可再生能源发展与电网管理理念的初步探讨，本文主要内容关键词为：电网论文,管理理念论文,可再生能源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、中国当前能否实现从以煤为主的能源结构向可再生能源为主的能源结构的方向“转变”？
去年，全国基本没有实现“节能降耗4％和污染物减排2％”的“双指标”①，引起社会的广泛关注。笔者认为，指标的实现与一个问题相关——中国能否实现以煤为主的能源结构向可再生能源为主的能源结构的方向“转变”。
可再生能源具有许多优点：无污染、零排放、“取之不尽、用之不竭”。如果以上“转变”得以实现，“双指标”的达成是顺理成章的事情，还能为子孙万代提供永世持续利用的巨大能源。正如胡锦涛总书记在“2005年北京国际可再生能源大会”上致辞中提出的两个“必由之路”，“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”
这样的“必由之路”能否达成？“转变”能否实现？需要从技术与经济两个角度进行验证。
可再生能源技术较为成熟的主要有水能、风能、太阳能、生物质能等。
水电技术发展最成熟，成本也只有火电的一半。② 风力发电技术完全成熟，国外风电成本已与煤电相当，甚至低于煤电，价格仍在下降中。③ 太阳能光伏发电已进入商业化运行，其成本已下降到每千瓦时0.18美元④，美国政府希望能在2015年将成本下降到煤电水平，并为达到该目标制定了详细规划。⑤ 太阳能热发电达到实用化阶段，成本下降速度虽不及光电，但新近发明成果可令关键部件实现量产，这将使成本大幅下降。生物质能已进入研发示范阶段，据国际能源署估计，2020-2030年技术将达到商业化。⑥
如此看来，这样的“转变”在可再生能源的技术与成本上均无原则性的不可逾越的障碍。但是，一旦这种“转变”开始实现，必然要面对另一个严重的问题，那就是可再生能源的“间歇性”问题。
二、实现“转变”的“瓶颈”——间歇性问题提出。
可再生能源具有间歇性，以风能和太阳能为例，“有风有电，无风无电”、“有太阳有电，无太阳无电”，功率输出会随着外界能量的变化而发生涨落。因此，它们加入电网，会对电网造成冲击，电网能否承受这样的冲击，是并网连接前必须解决的问题。
事实证明，可再生能源的加入将加重电网负担，电网公司需预留更多的资源来维持电力系统内部的供需平衡，保障电网稳定、安全运行。原因是，需求是波动的，电网公司的调度机构必须在对需求进行预测的基础上，安排机组运行、跟踪需求波动，使供给与需求达到平衡。此外，调度机构还要留足备用以应付突发状况。而风能和太阳能的间歇性使供应侧也发生波动。这样，常规调节手段不仅要平衡需求波动，还要平衡供应侧内部可再生电力的波动，如此一来必然加重电网的负担。由间歇性引起的波动是平滑的，它随着预测精度与地理分散性的提高有所改善。但与常规发电技术相比，这种波动会加重电网负担，已是不可否认的事实。
除风能和太阳能以外，水能、生物质能也在一定程度上存在间歇性的问题。水资源分布存在季节性，有枯水期与丰沛期之分，水电输出受来水量的变化而变化；同样的，生物质能在作物收割、播种等不同时期，其供电能力有所不同，在一定程度上也存在“间歇”的特性。
为什么可再生能源的发展初期没有遇到这种状况？
这是因为：目前可再生能源发展还处在“小打小闹”的阶段，在电网中占的份额非常小，其输出波动与需求波动的量级相比较可忽略不计。当可再生能源份额逐步加大，其输出波动将不可忽视。事实上，“间歇性”一直是反对者质疑的对象。虽然风电已在世界各地“所向披靡”、成为强有力的能源，但也首当其冲受到冲击。反对者们声称“风电是电网麻烦的制造者”。可见，“间歇性”的问题不解决，可再生能源的发展将永远停留在“小打小闹”的阶段，无法实现“大发展”。
“间歇性”的“瓶颈”能否冲破？国外研究交出了令人欣慰的“答卷”。
