拥有完善设施的地区拥有很大的潜力。必须要加以利用。

通过利用热泵和冷藏仓库等的“灵活消费”，和利用生物质等发电及蓄电池的“灵活供应”，吸收电力输出的变化。而且，作为“灵活供需要素”，把电能转化成燃料储存，按需供电、供热的系统也将变得重要。

精通电力工学的专家认为，对于电能，广域（以国家为单位，以欧盟为单位等）控制的效率更高。因为这样不仅能够有效利用火力和抽水等现有稳压电源，还有望起到稳定风力和太阳能发电功率的效果（使天气不同的各地之间平均化）。

但前提是广域电网有余力，而且建设供电网需要相当长的时间。再考虑到燃料和热需求，因此，完善广域调整以及地区调整能力都是必备条件。

要在地方城市及地区实现100％利用可再生能源，需要充分利用输配电网、热管、燃气管道3大网络，制定电、热、燃气的最佳调度计划，在地区内建立能源循环。如果得以实现，企业还可以根据3个价格，实现合理控制。

德国的本地型智能电网E-Energy是与日本的燃气行业提出的智能能源网络相似的概念。在德国，电、热、气网络已经基本完善，为成功创造了条件。

遗憾的是，日本的热能和燃料网络比较脆弱，还有待于今后进行完善。在完善之前，除了依赖蓄电池之外，恐怕别无他法，但这或许能够压缩蓄电池的成本，创造出日本独特的新模式。（作者：山家公雄，日经能源环境网 供稿）

（发布：杜晓萌）