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深度丨能源转型到储能革命 德国能源转型下的一次壮举

北极星储能网  来源:交能网  作者:悦悦  2018/12/5 9:54:48  我要投稿  

北极星储能网讯:纵观目前全世界各国的能源转型过程,德国无疑可以称为全球能源转型的标杆。首先,德国其实并不是一个传统的可再生能源资源大国,无法像挪威一样大力发展水电;其次,德国是一个传统能源生产和消费大国,著名的鲁尔区一直都是煤炭开采和消费的主要地区,在这样的背景下,德国的可在生能源发电量在2017年达到38.2%,而这其中68%的贡献来自风能和太阳能这样不稳定的一次能源,而这个比例依然还有上升得趋势。不稳定的可再生能源发电比重迅速上升,使得德国成为了一个再理想不过的储能试验田。

(来源:交能网 ID:jiaonengwang 作者:玉昇 悦悦)

能源转型到储能革命

从新能源消纳的角度来看,在能源转型的下一个阶段,储能技术无疑会是未来能源系统的关键。传统的电力系统,因为发电可以根据需求进行调整,不需要太多的储能容量。随着更多的可再生能源的并网利用,情况发生了戏剧性的变化,因为风力涡轮机和太阳能光伏发电系统的发电量对于天气的依赖性较强,加上分布式发电系统的多元化,各种电力并网的协调控制也越来越动态化,要想大力发展清洁能源,大容量储能必不可少。除了能够保障大量可再生能源电力的消纳以外,储能技术还能完美的起到供给侧的行业耦合的作用。所谓行业耦合,就是通过相关基础设施和储能将交通行业、工业和建筑行业的供能整合在一起,以方便各行业的能源供应,同时减少各行业的碳排放。下图列出来储能的各种应用:

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但由于投资和运营成本的问题,在未来的几十年里,大规模的储能设施只能在一些示范项目中慢慢摸索。但如果换一种思路,把无数的小型家用储能设备和电动汽车电池作为储能设备,是不是也能保证未来的大容量储能需求呢?此外,可再生能源的份额不断上升,整个能源系统的趋势也是从一个高度集中的能源系统向分散、灵活和可再生的分布式能源系统进行转变,家用储能设备和电动汽车的分布式储能恰恰可以提供这种转换所需的灵活性。这种想法在德国催生了一个独特、充满活力储能行业,甚至可以说是加速德国能源清洁化的关键。

家用和电动汽车的电池所能做到的仅仅是间歇性的储能,通过电价或等补贴,或者其他的激励措施,鼓励用户在可再生能源富余的时候,消耗多余的电量。但仅仅是这么一小步,就被称为了德国能源转型下的一次壮举,甚至被称为“能源消纳的圣杯”。根据媒体的报道,德国的现在的可再生能源份额已经超过了三分之一,多数是得益于各种十分新颖的创新储能项目,很多时候储能设施都是由家用电器和电动汽车来代替,每个项目的独特点都在于那些新颖的创新商业模式。这种间接性储能的商业模式,很有可能颠覆能源领域现有的一些商业模式。

特别是最近在电池价格大幅下跌的推动下,德国家用储能设备的需求剧增,截止到2018年夏末,德国安装了10万个家用太阳能电池,电动汽车数量的更是不断增加,这两点意味着,一波更大的电池储能革命浪潮正向德国袭来。

户用储能系统的爆发

锂电池在电子产品以及在电动汽车中越来越多的应用,使得锂离子电池价格的大幅下跌。在不到5年的时间里,德国的电池成本下降了一半以上,未来还将继续下降。户用储能电池的主要作用有:

光伏储能:由于光伏发电的不可控性,其特性曲线是:仅在白天尤其是午间发电,利用电池将白天发的电储存起来。尤其是对于住宅光伏客户,储能系统能大大提升自身的光伏发电量使用效率。PV储能系统的主要经济性体现在他们自身的电力消耗比率较低,从而能减少从公共电网获取的电量。通过添加电池,理论上该比率可以上升到100%,但由于经济性原因很少能够真正实现。目前在欧洲,单个光伏系统的自耗率平均为35%,电池价格占整个储能系统费用的50%以上。

