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虚拟发电站对比大规模集中型电力系统

阅读:58          发布时间:2019/5/9

欧盟(EU)提出了到2020年使可再生能源比例达到20%的目标,各成员国都在为此而扩大采用可再生能源。尤其是在这方面比较先进的德国和丹麦,随着输出功率变化较大的风力及太阳能发电的增加,正在积力于由以火力发电为中心的集中型系统向分布型系统转移,以及实现电力需求控制。通过日经BP清洁技术研究所汇总的《新一代社会创造项目总览》,可以清楚地看到欧洲勇于改革以化石资源为前提的能源系统的姿态。

电能50%、热能65%依靠可再生能源的城镇

德国西南部的弗莱堡市人口约为20万。该市以限制汽车进入市区的交通政策而受到人们关注,在采取全球变暖对策方面也不遗余力。提出了通过节能和采用可再生能源,在2030年之前,使二氧化碳排放量较1992年减少40%的目标。

作为环境政策示范地区,该市于1997年开始,对位于该市南端、面积38公顷的Vauban区域进行了再开发。该区把额定输出功率为5000千瓦(2500千瓦×2座)的热电联产系统作为能源系统的核心在连接热电联产设施与住宅的地下,铺设了输电线和运送温水的管道,总长达12公里。2012年,这里共生产并供应了1400万千瓦时的电能和640万千瓦时的热能。热能全部加以利用,短缺的电能利用其他区域电力公司的电力系统网供电予以弥补。热电联产一年的综合热效率约为80%。

热电联产的燃料是木质片材和天然气,2012年木质片材的利用量达到1.5万立方米。在Vauban区域内,通过燃烧生物质、在建筑屋顶设置太阳热系统等,所需热能的约65%由可再生能源满足。

在电能方面,通过生物质发电和太阳能发电,约50%的电能来源于可再生能源。木质片材使用的是弗莱堡以东森林地区(黑森林)的林业产生的疏伐材等。

Vauban地区深受欢迎,截至2013年5月,该地区人口已经超过最初计划,达到了5500人(2300户)。其中4成是有小孩的家庭。按照预定,新公寓建成后,人口将增加到约6000人。

“可再生能源比例超过30%”或将实现

在Vauban地区,可再生能源在电能和热能中所占的比例已经超过50%,率先步入了德国乃至欧洲力争实现的未来社会。欧盟提出的目标“到2020年使可再生能源占20%”是以一次能源作为分母,也包括了汽车燃料。但是,鉴于汽车脱离化石燃料还有相当长的路要走,要想达成“20%”的目标,就需要把电能与热能中可再生能源的比例提高到30~40%,以抵消汽车使用的化石燃料。德国政府之所以提出到2020年,把电能中可再生能源所占的比例从现在的约20%提高到35%的目标,原因正在于此。

其实,欧洲已经有了像瑞典韦克舍(人口7万)这样,全市供电几乎100%依靠可再生能源的城市。与Vauban一样,韦克舍也使用以木质片材为燃料的热电联产设备,向住宅和设施供应电能与热能。因为生物质发电比较容易按照电力需求调整发电量,所以能够在维持电能质量的同时,提高可再生能源的比例。

但是,今后有望大幅增加的风力和太阳能设备很难按照需求进行发电,受天气的影响输出功率变化较大。要想使电网中的电流频率保持一定,就需要在瞬间使电力需求与供应达到一致。

吸收风力与太阳能的输出功率变化,通常是通过利用能在短时间内调节输出功率的天然气火力发电,或是控制水力发电的输出功率。

但这样的调节电源容量有限,有看法认为,如果并网的风力与太阳能所发电力接近30%,电能质量将会出现问题。在欧洲,可再生能源比例已出现超过30%的苗头,届时应如何维持电能质量的问题已浮出水面。

如果增设天然气火力发电,或设置电力系统使用的大型蓄电池,虽然可以吸收风力和太阳能的输出功率变化,但需要耗费巨大的成本。因此,欧洲目前的研发热点,是低成本储能(蓄能设备)技术,和配合可再生能源输出功率控制用电方需求的技术。

成本低于蓄电池的储氢系统

在丹麦的洛兰岛(Lolland),利用氢气储存风力发电电能的实证项目已经开始实施。其机制是,当风力发电量大,供电量超出需求时,就用剩余的电能电解水,制备成氢气储存在储罐中;在没有风的日子等无法发电时,再使用事先储存的氢气,利用燃料电池进行发电,充分利用电能与废热。

这个项目的实施地点是韦斯滕斯考(Vestenskov),位于洛兰岛最大的城镇纳克斯考(Nakskov)以南5公里处。在当地远离住宅区的海岸附近的空地上,设置了电解水制备氢气的装置,以及压缩氢气进行储存的储罐(图2)。

