首页 >> 物理 >> 环境 >> 文章

导读:2013年1月,陷入灰霾之中的中国,急需一个清晰的答案:如此严重的污染是怎么造成的?拿北京来说,城市的拥堵,让人们首先想到汽车排放的尾气,但假使停驶所有汽车可以还我们蓝天白云吗?答案恐怕是否定的。灰霾天气让人心生恐惧的一大原因是其往往意味着PM2.5污染颗粒物的严重超标,而化石燃料的燃烧是其主要来源,汽车消耗汽油、柴油只是化石能源应用的一种形式。此外,中国还是一个燃煤大国,70%的能源供给倚仗煤炭(数据源:高盛组图:中国能源利用现状及趋势),工业生产、居民供暖哪个也离不开燃煤。

未来中国的能源结构必将发生变化,这也是改变糟糕空气环境的治本之道。事实上,世界上已经有地方开始了变革,肩背欧债重担的德国,已经在路上。本文发表于2012年7月,小红猪此时放出此文,以期为思考如何解决中国环境危机的你提供一个能源变革层面的视角。

感谢译者doctor who

作者:David Talbot

原文:The Great German Energy Experiment

德国决心大大降低温室气体排放,但另一面却渐渐关闭核电站。这个高度工业化国家能依靠风力涡轮和太阳能板推动经济么?

【这些正在德国Görmin建设中的风力发电机这是全国22000台中的一部分,图片来源:Sean Gallup | Getty】

在德国西部North Rhine-Westphalia州的一条乡村路旁,居住着36岁的农夫。双手长满老茧、和蔼可亲的他是两个孩子的父亲,直到最近都一直做着普通的营生:种土豆与养猪。不过,作为欧洲最大的经济体,德国能源政策不同寻常的转变给了他新的机会。2003年,一家小型风力发电公司在Leurs的一块土豆田上竖起了一座70米高的风轮,而上百个遍布德国乡间的风力农场上总共有22,000座这样的风轮。Leurs可以获得电力销售6%的收益,这样每年大概可以有$9,500的收入,他正考虑增加两座或更多的风轮,每个都像之前那个一样高。

从风轮上获得的这点收益和他在太阳能电池板项目上的收益比起来还不算是多的。2005年,Leurs了解到政府正要求当地电厂高价购买太阳能转化而来的电能。他于是贷了款,在接下来的七年时间里,逐步在自己家的猪圈、谷仓和住所上都安装上了太阳能设备,甚至都不怎么管天气有阴晴,屋顶朝向也不尽完美。安装了690千瓦的太阳能电池板后,他现在每年可以获益$280,000,估计在偿还完贷款后还会有超过$2百万的收益。

有了Leur的故事,我们就知道为何德国在2011年就能将新能源产的电能的比例提升到20%,而2000年的时候,这一比例才是6%。德国保证了风能、太阳能、生物能和水力发电的高价格,而将成本转嫁到电费单中。像Leurs和小型发电厂这样的商家利用了现成的技术就锁定了收益。对他们来说,绿色是如此的容易。

不过,接下来就不这么容易了。2010年,德国政府宣布他们将实施称之为Energiwende的能源策略,可以说是一种能源的转向与革命。这个从化石能源到可再生能源的转变也是这个高度工业国家从未有过的雄心勃勃的计划,其目标是到2020年将温室气体排放在1990年的水平上减少40%;到本世纪中叶时减少80%。这个目标是富有挑战性的,不过考虑到德国目前已经有20%的电力是来源于几乎不排放温室气体的核能,要实现起来就不那么难了。可去年,为了应对日本福岛海啸过后的核危机带来的公众恐慌,首相默克尔命令立即关闭八座最老的核电站。几个月后,政府达成了计划:到2020年,关闭剩下的九个核电站。如今,Energiwende就不能再把这个德国最大的低碳电力资源计算在内了。

欧洲很大程度依赖于德国的经济。而德国必须在能源使用减少的情况下,以前所未有的规模,忍受巨大且不确定的成本,建立并使用新能源技术。这一转变还不能让工业受损,而工业离不开价格合理且稳定可靠的能源。“某种程度上,Energiwende是政治宣言却没有技术支撑”,GE Energy Germany的CEO Stephan Reimelt说,“德国是在强迫自己走向创新,结果就产生了之前从没有过的如此规模的工业实验室,我们必须时常动用很多不同的技术来完成这一转变”。

德国能源工业的主要企业正分头寻求新的策略。为了替代核能,他们争相在距离北海德国海岸较远处建立大的风力农场,与此同时建立新的传输设施将电力传输到德国的工业区。另一方面,像Siemens、GE、RWE这几个德国最大的发电公司则寻找新的方式,让公司在暂不涉足风能与太阳能的情况下能保持发展。他们寻求便宜的大规模的电力储存方式,也借助电脑更智能化的协调上百万个分散的电力资源。

【在德国Rostock北海港附近的船坞上,西门子公司正在建造一个可以容纳能够管理来自远海风力农场能量的设备的巨大平台,图片来源 Courtesy of Siemens】

