风电、光伏等新能源可以直接并入电网么?有哪些技术问题需要解决?
清洁的可再生能源存在一些先天不足的问题。作为重要可再生能源的风能和太阳能都存在间歇性问题,这是风能和太阳能发电发展的障碍之一。为此,电网专家先后提出了分布式能源网和微电网的解决方案,但目前要解决的技术问题还有很多。
人类目前正处于从化石能源到可再生能源的关键转型期。然而,清洁的可再生能源生产、运输和储存成本较高的不足注定了这场能源革命多舛的道路。
从第二次世界大战结束后一直到今天,全球大多数国家的国民生产总值和能源消耗水平的增减趋势基本同步,这说明能源很大程度上充当了经济发展这台发动机的燃料。地球人口的膨胀、全球工业化程度的提高和经济的发展使得人类越来越无法摆脱对能源的依赖。煤炭、石油、天然气等化石燃料属于一次性能源,不可再生性决定了其无法作为长久能源使用。另外,燃烧化石燃料释放出的温室气体严重影响气候,导致各种极端天气的出现频率上升。2014 年世界卫生组织在一份报告中指出,燃烧化石燃料造成的空气污染导致人类发病率和死亡率上升是化石燃料的隐性成本。化石燃料的种种缺点促使人类转而使用更清洁的可再生能源。此外,全球石油价格牢牢掌控在几个石油输出国手中,使用更多可再生能源可以摆脱能源价格牵制,也是实现国家能源安全必须采取的举措。
世界各国都在尽可能地减少碳排放。2015 年召开的巴黎气候峰会上,参会国就限制全球平均气温变化达成了新约定。除了减少碳排放,提高可再生能源的使用率也是预防气候变化的有效手段。目前可再生能源中应用最广泛、技术最成熟的有水能、风能和太阳能,其他常见的可再生能源还包括海洋能、地热能和生物质能等。虽然使用铀来发电的核能并不属于化石能源,但是由于铀矿储藏量也是有限的, 所以现行核裂变发电不算是可再生能源。据国际能源署的报告,截至 2016 年底,在全球发电总量中超过 24% 的电力来自可再生能源,其中水能发电占 17.5%,风能发电占 4%,太阳能发电占 1.5%。尽管如此,一场从主要使用化石能源到主要使用可再生能源的革命正在全世界兴起。
间歇性和波动性问题
清洁的可再生能源存在一些先天不足的问题。作为重要可再生能源的风能和太阳能都存在间歇性问题,这是风能和太阳能发电发展的障碍之一。相比燃烧煤炭、石油和天然气的火电厂,风能和太阳能发电厂无法 24 小时稳定输出电力,因为风有时会停,夜间也没有太阳光。电力输出的波动性是可再生能源电厂的另一问题,水能、风能、太阳能等自然能时大时小,不可能维持发电厂的平稳电力输出。为了解决间歇性和波动性的问题,电网专家提出了分布式能源网的解决方案。
以煤炭、石油、天然气、水能、太阳能和核能为能源的大型发电厂属于集中发电站。相对于集中发电,分布式发电是一种由较靠近负载端且发电容量较小的小型发电设备所组成的系统。常见的分布式发电类型主要有热电联产、风能发电、太阳能发电和燃料电池。热电联产电厂除了生产电能,还可以利用已经向叶轮做过功的蒸汽为用户供暖。可再生能源的分布式发电在避免长距离传输带来高电能损耗的同时,也方便了一些距离大型电厂较远地区的用电。分布式电网也存在缺陷,最大的问题在于发电效率大大低于集中发电厂,由此带来的问题是电价过高。并且分布式电网需要单独的系统和维护人员,一旦系统发生故障,短期内很难从别处调度电力。
电力工程师们在分布式电网的基础上,又提出了微电网的解决方案。微电网是把分布式电源和它所供能的负荷以及能量转换、保护、监控等装置作为一个系统,形成一个小型的完整电网,以储能设备或者微型燃气轮机之类可控的电源维持系统的稳定。微电网与大电网相连,当微电网无法自给自足时,可以从大电网调配电力补偿;当微电网发电有盈余时,又能将多余的电送回大电网。但从目前的数据看,世界范围内的微电网数量不超过 1000 个,且大多无法做到和大电网之间的无缝切换,目前微电网要解决的技术难题还有很多。
多余的能源怎么储存?
仅在 2014 年,我国弃水、弃风、弃光损失电量超过 300 亿千瓦时。如果能将这部分浪费掉的电能储存起来,将大大提高可再生能源的利用率,同时也能有效解决可再生能源发电厂间歇性和波动性的问题。常见的储能方式包括电池、储能飞轮、抽水蓄能和压缩空气储能等。目前最先进的锂离子电池的能量密度(每千克能源物质中蕴含的总能量)平均只相当于汽油的 1/100 左右。储能飞轮技术不如电池成熟,而且目前只能做到分钟级的蓄能。较为普遍的储能方式是抽水蓄能,抽水蓄能站将用电低谷期多余的电力以重力势能形式储存起来,需要时再用这部分重力势能来发电。
目前,抽水蓄能在储能市场中占据绝对优势,不过压缩空气储能已显现出赶超的势头。在用电低谷期间,压缩空气储能站利用多余的电能驱动压缩机,将空气压缩至高压并存于储气室中,使电能转化为空气的内能存储起来,然后在用电高峰期将高压空气和天然气混合,驱动燃气轮机发电机组发电。但是,目前只有美国和德国有投入商业运营的压缩空气储能站。大规模储能站至少要保证 20~30 年的稳定运行,对储能站的可靠性要求极高。其次,储能站的增减产要足够灵活,同时要考虑储能成本。因此,储能技术从实验室到市场的路还很长。