氢气通过导管输送至住宅,利用家用燃料电池热电联产系统发电,供应电能与热能。从2011年开始,已有35栋住宅设置了功率为1.5千瓦的固体高分子型燃料电池(PEFC)。

第二阶段的实证实验将于2013年年底开始实施,计划在约1万栋住宅中设置内置小型制氢装置(水电解装置)的燃料电池系统。如此一来,就可以节省设置氢气输送导管的成本。还可利用制备氢气时产生的废热加热温水存储在住宅内的储罐中以供使用。并且还计划将制备的氢气用于燃料电池车。与蓄电池相比,储氢系统具有成本更低、可以长期储存的优点。

德国和法国也已经开始实施利用氢储存可再生能源的计划。德国正在柏林郊外进行利用风力所发电力制造氢,再把氢气掺入生物燃气中予以供应的实证实验。法国也从2012年1月开始进行尝试,利用其南部科西嘉岛设置的太阳能发电设施的电力制备氢气并储存,并将其应用于燃料电池。

利用电力市场控制需求

与低成本储能同时进行的实证实验还有电力需求控制。德国“E-Energy”项目的内容之一,就是力争通过使用电方具有灵活性,平衡风电场的输出功率变动。进行了实证的调节用电需求的方法有两个,一个是把650处住宅和工厂作为对象,一个是充分利用商用冷冻冷藏仓库、市营泳池等设施的大型压缩机。

以住宅和工厂为对象进行实证的机制是,在根据天气预报预测到风力发电运转率将提高的情况下,通过事先通知,对用电给予奖励,在预测风力发电运转率会降低的情况下,通过事先通知,对用电课以罚金。结果显示,与不进行通知相比,增减分别实现了30%左右的需求调节。

另一方面,使用冷冻冷藏仓库的实证尝试采取的机制是,使风力发电与冷冻冷藏仓库、电力市场联动,在风力发电量大、电能价格便宜的时段,启动压缩机充分冷却库内,当电能单价上涨时则停止买电,关闭压缩机等。结果显示,即使将作为风力和太阳能发电的调节电源的火力发电站等的利用率减少15%,也可以维持地区的供需平衡,同时,冷冻冷藏仓库的运营商还节约了6~8%的电费。

在丹麦的博恩霍姆岛(Bornholm),由欧洲10国加盟的“EcoGrid EU Consortium”也在积极开展实证项目,其内容是利用电力市场更加机动灵活地控制用电需求。

在博恩霍姆岛,供电量的50%以上由可再生能源满足,上述实证项目作为平衡供需变动的方法,创建了“实时电力市场”。验证根据供需情况时刻变动电力价格,活跃电力交易市场,从而以电力市场为基础,确保供需平衡的机制。

由于风力发电量的增减等,市场价格以分钟为单位发生变化,各家庭通过住宅内的智能网关和控制器实时收集价格信息并作出判断,由控制器根据价格自动控制家电运转状态。

蓄电池是最后的手段

日本所进行的智慧城市相关实证项目大都是利用蓄电池使风力和太阳能发电的输出功率变动实现平均化的尝试。对于拥有很多具有实力的蓄电池厂商的日本而言,这样做也是为了创建新的蓄电池市场。但欧美却认为,在可再生能源平均化技术中,“蓄电池是最后的手段”。现在,对实现更低廉的储能以及“需求灵活化”的挑战已经开始。

一般观点认为,在输送风力和太阳能所发的电力时,考虑到在天气不同的地区之间实现输出功率平均化的效果,及可利用多座火力发电站调节输出功率,还是接入规模大的电网在维持电能质量方面更为有利。

但现在有看法指出,这一理论在可再生能源比例约为10%的时候尚可成立,但在接近40%的情况下,倘若把调节太阳能和风力发电输出功率变化的重任直接推给基础电网,会增加电力系统整体崩溃的风险。

因此,欧洲目前正在进行摸索,先利用地区输电网将风力和太阳能的输出功率变动缓和到一定程度,然后再接入基础输电网,建立这样一种输电系统。备受期待的方法就是在短时间内自动控制电力需求,以及利用氢系统等的低成本储能。而且,如果像弗莱堡Vauban地区那样,拥有使用生物质的分布型发电系统,其输出功率调节也可以用来维持地区内的供需平衡。

欧洲已通过政策明确提出了把可再生能源作为基础电源予以扶植的方针。为了大量接纳会有变动的电源,现在,欧洲的电力系统相关企业都在竞相开发“虚拟发电站”,这是一种优化整合分布型电源、储能系统以及需求控制的技术。在今后,“虚拟发电站”能否逐渐取代大规模集中型电力系统?还是作为一种“设想”而告终?在欧洲开展的实证项目所取得的成果将成为决定因素。

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