浅谈德国能源革命中储能的经验

可再生能源是德国最重要的电力来源，德国的EEG法案就是为了增加可再生能源的份额而诞生的。截止到2019年初，德国的可再生能源所占的比例已经达到38%，根据EEG法案的要求，到2025年可再生能源所占的比例将达到40%-45%。

(图中绿色部分为可再生能源所占比例)

通过右图可以看到，风能16.3%，水电3.1%，生物质发电和太阳能分别为6.9%和6.1%。其中风能和太阳能占22.4%。那么问题来了，风能和太阳能都是看天吃饭的能源，具有很强的不稳定性。随着可再生能源的扩张，这种不稳定性会逐渐扩大。如何保证电网或者能源的平稳安全，就成了德国能源革命的重要目标。解决这一问题的其中一个有效方法就是储能技术。

目前德国储能方面有哪些技术措施呢?主要有如下几种：

1.光伏电池储能(power to battery)，也就是户用光伏发电系统配备锂电池储能。随着德国电价的上升，电池价格的下降，越来越多的用户选择锂电池作为储能设备。有些用户甚至可以做到电费0支出。

2.电动汽车电池储能，技术原理就是将汽车电池作为储能电池使用。电动车的普及也使得这种技术大规模推广成为了现实。

3.最经典的抽水蓄能，电力富余时，通过水泵将电能转化为势能。电力不足时，势能转化为电能。

4.热储能，将电能转化为热能，比如说，通过蓄热罐，将通过电加热后的热水存储起来，用于供热。德国2018年可再生能源在供热制冷方面所占的比例为14%，这也使得蓄热罐作为储能手段具有了很强的可行性。目前，德国研究人员又提出了一种新理念，将可再生能源产生的热量存储在巨大的液态盐箱中，其温度可达到400-500℃，可以代替锅炉。这样，对于利用现有火电厂汽轮机设备，再将热能转为电能。由于技术，成本，设备等诸多因素，还没有实现量产。但是我个人非常看好这个技术手段，我国是工业大国，目前的工业废水处理技术是通过蒸发结晶得到纯度很高的单组分盐，一方面变危废为宝，另一方面降低成本。

5.电转气储能，将可再生能源转化为氢气，电解水后得到氢气。

上图为电解水制氢的原理图

对于我国来说，锂电池的成本相对还是过高，单独将锂电池作为储能手段不太现实，如果通过废旧电池回收或者电动汽车电池回收，那另当别论。对于热储能，具体来说是再生能源供热，山西的热价格也是相对很低的，因此也不现实。抽水蓄能已经有很多案例了，但是山西不具备这样的条件。电转气储能对于山西来说可能是最可行的措施。德国氢气储能技术中，非常具有参考性的就是施普伦贝格多能互补集成发电系统(Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg)项目位于德国布兰登堡州小镇施普伦贝格。系统采用先进的能源管理技术，将风电和光电耦合，一部分电量可以直接并网，多余的电量制得的氢气可以储存或者并入当地燃气管网。非常具体创新性，也非常符合我国目前能源结构的要求。

该系统主要由以下组成：

1. 5 MW电解水制氢设备2.光伏电站3.风力电站4.燃气电厂5.储气系统6.系统内变电站及现有中高压变电站(并网使用)

项目位于德国布兰登堡州小镇施普伦贝格，紧邻一回220kV电源，一回380kV电源，为并网发电提供了有利条件。同时项目紧邻一条当地的天然气管道，为氢气并网也提供有利条件。

风力场及光伏电站，风力发电机数量有45台，每台发电机功率约为3-4 MW，可为12万户家庭提供足够的电量。电站功率主要集中在0-36MW之间，峰值功率可达到120MW。

光伏电站装机容量为10MW。

电解制氢装置：模块化5MW电解系统，采用3D电极，气体-液体两相流，有效增加点解效率。该装置可利用盈余电力生产氢气，通过管路，送往储气罐。

气体管道及储气装置：通过气体运输管道，可将制得的氢气送入燃气网供市政供热。或通过储气装置将氢气储存在Thyhof燃气发电站，储气罐容量为48万m3，可单独储存氢气使用。

燃气轮机机组：一方面，该设备可为氢气适配的燃气轮机做相关研究;另一方面，该燃气轮机机组可消纳制得的氢气，起到到调峰作用。

该系统的主要特点如下：1.风/光互补-更多的清洁能源2.更均匀的电力输出3.更好的经济效益4.充分利用电力盈余5.氢气用于交通6.大规模储能(氢气的能量密度很高)7.氢气可由燃气电厂再转换为电能。

Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg项目的主要难点有两个，一个是控制系统，一个是气体系统。如何保证各个电源有效配合，灵活适应用电侧负荷，同时保证供电的安全性，对控制系统提出了极高的要求。同时氢气的存储，以及燃气轮机在天然气与氢气之间的切换，也是一个难点。我们山西有着极其丰富的煤层气资源，瓦斯发电站装机容量也在逐年增加;晋北地区天高云淡，是光伏发电的理想环境，太行吕梁二山山巅上的风电厂也在为百姓提供清洁的能源。很多条件都与本项目类似，不难看出，Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg项目中确实有许多值得我们借鉴的经验。

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参考资料：

https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/erneuerbare-energien

https://www.eti-brandenburg.de