三、国外研究主流意见均认为：在份额为20％范围内，间歇性问题完全可以在技术上解决。
廷道尔气候变化研究中心⑦ 在一份新的报告中称，“至少20％的风力发电是不需要过多的额外运行成本的”。⑧ 在20％的份额以下，电力系统能在可接受的成本范围内“消化”间歇性引起的波动，间歇性不成为可再生能源发展的障碍。这个观点代表着大多数专家的共识。
丹麦已经成功整合21％风电。2003年丹麦电网已经成功整合了占电力整体消费21％⑨ 的风电，风电在局部电网中的份额已达到25％；某些情况下，风电已可以100％覆盖即时需求。
德国将整合3600万千瓦风电。2015年，德国电力将有至少20％来自可再生能源，其中风电的份额将达到14％；“消化”这部分电力，无需额外修建新电站，成本只需要适度增加。
英国将有20％电力由风能提供。英国研究指出，在20％份额以下，解决间歇性问题没有任何技术、经济的障碍。间歇性成本仅为每度电0.5-0.8英镑；摊分到用户，只占家用电费支出1％左右。
四、综合利用各种调峰电源，间歇性问题在份额20％以上可能通过技术完满解决。
20％以上的状况又如何？主流观点认为，当份额超过20％，仅靠现有的设备与资源不足以应付电网调峰、备用需求的增长。调峰，特别是深度调峰的需求对份额的增加是敏感的。当并网风机容量上升一倍，深度调峰需求将成倍增长。
反对者们认为，深度调峰需求的增长必然导致成本的急剧增加，在常规燃料价格飞涨的情况下，间歇性成本将使得风能变得无利可图。其论据是：深度调峰具有严苛的技术要求，必须由启动速度快、调节性能好、调节范围宽的设备和技术来承担。为弥补深度调峰的不足，电网需要在常规电力、尤其是昂贵的燃气轮机发电上花费大量的金钱。因为燃气轮机反应敏捷、调节速度快，能够迅速追踪波动，完全符合深度调峰的技术要求。但是它的缺点除了价格太贵以外，还有效率不高、资源不足的问题。只有在连续满负荷运转的情况下，燃气轮机发电才具有较高的效率。我国的天然气储量不足、资源的地域分布不均，在大规模、大容量的输送也存在一定的困难。
虽然燃气轮机发电有这样或那样的缺点，但是它仍是国际上最为推崇的调峰技术。可是，必须注意到，它并不是惟一选择，不应该把调峰选项局限在燃气轮机上。这也是反对者们忽略的重要问题所在，他们错误估计了其他调峰技术的发展潜力，忽视了多种调峰技术的综合利用带来的高效益。
事实上，能够承担深度调峰任务的，常规的还有抽水蓄能电站、水电站，甚至核电站；新型的还有带储热罐的太阳能热电站等。各地可据自身优势，合理选用不同技术，最大限度地发挥其潜力，“间歇性”问题也可以得到完满解决。
1.抽水蓄能电站
抽水蓄能电站在低需求时抽水用电、高需求时放水发电。因为同时具有削峰和填谷两项功能，所以它的调峰能力是普通启停调峰技术的2倍。它操作灵活，从全停到满负荷发电只需5分钟；从全停到满载抽水只需1分钟。它的缺点在于：（1）效率损失比较严重。由于存在多次质能转换，抽水蓄能的发电效率损失大概在25％左右。也就是说，每消耗掉4度电，只能换取3度电。（2）建站要求高，必须满足一定的地形、地势与地质条件。按照目前的发展趋势，我国可建站之地未能覆盖所有地区，未来的容量增长也将受到限制。
2.水电站
水电对可再生能源有互补作用。例如，风电，风大的季节，正好是枯水期，风小的季节正好是丰水期。这样的互补性让水电调峰能在关键时起作用。过去，大库容水电站才有较好的调蓄能力；如今，在常规水电站上加一组抽水泵，让下游的水通过水管回流到上游，这样的类抽水蓄能系统让径流式电站的调蓄能力有所改善，拓宽了水电调峰容量。但地域分布不均仍是水电的问题所在，西南的水电难以补足东部调峰容量的缺口。此外，许多电站必须优先满足供水灌溉和防洪需要，其调峰的容量和时机受到限制。
3.核电站
最能摆脱时空分布束缚的调峰技术是核电。核电可以调峰吗？答案是肯定的。核电能在一定程度上满足调峰需求，从核潜艇的变速即可见一斑。但它的局限性在于铀资源的不足。对铀资源的有效利用，目前比较统一意见是核能必须要用在关键的地方。而且，基于安全理由国家明确规定“核电机组一般不参与日调峰”。⑩ 但在需要迅速稳定需求的紧要关头，核能还是可以派上用场。
