核心提示：風電和太陽能是未來可再生能源集成系統的基石，然而其波動性需要電力消費者的適應，并且需要其他能源或儲能方式作為備用供給。當前的很多儲能方案都具有可行性，但各自在技術、媒介和成本上大有不同。這些不同類型的儲能方式要滿足供電、供熱和供冷的集成供給，重點還要看各自的靈活性和反應時間。

未來，可再生能源將成為全球能源供給的主要來源已是不可忽視的事實。隨著化石能源的日益枯竭以及核能成本的持續上漲，可再生能源的介入為解決能源需求提供了更為靈活的選擇。然而，可再生能源的發展也面臨著巨大挑戰，其發電出力的波動性勢必需要一個全新的電力系統來適應。就風電和太陽能來說，一些技術成熟的有效集成解決方案在其波動性的適應上已卓有成效。

在可再生能源集成解決方案的研究上，丹麥一直走在世界前沿，尤其是熱電聯產方式的區域集中供熱供冷系統的運營更是非常成功，其模式也值得推廣。本文圍繞丹麥能源尤其是分布式可再生能源以及能源集成解決方案等方面展開討論。

能源系統的變革

隨著氣候變化和資源稀缺的加劇，全球能源系統也處在大變革的邊緣。為了大幅降低二氧化碳排放量，建立一套基于可再生能源充分利用的能源系統是十分必要的。毋庸置疑的是，在未來的20或30年間，全球能源系統將會與現有能源系統大有不同。向未來可持續能源過渡的技術模塊已經以分散式熱電站、風力發電、大、小型沼氣廠、太陽能、各類生物質能以及水力發電等形式存在。因此，當下首要的任務就是整合這些不同形式的可再生能源(可借助天然氣)，以最大限度地提高可再生能源的利用率，因為任何單一形式的可再生能源都不可能孤立發展。未來可再生能源的集成轉化，需要對各種形式的可再生能源設施，包括大型和小型發電廠，進行重組利用。只基于當前成本低廉的技術開發是遠遠不夠的，有可能導致諸如大型風電機組的單向利用等問題，因此必須采取多方措施，如建立多樣化供應系統、能源儲存和節能機制，包括合理的用戶管理策略等。

大多數國家長期依賴于以化石能源為主導的能源體系，制約了波動出力的太陽能和風電形成長效的自主系統。如此形成的后果之一是，電力過剩時可再生能源就處于閑置、甚至白白浪費掉的狀態。在風電占比較大的地區，由于當地電網接納能力不足，機組經常間歇性啟停。同樣地，當熱電聯產(CHP)的產能與風電產能一樣過剩時，就會出現額外的剩余電力。隨著越來越多的風電并入電網，加上熱電聯產系統利用率的提高，這類問題的出現也會日益頻繁。實踐證明，電鍋爐和熱泵利用風電的過剩產能進行供熱、供冷是一種成本較低的解決方案，丹麥的能源體系也可以很好地適應這種產能利用方式。電力供需失衡意味著風電、太陽能和熱電聯產等發電出力占比較大時，會周期性地出現產能過剩的問題，但其實這是可避免的。適當的公共電力管控就能夠很好地解決波動性發電出力的問題，比如采取一些激勵措施，如合理利用所謂的過剩電力，避免周期性的低價電力出售，在強風區建立與電力供應峰值匹配的主輸電線路和集成系統等。

除卻自身的波動性，風電和太陽能具有的無限潛能在現有能源體系下，足可以作為支柱能源滿足未來供電、供暖的需求。未來，在風電和太陽能利用率較高的地區，二者極有可能成為全年大多數時間甚至更長時間內占全年電力供應100%的基線電力。而儲能方式穩定的生物質能，在有限利用下，也可以為CHP的產能提供自身85%或更多的能效，其主要功能是用于協調平衡風電和太陽能產能不足時的情況。電力儲存也將通過現有的需求側管理方式，成為高效能、可持續、成本低的電熱冷一體化的能源集成系統中的關鍵一環。