这一转变的成本估算分歧也较大,主要取决于新技术的引进有多快,价格能降到多低。不同的几个经济智库预测德国需要花费1250亿到2500亿来拓展基础设施以及发放未来8年内的补助款,这相当于德国2011年GDP的3.5%至7%。长期下来的成本,包括核电站停运的成本,无疑将更高。

德国已经开始面临高成本能源的挑战。含有新能源附加费的电费每月上涨了15%;自从八个核电站关闭后,批发的电价上涨了约10%。德国的电网压力空前的大。讽刺的是,Energiwende的目标本来是减低温室气体排放,可关闭核电站导致的却是对煤电的依赖增加。

如果德国能成功实现能源转型,那就为其他的工业国家提供了可行的蓝图,他们也都面临着能源消费的转型压力。“人们正密切关注Energiwende,如果这个计划能在德国实现,那就为其他国家树立了一个样板,”RWE主任经济学家Graham Weale说,该公司正在处理的问题是如何在关闭核电站的情况下还能继续让电灯亮着。“如果不能成功,那将会对德国经济乃至整个欧洲造成很大破坏。”他说。

障碍

由实验室和工厂组成的能源巨子Siemens的工业建筑群坐落在Nuremberg往北20公里的Erlangen城,到访者在严密的安保监测下走进这个园区。西门子公司也是Energiwende的参与者。在其中的一个建筑里,有一个巨大的由钢铁和铜组成的嗡嗡作响机器,可以将30兆瓦的交流电转变成直流电。这个东西最终要安装到海上平台上,在那里,这些海上平台需要经受住几十年强劲的北海风暴。

德国需要这项技术,因为只在海上才有这种稳定的风能,而目前标准的交流传输电线却不能工作。目前,德国只在离岸90公里范围,不到40米的水深,安装了仅500兆瓦的海上风电。如今,能源公司计划安装10,000兆瓦的风电,离岸距离到160公里,水深达到70米。变电站将千兆瓦的交流电转化成直流电,这样做的好处是即使传输很长距离,能量损失也会较低。“世界上还没有哪个地方这样做,以这样的方式,这样的量级建立电网和连接,”荷兰电力公司Tennet公司发展主任Lex Hartman说。该公司也负责德国百万量级的北海项目的一部分。

当然,所有这些也只是把电输送到了岸边。电力的传输需要横贯德国到达南部的主要工业中心。这新需要3800公里的输电线,而目前只建成了200公里,不愿意腾出土地的地主以及地方的政治人物阻碍了项目的进展。拖延和新技术使得德国的海上风电项目本身成了一次赌博。“没有人知道Energiwende的成本会有多少,”Munich大学的能源经济学家Karen Pittel说,“不过尤其是这些风电项目,多少是试点工程”。

不确定性并不止于此。即使是现有的风电水平,在大风的日子,电网操作员也必须关闭机轮,因为没地方来储存这些能量。当阴云覆盖德国南部地区时,该地区的很多太阳能电池板的输出就会减少几百兆瓦,这样的效果就好像关闭了一座中型火力发电厂,增加了大停电的可能。

没有了足够廉价、可靠的电力来支持高科技工业和交通系统,德国的经济,连同整个欧洲就会陷入窘境。一些德国公司已经建立了一些新的设施。比如,去年化工公司Wacker Chemie决定在Tennessee建立一座多晶硅太阳能发电站,部分原因是德国的电费实在是太高了。Weale说,“供电的质量只要恶化一点点,对于高科技企业来说就是很严重的问题;我们已经看到,即使不停电,企业就已经变得很紧张了。”

为了避免灾难,德国将来必须大范围的开始布置储电技术和负载平衡策略。德国现有31座抽水蓄能站,晚间将水流抽到高处的蓄水池,然后利用向下的流水冲击涡轮发电。总计起来,这些储电站能储存38千兆瓦时的电能,这个听起来好像有很多,不过也超不过德国风力农场高峰输出90分钟的电能。

电池或许能帮上忙,不过目前的成本太高了,难以担当重任。在Erlangen的另一座建筑里,Siemens正采用三种不同的锂离子技术,建造几个拖车大小的电池。每个电池可以供40个德国家庭使用一天,不过电池太过于昂贵了,几乎做不了后备能源。相反,高科技企业都是拿这种电池来安然度过限电,比如8兆瓦的输出开上15分钟就能避免一些专门的设备昂贵的重新启动一次。锂电池的价格至少还得降一半,才能以一种经济的方式将风轮几个小时所产出的多余电能储存起来。