4.带储热罐的太阳能热电站
《物理学：基本概念及其方方面面的联系》（11） 一书的第453页给出“可再生能源发电与化石燃料发电的成本比较图”。图中值得注意的信息是：无论风电、光伏发电还是太阳能热发电，其成本都将下降到远低于天然气调峰电价水平（13美元/度）。从动态发展来看，天然气调峰电价受燃料价格攀升的影响，只会上升、难以下降；而几种可再生技术的发展势头良好，成本下降的速度快。这一升一降令可再生电力的成本优势凸现。而且，与常规调峰技术相比，无论从资源充沛性还是环境保护的角度来讲，可再生能源都是优越的。
但是，“间歇性”问题真的可以由可再生能源自己来解决么？答案是肯定的！这要依靠储能技术与可再生电力技术的结合来实现。
储能包括储热与储电。风电/光伏发电与储能电池相结合，太阳能热电技术与储热设备相结合。与储电相比较，储热技术的发展更为成熟，特别在大规模、大容量的储存领域来讲更是如此。带有储热罐的太阳能热电站完全具备调峰备用的技术性能要求。可以预见，它很有可能成为解决电网调峰容量不足的重要发展方向。
整个过程是这样完成的：经过太阳能的辐射-收集-接收后，聚集的热量经热传递储存在储热罐的储热介质中。与之相连的热机可以设计成尽量满足调峰、备用需要的样式，在电网的调峰需求高涨的时候，热机利用储存的热量进行发电。整个过程与常规热电站没有太大不同，仅是热量来源从化石燃料燃烧产热变成太阳能聚集产热而已。
这样的设计在技术研发上有很大便利，因为：（1）热机本来就是研发的热点，研发投入积极、规模很大；（2）储热一直是太阳能热电技术附带的研究课题。为确保热机在额定功率下工作、扩大太阳能电站的工作时限，单一的太阳能热电机组必须配备一定储热容量。（3）太阳能热电技术近来取得重大突破。新近报导的发明成果能让关键部件实现量产，成本将大幅下降。几种技术研发成果的集成，将使带储热罐的太阳能热电技术前途一片光明。
太阳能是“取之不尽，用之不竭”的清洁能源。在中国2/3的土地上，日照时间、辐射强度都达到世界较高水平，利用带储热罐的太阳能热电站进行调峰，将不会产生资源或环保的问题。
它的缺点在于：虽然太阳能资源分布比较平均，但牵涉到土地利用等问题，大规模太阳能热电站建设主要还得集中在西部与北部的荒漠或干旱、半干旱沙漠地带，因此资源的地域分布远离负荷中心的问题依然存在。再者，这种设计的有利可图是建立在调峰电价与基荷电价有所区分且相距较远的基础之上。这样的基础在中国并不具备。2006年发布的《并网发电辅助服务管理暂行办法》只就超出合同范围的深度调峰与备用予以补偿，一般调峰不做补偿，这样规定对“间歇性”问题的解决极其不利。可见，要解决“间歇性”问题，不仅要依靠技术，还要依靠正确的政策导向和管理理念。
需要补充说明的是，为什么风电/光伏发电与储能电池的“路子”不太走的通。这是因为储电技术在成本和容量升级两个问题上未能达到理想要求。不过，风电/光伏发电与储能电池的结合也一个有发展前景的方向，如果储能电池取得重大突破，该组合的广泛应用也是不无可能的，至少目前这一组合已广泛应用在各类小型供电装置上。
五、实现电网管理理念从“需求侧管理”到“供应侧管理”。
综上可知，“间歇性”问题解决的关键在于寻找合适的调峰技术与足够的调峰容量。从已有分析看来，几种调峰技术各有利弊，但在综合利用的基础上，最大限度的发挥技术与资源的潜力，那么即使是超过20％比重的可再生电力接入电网，在技术上都是不成问题的。
要实现可再生能源“大发展”的目标，这里还有几个关键问题——政策导向与管理理念的问题。
不同于技术等“硬指标”，政策与管理的问题都是“软问题”，不难解决；但再好的技术也需要强有力的政策支持与管理理念的配合。像带储热罐的太阳能热电技术，不管其调峰性能如何优越，一旦它失去“有利可图”的必要条件——调峰电价的区分，它的成本效益将无法体现，其技术优越性也就无从说起。
