可再生能源发展瓶颈浅析

在光伏电池和风力发电机发明近150年后,它们的发电量仍只占全球总量的7%,而现在正发生着一些翻天覆地的变化。十多年前它们还是次要的能源系统,但现在它们的增长速度超过其他任何能源,并且下降的成本也使得其竞争力能够与化石燃料相抗衡。那么,制约新能源渗透率提高的因素是什么?是技术因素还是市场问题?

可再生能源大量接入时对电力系统造成的影响

可再生能源出力具有间隙性,非常不稳定,大量接入电网时会造成很大的冲击。新能源机组接入后,电力系统的惯量会减小,导致系统频率的变化超过规定值,电力系统面临重新启动与系统崩溃的风险。

系统惯量是由在网的同步发电机数量和大小决定的,当新能源接入增加,在网同步发电机组相应减少时,失去同样常规机组造成了更快以及更大的系统频率的变化导致系统不稳定,因此大部分国家的政策是对新能源机组的接入比例进行限制,如英国要求风力发电机组所占比例不超过40%。

大量新能源机组接入后对常规机组灵活性要求增高。著名的光伏发电鸭子图可以说明这一问题。可再生能源出力常常具有反调峰特性,简单说就是电力系统是要求即发即用的,每一个实时都要求发用平衡,而新能源发电与我们用电的习惯正好相反。

当光伏发电大量接入时,系统运行所面临的一个问题是,太阳很快就落山了,而用电高峰正好开始,那么系统需要在两三个小时内将原本由光伏发电所供应的电力需求转由常规机组去提供。随着光伏接入量增大,这个鸭脖坡度会变得更陡,那么对于常规机组的上网速度要求就越高。因此电力系统面临一个艰难的选择,要么提前切掉一部分光伏,让这个脖子的坡度没那么陡峭,要么就是让大家投资更昂贵更能快速反应的机组。

当新能源渗透率过高时,需要考虑电力系统的运行安全问题。新能源发电最大的特点是输出的变化大和不可预测性。电网仍然需要一定数量的燃烧化石能源的机组来为系统提供基础负荷的支持,而且还时刻需要变化功率来照顾系统需求侧负荷的功率变化。所有电力系统调度需要一定的备用容量,以防止新能源输出不及预期。备用容量一般为一定数量的火力机组半载运行。

可再生能源的分布与我们的用能地区常常是不重合的,电网输送通道有限,这也是导致我国西部能源无法有效外送到东部消纳的重要原因。

可再生能源市场瓶颈

化石能源的价格还远远没有到达可以完全让我们舍弃的地步。在这方面,政府对于市场的干预影响会比较大。比如对新能源的价格补贴和研究资助等等。但是补贴不是可持续的,真正使新能源有竞争力还是需要靠更好的技术。在欧洲,环境税是非常高的,这种政策可以平衡能源市场,让能源价格的拐点来得更早,而且相比较于价格补贴更可持续,这种选择压力也会促使企业增加对于新能源的研发。

突破可再生能源瓶颈的措施

众所周知,德国和其他一些国家通过较先进的电力技术,已经成功地使电网接纳了相当大比例的可再生能源电力。这些技术分别是:发挥区域或全国互联电网在接纳不同电源上的杠杆作用;提高可再生能源发电预测预报技术;整合可调度的可再生能源;增加分布式储能设施;利用电力需求侧响应。

电源多样化以及互联电网。德国和丹麦都与两个以上的邻国交换电力,以此来平衡风电场和光伏电站出力的波动性。例如,丹麦在国内电量有盈余的时候将风电向境外输送,当国内电量不足时又从挪威电网输入水电。

提高可再生能源发电预测预报能力。现代光伏发电和风力发电是已知发电技术中最可靠的技术类型,但是他们的出力会随时间和气候的变化出现较大波动。幸运的是,发电机与电力负荷并非一一对应,所有的发电机共同服务于整个电网,电网将这些发电机联接到一起,为所有的电力负荷供电。这样,德国电力巨头莱茵集团与西门子合作,通过波动性可再生能源构成的多种能源结构,“合成”了稳定的出力。这些稳定、可靠的电源来自对多种波动性电源的精心设计与安排。因此,对波动性电源出力必须准确预测。尽管还有进步的空间,但现在的预测技术已经相当先进,对光伏和风电的预测往往比对电力需求的预测还准确。例如,在多风暴天气的冬季个别月份,法国电网运营商所记录的全国实际风电发电情况与其前一天预测的数值非常接近。

整合可调度的可再生能源。现代电网运营商也融合了更广泛的电源,他们先从地理位置和类型上多样化的风电和光伏发电入手,然后增加其他能调度的可再生能源,这些能源在任何需要的时候都可以启动并且运行状态良好,譬如大型和小型水电、几种新兴的海洋能、太阳能光热电站、地热能,以及生物质能、沼气发电等。

增加分布式储能设施。另一个重要的灵活电源是分布式储电或储热。有了智能电网,汽车充电可以是双向的,在特需情况下可以由汽车反向供电。特斯拉和其他一些电动汽车商以及太阳能开发商都在尝试开发这样的功能。作为目前全球最大的电池生产商,特斯拉也正在利用其全球一流的电池和汽车逆变器,为建筑物和工厂提供有效、可靠和经济的分布式储能系统。

利用电力需求侧响应。运营商也可结合电力需求侧响应,控制和影响电力用户的个体用电行为。也许你的电热水器会偶尔停止工作一刻钟,但你却永远不会注意到这类“负荷管理”策略。利用智能控制技术,许多建筑设备和工业生产过程可以悄无声息地使电力需求与电网的灵活性相协调。现代通信技术、分布式智能控制、透明化定价结合节能技术,使得电力需求侧响应成为比预想中更强大、更普适的一种方式。需求侧响应的新形式正在不断地涌现。

能源的发展史,其实就是人们不断变换、组合和优化资源并寻求最大化使用资源的过程。终有一天,石油、煤炭这些化石能源将被取代。但是何时被取代、被谁取代?目前来看还没有任何新能源具备化石能源的经济性、稳定性和便利性,新能源短期内不会完全替代传统化石能源或完全取代旧能源。但可再生能源占比超过传统能源还是有可能的。

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