在2012年3月的能源協議中，丹麥政府計劃于2020年實現風電占全國電力供應50%的目標，這就加大了對風電場成功建設施行中可能遇到的選址和其他問題的關注。根據這項能源協議，2020年丹麥將新增海上風電裝機容量1800MW，新增近海風電容量500MW，新增陸上風電容量1000MW，這就意味著風電裝機的大規模增長。截至2014年，丹麥風力發電已滿足全國34%的電力需求，到2020年將會達到50%。在用電低峰期和高風速時段，風力發電完全可以滿足全部的用電需求，按當地水平換算，風電占比也許會達到實際電力消費的400%。強大的跨國電力互補仍然對丹麥的電力上調和下調政策起著至關重要的作用，然而這也許只是短期的解決方案，作為當下過剩電力的進口國很可能在未來對購買鄰國電力失去興趣，因為丹麥也考慮到，這樣做只會增加鄰國的可再生能源利用比。

現有的儲能系統雖然種類多樣，但可投入使用并且有商業利用價值的只有少數。而且，這些儲能技術是集中式應用還是分散式應用則需要結合各自的投資額，損失量以及發展潛能進行綜合比對才能得出。儲能方案的選取也需結合各自的局限性、環境影響度、地勢需求、應用重點、投資復雜性以及效益等方面綜合考慮。而且，儲能技術還要達到容量、靈活度、響應時間以及成本效益的最優化。

目前，類似電解制氫、制氣、海水淡化等技術的風電就地消納方案正不斷涌現。本文下節將根據一些先驅國家(以丹麥為例)所面臨的各種新型電源管理的需求和挑戰，重點放在對可再生能源的應用以及電力平衡的技術解決方案上。除了儲能技術，用于供熱、供冷的水力發電和生物質發電與供熱供冷的結合應用也將作為操作性高的輔助解決方案來討論。從全球范圍來看，這些方案的應用雖然有限，但是隨著可再生能源的持續增長，電力供熱供冷系統的構建似乎是必不可少的。

圖1 丹麥風電裝機容量統計以及風電占國內電力需求的比例圖

圖2 各類能源的發電比例圖

圖3 熱電聯產系統示意圖

丹麥能源發展簡史

丹麥以其風電產業和大規模的風力發電聞名于世界。從長遠來看，區域供暖加上熱電聯產(CHP)的模式非常重要，這種轉變也是減少丹麥二氧化碳排放量的重點舉措。然而，CHP要達到滿足60%的電力需求以及70%的供熱需求，就需要建立一套逐漸過渡到完全由可再生能源供給的公共基礎設施。

丹麥用了大約10年的時間，大幅實現了由低能效、集中式、利用化石能源發電向區域自主發電、電力消費者自有發電的轉變。巧合地是，這種轉變花費的時間相當于建造一個核電站的時間。丹麥一直沒有、未來也不會有建立核電站的計劃，早在1985年，丹麥的國家能源計劃書中就已將核能發電計劃剔除。

在30年的經濟發展中，丹麥一直保持著能源供給的穩定性。在此期間，國家對小型熱電聯產項目以及可再生能源有了了解并給予了支持。1975年-2000年，丹麥已經減少了30%用于住宅供暖的化石能源消費。在1975年還處于100%依賴石油為主要能源供給的丹麥，在同期也已經通過各種方式將化石能源的消費降低到40%，能源消費種類也變得多樣化，包括對石油、煤炭、天然氣以及可再生能源的利用。整個這段時期，全國能源的總消耗量相當于2000萬噸燃油消耗量。

20世紀90年代，熱電聯產(CHP)在丹麥的城鎮、村莊以及150處住宅落戶，小型CHP則與區域供暖系統結合起來。熱電聯產電廠包括一個或者多個CHP單元，高負荷鍋爐以及儲熱系統。熱電聯產單元一般由發動機、燃氣輪機(有些是蒸汽輪機)或者循環發電機組組成。

電力波動性供給的解決

在熱能需求高峰以及大風時段，CHP加上風力發電聯合并入電網的電量要遠大于消費者需求電量。在這種情況下，CHP就不僅是提供電量，而更需要通過集中供熱系統向消費者提供熱能，發的電可以看做是一種副產品。