户用调峰及需求侧响应:另外,户用储能电池还可以用于用户需求侧响应,用户可在电网负荷较小的情况下,利用电池充电;在电网负荷较大的时候,利用电池进行供电,能够大大降低电网负荷,同时节约电力成本。能起到这样作用的电池主要是户用光伏储能电池和家用电动汽车电池。根据研究显示,未来电动汽车电池在该方面的应用前景十分可观。未来超过70% 的电动汽车电池可用作户用电池调峰。

据麦肯锡预测:“到2035年,基于设计的进步、规模经济和流程的简化,储能系统的总成本将下降50%至70%。”IRENA甚至预计,到2030年,安装电池的价格将下降50%到66%。

欧洲经济研究中心(ZEW)的德国能源行业专家预计,鉴于市场力量,以及能源转型在交通和供暖领域的不断扩张,未来几年对电力存储的需求将大幅增加。超过70%的人表示,他们相信电池将是未来10年增长最快的领域,而蓄热能力的增长潜力排名第二。

德国的私人家庭对户用光伏储能的接受程度也越来越高。目前,大约一半的新住宅太阳能光伏系统都配有储能电池系统。据亚琛工大的研究显示,越来越多的家庭表示,电价越来越高,为了削减电力支出,降低对电网的依赖性,更愿意使用光伏储能系统,目前德国在户用光伏储能方面做得最好的两家企业是Sonnen和Solarwatt。

太阳能行业协会BSWSolar预计,未来几年,家用电池将继续迅速普及,价格进一步下跌将使经济形势向更有利于户用储能系统普及的方向转变,德国最早将在2020年突破20万个系统的门槛。

除此之外,因为本世纪初建造的数十万个屋顶光伏系统在运行了20年之后,将达到支持费用(即所谓的上网电价)的终点,这些系统将继续以接近于零的成本发电,而从电网获取的电力每千瓦时的成本约为28欧分。这使得家用电池的普及可能会进一步加速。

传统能源企业面临挑战

德国住宅储能的迅速普及,一方面加速了可再生能源的消纳,另一方面也加速了能源数字化转型,这无疑对德国传统的公用事业企业构成了一定的挑战,许多德国传统能源企业因为来不及面对这么迅速的能源转型和数字化转型而陷入了一定的混乱。此外,家用储能系统的发展,使得家用光伏能源提供的能源占比大大提高,目前已可以达到70%的户用电力需求。也就是说,对于那些传统售电公司来说意味着,每10个客户里会损失掉7个客户。

此外,以后的趋势是,一些户用光伏的业主能够在虚拟社区与其他业主共享他们自己产生的电能,比如我们曾经介绍过的Design Netz的项目。按照那些户用电池制作商(比如:Sonnen)的愿景,这种商业模式在以后甚至可以使家庭用户完全脱离对传统公用事业的依赖。Sonnen就是这项技术在德国和海外的知名的倡导者。Sonnen计划在澳大利亚建设世界上最大的户用储能社群网络,将4万户家庭连接在一个“虚拟发电厂”中。

据麦肯锡报告,电池的普及,将会导致能源市场洗牌,催生大量的赢家和输家,和传统的能源行业易于垄断的特质不同,以后的能源系统一定是多元化的,是否能够占有市场份额的因素,将取决于成本下降的速度。存储时代的到来,对于Sonnen等这些专门从事分布式能源的公司、科技制造商和金融企业来说,毫无疑问是一个创造历史的绝佳机会。而公用事业公司也必须学会适应未来能源系统的灵活发展,加强风险管理和应对能力,其中关键的一点就是发展更多的创新商业模式,目前发展得比较成熟的一种就是合同能源管理商业模式,即:能源服务商可以为业主提供设备管理和交易管理,在保障业主的收益最大化的情况下,收取一定量的服务费或者按比例提成。

有一些德国比较大的公用事业公司,比如EnBW,能够发展的商业模式就更多了。他们自己会向用户便宜出售或租赁自己的家用光伏+储能设备,以获取管理那些设备的权限,这样就完美的创造了完全属于自己的能源社区,占据当地的能源服务市场。

EnBW发言人Heiko Willrett在接受《清洁能源电线》采访时曾表示,未来能源系统向分布式的转变是能源领域的主要趋势之一,而储能会是未来稳定能源系统、保障供电可靠性的核心角色,公用事业公司需要重新思考出应对分布式能源系统的新商业模式。

