如何应对可再生能源的波动

文/靳 强

面对全球气候变暖、能源短缺、环境污染等严峻挑战,大力发展以风能、太阳能、水能为代表的可再生能源,推动能源生产从传统能源向可再生能源转型,是我国乃至全球能源与经济实现可持续发展的重大需求。
可再生能源的波动性增加了发电和需求的双重不确定性,如何科学应对,是摆在人们面前的重大难题。目前,大致有两种解决方法。一种方法是,找到一种巧妙的策略,使得人们对能源的需求随着风能和太阳能供应量的增减而增减(即“需求管理”)。另一种更简单的方法是,储存多余的能源,以便在需求高峰期使用,比如,美国特斯拉公司在澳大利亚建造的锂离子超级电池,就是很直观的例子。
作为全球最大的锂离子电池,它能同时为3万户家庭供电,可以应对澳大利亚南部地区的一系列停电事故。但特斯拉的锂离子超级电池不乏局限性。它所容纳的能量能够应对单日内的供需失衡,若要应对一个月或一个季度的能量波动时,其制造成本就过于高昂,这也是实现100%可再生能源发电的最大障碍。因此,可再生能源的储存设备,不仅要能存储数月之久,其成本也要控制在合理范围内。

水力发电
水力发电有着较为可靠的储存技术,而且具有较好的发展前景。水库是储存雨水的巨型设施,当用电需求达到顶峰时,可以通过发电涡轮机释放。一些水电站也可以利用非高峰时段的多余能量将水抽上坡,以备下一次通过动力涡轮机运行。这种抽水蓄能技术占据了全球电能储存的绝大部分份额,而且仍有很大的发展空间。
如今,这项技术在全球各地重新流行起来。过去十年中,我国的储水能力增加了一倍多,并计划再翻一番。技术升级,使得那些缺少充足水资源或地理位置不具优势的地方也能实施,例如,澳大利亚正在评估一个大型沿海工厂,通过将海水提升到邻近高原上的水库(海拔约260米)来储存电力。
但是,由于其他环境因素的存在,水力发电的储存方案极为复杂。毕竟大部分水要用来维持河流生态系统、灌溉作物以及满足城市日常用水等。此外,居民的迁移、兴修水利也是大工程。

电转气技术
目前来看,比较有希望的解决方案是迅速改进技术,将剩余电能转化为可燃氢、甲烷,甚至合成柴油燃料,以实现大容量存储。
电转气技术是使用电力将水分解成氢气和氧气。氢气作为清洁能源,有着广阔的应用前景,比如驱动车辆和工业锅炉等。氢气还可以被压缩送入天然气管道,输往大型储存地,以备能源需求高峰期使用。氢气甚至可以进一步与二氧化碳反应,生成的甲烷可替代地下天然气。
一些专家并不赞成电转气技术,他们认为用于电解水的电解槽,效率低且价格高(是电池的好几倍)。但电转气技术的支持者认为,这项技术应用于长期储能时,经济预算会更低。比如,随着储存量的增加,储电电池成本也不断增加,储存两倍的电量就需要两倍的电池容量,而储存两倍的气体只需要增加设备运行时间即可,因此,储存量越多,电解槽的经济优势就越明显。如果以100%可再生能源发电所需的储存量来计算,电解槽的成本就远低于储电电池。

区域间共享能源
采用区域间共享能源,也是应对可再生能源波动的一种方式。毕竟,风总是喜欢停留在一个地方,没有风的地方则可能阳光充沛。如果能够实现风能和太阳能的跨地域运输,那么就可减少能源的储存量。
这需要更高效的超级电网。利用常规交流电源线的完整横截面,传输高压直流,可以降低传输过程中遇到的电阻。在数千千米的传输中,超级电网以较小的损失传输较大的电能。
我国已经建立了一系列大规模的输电线路,以供应沿海大城市的用电需求。目前,我国即将完成的一项输电工程,西起新疆,东至安徽,全长3324千米,输送电压等级提升到1100千伏,输送容量增至1200万千瓦,是目前世界上输送距离最远、电压等级最高、输送容量最大、技术水平最先进的特高压直流输电工程。这将使我国西北部闲置的风能、太阳能发电厂恢复运行。
特高压技术的完善,也提高了建立全球超级电网的可能性。届时,可再生能源将更稳定、更廉价、更充足。不过,对于洲际超级电网来说,更大的挑战一方面来自地缘文化差异,另一方面来自民众的抵制。
2013年,德国电网监管机构批准了三条高压直流输电线路,以平衡北海风能与德国南部太阳能的分布不均。然而迫于民众压力,德国政府不得不将电缆改铺在地下,时间点也从原计划的2022年推迟到2025年。
2015年,一项研究表明,欧洲通过增进邻国间的相互协作即可实现100%可再生能源发电,从而无须构建超级电网。但是这样做会增加能源消耗,而且也面临当地居民的反对。
民众的反对,加上技术、经济上的挑战,使得实现0100%可再生能源发电的目标更艰难,但是许多科学家的态度依然乐观。支持者一如既往地持有信心,而不少反对者也在转变思想。

需求管理
可再生能源发电的波动性给电网运营商带来了巨大的挑战,这要求电网运营商必须不断平衡供需。随着可再生能源占比的不断提升,这个挑战将愈发严峻。
虽然天然气发电会排放二氧化碳,但是可以根据需求随时调整发电量。如果放弃天然气而选择可再生能源发电,那么我们将如何应对供应量骤减的问题?
一种被称为“需求管理”的解决方案,成本最低。它要求在某些时刻调节能源需求以保持电网平衡。英国国家电网等运营商激励企业在需求高峰期削减使用量,或者在供应激增时提高产量,但这个过程越来越复杂。
如今,智能系统和机器学习技术,使电网运营商能够巧妙地调整与网络相连的各种住宅设备。未来,当可再生能源运行时,越来越多的设备将自动激活;当可再生能源不运行时,它们将自动关闭。
需求管理对于消费者而言,其实是无关紧要的,但对电网来说大有裨益。既然我们已经掌握了所需要的技术,只要用创新方法来实现就可以。

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