風力發電向電網輸送的電量多少是由盛行風決定的，并且與CHP和太陽能發電共同向同一個電網系統輸送電力。對于現有電網來說，早期風電和太陽能發電在平衡電力供給方面不存在需要特殊解決的問題。而風電占比一旦超過20%或者更多，那就必須有相應的應對舉措。如果說每年風電都占電力供應的20%,那就意味著在很多時刻甚至很長天數內，風電都可以完全滿足實際的電力需求。在風電裝機高度集中的地區，風電就可以保證該地區的基本用電負荷。

為了電力供需的總體平衡，可采取如下措施：

a.儲存電力以備風電和太陽能供電不足時使用

b.間歇性停止部分風電機組的運行

c.向鄰國輸送電力

d.鼓勵電力需求側管理機制的應用

e.尋找可再生能源在工業用電和供冷供熱用電方面的創新利用法

向鄰國輸送電力需要長距離傳輸線路架設等巨額投資，因此并不是一個長期的解決方案。大風區有時處在跨境區，因此丹麥的鄰國在大風期也會擴大風電出力。根據稅率的差異，丹麥可以鼓勵工業用電和家庭用電方式的轉變，如根據供電情況，操作定制機器、在夜間洗衣服、給電動汽車充放電等方法調節電力供應。然而，改變消費者的習慣還是有一定的局限性。比如，電動車車主可能更愿意在早晨開著充滿電的車離開，而不愿意為省幾分錢避開用電高峰期。

丹麥有600個分散式燃氣CHP可以在幾分鐘內完成啟停，因此他們可以很好地適應可再生能源的波動性。相反地，傳統的火電站以及核電站等則可能需要幾個小時甚至一天完成啟停。分散式供電系統只能盡力構建一個完善的供電系統以應對國家的電力管制。作為丹麥電力供應國有運營商，Energinet.dk計劃將國家供電系統分散成50000-100000個小系統，每個小系統都是基于當地的風電和CHP的電力自給系統，這將充分發揮分散式和多樣化電力系統的優勢。

可再生能源發電與供熱的結合將會逐漸增大風電和太陽能在電力系統中的占比，因為在溫和氣候區，供熱需求要遠超電力需求的兩倍之多。隨著熱水冷卻(安裝熱能驅動的吸收式熱泵)使用率的提高，其不僅在溫和氣候區的使用更為現實，在風電和太陽能發電出力與當地CHP的結合利用上也將更為普遍、靈活。因此供熱、供冷與熱水的需求可能成為風電和太陽能發電的最大產能出口。而且，這種利用形式的初始投資也很低，尤其是當地的區域性供熱供冷網絡已經處于施用中。同時，新的集中供熱系統的構成也是技術成熟、成本較低、效能較高的一種解決方案，也將為100%可再生能源發電出力提供管理上的靈活性。在某些抽水蓄能利用廣泛能地區，這也成為優先的解決方案，但是也會因地形條件的不同而受到一定的局限性。

圖4 電熱鍋爐圖

圖5 燃氣CHP圖

圖6 CHP在丹麥福堡的應用

風電和太陽能可以作為能源供應的主要來源，而成本低、易存儲的生物質能可以作為理想的備用能源。而且，在風電和太陽能充足的情況下，生物質能也不應被白白消耗掉。從環境友好和經濟發展兩方面看，風電的過剩產能轉化為區域供暖和熱水儲存的價值與替代燃料的消耗價值相當，可以說除了將多余電力低價輸送到鄰國外，這是一種最優解決方案。

上調和下調政策的實施

風電和太陽能不能獨立承擔持續的電力供給。未來的能源供給方案將完全由波動性的可再生能源為主導，那么以下這三種典型情況的調節方案則可滿足實際的電力需求：

a風電和太陽能產能過高;則需下調措施，如將剩余電力轉化、儲存或者出口;

b風電和太陽能產能過低;則需上調措施，如使用儲備電力或者向鄰國進口電力;

c風電和太陽能無產能;則全部的電力供應由儲備電力和進口電力來滿足。

風電和太陽能是未來可再生能源集成系統的基石，然而其波動性需要電力消費者的適應，并且需要其他能源或儲能方式作為備用供給。當前的很多儲能方案都具有可行性，但各自在技術、媒介和成本上大有不同。這些不同類型的儲能方式要滿足供電、供熱和供冷的集成供給，重點還要看各自的靈活性和反應時間。