储能如何能做到能源转型的过渡

德国的储能行业人员已经超过12000人(其中约5000人从事电池行业),和国内相比,这个数字当然少得可怜,但是考虑到市场体量,这个人数目前已经超过了德国的褐煤行业工作岗位的一半。根据德国能源存储协会BVES的预测,2018年储能行业的总销售额预计将增长10%,达到51亿欧元。德国政府和煤炭委员会(coal commission)希望在目前计划的脱碳期间,通过将电池生产商吸引到煤炭开采地区,一方面充分利用该地区资源,另一方面保障该地区的人口就业问题。目前德国脱碳的最大障碍,其实已经不是技术上的问题,最大的争论是,能源转型导致传统煤炭行业人员失业的问题,如果通过上述措施能够保证人口失业问题得到解决,那么德国脱碳之路上的最大障碍也会消失。

据德国媒体的报道,一个千兆级的电池工厂创造的新就业岗位与褐煤采矿的旧岗位相似。鉴于在德国这些工作的薪资水平类似,受影响的工人也不需要搬家。目前德国正在考虑建造多个巨型电池工厂,并在积极招商引资,吸引德国海内外的投资机构,下面是今年的几个比较轰动的例子:

·德国国家经济秘书长Bareiß在2018年8月底表示,波兰和德国将宣布在德国东部的褐煤矿区Lusatia和波兰西部开展电池生产合作。

·不久之后,德国经济部长彼得•阿尔特迈尔(Peter Altmaier)在9月又宣布,德国将开始在国内自主大力生产电池,但没有透露更多细节。

·特斯拉创始人埃隆•马斯克(Elon Musk)也曾公开发言,特斯拉可能会在法德边境附近开设自己的电池工厂,而该地区靠近德国的雷尼什(Rhenish)矿区。

·对于国内电池行业的技术人员,可能已经了解到宁德时代CATL已于2018年7月计划在东部的图林根州(Thuringia)建造一个巨型工厂,为德国汽车制造商提供低成本的动力电池,助力德国汽车行业向低排放的转型,因为德国汽车公司迄今不愿投资电池生产。

除了电池之外的其他可能

储能的原理早在几十年前就不是什么新鲜事。“经典”的抽水蓄能技术就是在电力富余的时候,利用水泵将电力转化为势能,在需要的时候,又把水放出来,将势能转化为电力。但在德国,适合建造抽水蓄能电站的空间非常小,因为那里的山区很少,而且公众对这种会破坏环境的新项目有强烈的抵制。这就是为什么德国人还在努力寻找其他方式来储存可再生能源。目前人们对电池的热情有时掩盖了这样一个事实,即世界第四大经济体的脱碳需要许多其他技术,因为电池根本无法储存更长时间的能量,也无法储存足够的能量。这就是为什么除了完成煤炭开采到电池生产的转变之外,以热能的形式储存,或者以气体或液体燃料的形式储存可再生能源(比如Power-to-Gas技术)的技术,对于大量或者长时间储能也很重要的原因。

热储能目前正在研究当中,德国航空航天中心(DLR)提出了一种利用煤炭行业现有储热设备来缓解脱碳计划的替代方法。研究人员建议将可再生能源产生的热量储存在废弃燃煤电厂装满液态盐的大水箱中,并利用现有的蒸汽发生器和涡轮机将热量转化为电能。德国政府已经表示,将研究“使用不再需要大规模蓄热的发电厂”的可能性。DLR称,如果这些项目得以实现,目前约有一半的燃煤电厂员工可以保住工作。

至于Power-to-Gas技术储能的案例,在德国目前有非常多,其中比较有名的是德国的MEKS项目。MEKS“是施普伦贝格多能互补集成发电系统(Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg)的缩写,项目坐落于德国东部小市阿姆梅伦塞的小镇施普伦贝格。这个多能互补集成发电系统利用先进智能系统集成技术将风力发电和光伏发电结合,所发电量可以实时馈入电网;多余的电量又可以结合制氢装置,制得的氢气可以储存或馈入当地天然气管道。MEKS项目将该地区的创新发电和存储技术结合起来,充分利用该地区的新能源资源,同时为当地现有发电厂提供了可持续利用潜力。

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