再者，区分调峰电价与基荷电价符合“按质定价”的原则。参与调峰的设备需要频繁调节输出，因此失去了在最佳条件下运行的机会；由于长期处于疲劳状态，设备的折旧加快、能耗增大、效率也会降低。如果没有区分调峰电价，电网公司承担调峰任务可谓得不偿失。过去为保障电网运行的安全，不得已要动用调峰备用资源；如果供给无法满足需求，还得拉闸限电。如今可再生能源要“大发展”，调峰备用需求增加不可避免，这种状况下，要电网公司大方迎接可再生电力并网简直是不可能的事情。要电网公司为可再生电力上网“大开方便之门”，首先得要有效区分调峰电价与基荷电价，让它们提供的服务体现出应有的价值。这一点，欧洲早已意识到。有人指出“风能必须要面对的障碍——并不是因为它的波动性，而是因为不公平、不自由的电力市场，其电价的失真与制度的缺乏。”（12）
最后，长期以来，我国在电力管理上推行的是“需求侧管理”理念。当电网不能有效地满足用户要求时，就“拉闸限电”；如果供应超过需求，就采取种种鼓励措施，号召“城市亮起来”，号召居民“电力供暖”。但是，为适应可再生能源的大发展，在电力管理上，还必须实现管理理念的大转变——从“需求侧管理”转到“供给侧管理”，或“供、需结合的侧管理”。这就要求电网公司在管理的技术上，发展一整套适应“供、需结合”的“侧管理”的新技术。
综上所述，间歇性问题不成为可再生资源发展的障碍，可再生能源大有可为。
注释：
①中华人民共和国中央人民政府.政府工作报告——2006年3月5日在第十届全国人民代表大会第四次会议上[Z].新华社，2007，3.
②张博庭.我国水能开发的可持续发展意义.华北电力大学演讲[Z].2007，3，27.
③何祚庥，王亦楠.风力发电“救济”电荒——风力发电是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择.物理教学[J].2005，2，p1.
④IEA.Renewables In Global Energy Supply:An IEA Fact Sheet.2007,1.
⑤王丹红.美国能源部发布太阳能技术新项目.科学时报[P].2007，3，14.
⑥IEA.Renewables In Global Energy Supply:An IEA Fact Sheet.2007,1.
⑦廷道尔气候变化研究中心，Tyndall Centre for Climate Change.
⑧乔治·马什.风力和其他可再生能源：电网能够容纳多少.国际可再生能源集志（中文版）[J].第2卷第2期.2006年5月.
⑨2003年数据，引用自：NEDO情報？システム部.米国その他数ケ国の再生可能工ネルギ一振興政策.NEDO海外.レポ一ト·NO.957，2005.6.15.
⑩电力工业部.并网电厂电力生产安全管理规定[Z].电安生（1997）239号，1997，4，28.
（11）本书是在美国各大学里，专门给政治、经济、社会、人文、法律等领域内的学生，包括研究生，较通俗地讲授物理学基础知识的一本标准教科书。2006年2月13日该书第四版问世。
（12）EWEA.Large-scale integration of wind energy in electricity systems,new industry study released-Distortions and institutional deficiencies in European electricity markets are main barriers.EWEA Newsletter.Brussels,15th December 2005.
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