其他的集中储点的技术正在发展中,如果可行,也要几年才能变得实用。比如Siemens的一种新技术就是通过用多余的电来电解水产生氢气,不过目前还处于试验阶段且很贵。

当欧洲的电力系统面临压力之时,炎热的七月适时而至(文章写于2012年7月);当德国刚好要用空调的时候,涡轮机却停了。除非大规模且廉价的储电技术成熟,能迅速有效启动的燃气电厂才是应付这种情形的最实用的方式。不过,却没有多少激励措施来建立这样的电厂。如果想满足高峰用电的话,燃气电厂显然不能单靠运行几个小时就可以,因为在可预见的工作日的下午用电需求不会降低,可太阳和风能发电却是这会来,下一会就走了。

在Potsdam城的气候影响研究所的主任经济学家Ottmar Edenhofer说,“电力市场的设计将发生根本变化,你有一个浮动的需求,同时供应也是浮动的;这两方面的联系与相互作用已经是热门研究课题。新兴的市场有可能会失败”。

虚拟发电

在Essen西部的Duisburg是一个坚韧的城市,是二战时期的一个主要的军火制造中心,后遭盟军轰炸成为废墟。德国四大发电公司之一RWE就坐落在这里,如今正发展另一项关键的技术:虚拟电厂。计算机智能化的控制大量的小的电力资源(最终将电输送至储电站),统筹协调输出,拿到电力市场上出售。这个目标是克服单个新能源站点不可靠的缺点,将上千个新能源站转化成一个巨大的网络供公共设施使用。这是一个令人炫目的概念,不过仍是在襁褓中的技术。

在一座外形如巫婆的尖帽,由纳粹时期建造的防空洞前的是RWE的一个实验室,研究人员正在对十几个燃气炉和燃料电池进行测试,这些设备能同时产生热与电。理论上,可以要求成百上千个家庭单元,或更大一些的公寓或办公楼来用这样方式产生电能。以这种方式可以产生5%的电能,正好可以抵得上新的海上风电的产能。

要达到这点需要花费几十年的时间,等住户和商业逐渐替换掉现有的锅炉,然后安装设施到位来使这成百上千的能源点达到同步。不过,在Duisburg往东一小时车程,在Dortmund边上的一座1960年代的办公楼内,作为一个新的起点,工程师们正在测试一个更靠谱的网络。一座地下室服务器机房是120个小的发电站的通讯枢纽,这些电站主要依靠风能,也有生物能和太阳能等新能源,总计能产生160兆瓦的电。软件将天气预测计算在内,将一系列从风和太阳能产生的电力组合在一起,必要的时候关闭或开启生物能电站以此来平衡波动的输出,从而创造一种稳定的电能。

这样的早期阶段的项目为今后进一步的包括需求管理在内的复杂系统奠定了基石。比如,如果消费者同意在用电高峰时段允许系统自动减少其用电量的话,就可以获得公共电力的补助。将来,系统还可以从停靠的电动车的电池中自动抽取电能,或将多余的电能注入电动车电池作为风能减少时的补偿。

GE和其他公司也在寻求这样的概念。“今天我们知道能源市场将更分散化,将会是更为碎片化的市场。”GE的Reimelt说。“之前,我们有四个电力公司,今天,我们有350个电站,今后将会上升到千,如果你把拥有太阳能板的每个住户都算上的话,还会上升到百万。

所以,其中一个趋势就是将来会越来越强调电力的管理而不是发多少电。”

巴伐利亚的困惑

从Gungremmingen的巴伐利亚人小镇市长Wolfgang Mayer书桌后的落地窗望去,景色一览无余。一公里外伫立着Gungremmingen核电站单元B和C的两座冷却塔。这个核电站是德国最大的核能基地,恰如其分的建在两个工业中心城市Stuttgart和Munich中间,年产电量2.6千兆瓦。.Energiwende计划让Mayer感到担忧,如果施行将威胁镇上上百人的工作,税收也会减少。“他们说,2017年会关闭B单元,2021年关闭C单位,”他眼望着核电厂说,“但这两个单位是在1989年才一起建好的,一般人怎么都理解,停运的逻辑在哪里?”

【Gundremmingen的一个核电站冷却塔可以见到是在一户在利用太阳能发电补贴电力的人家后面,该核电站被标记将要关闭,图片来源:David Talbot | Technology Review】

像Mayer这样感到疑惑的还有很多人。对当今政策的不合理处依然有很多说辞。至少短期来看,关闭核电站意味着Energiwende实际上促使电厂更严重的依赖于煤炭。去年,比如RWE就利用Belgian边界附近的原有的设施新建了两座锅炉,可烧的却是最脏的化石燃料:黄褐煤。尽管这些锅炉比之前的要环保很多,这个煤矿毕竟是世界上同类型最大的一座,而在电力紧张的这些日子必须鼓足马力发电。

“如果你关闭碳排放为零的八个核电站,那么一夜之间,就必然会增加碳排放,”Weale说,“德国必然比之前更加的依赖于煤炭,那就很难尽快的减少二氧化碳的排放”。到底现在要建设哪种类型的电站对未来几十年会有巨大的影响,他说:“要突然从一种类型的电站变成另一种几乎是不可能”。

第二个问题是,即使最后实现了可替代能源,德国也不可能实现碳减排。进一步我们看到,德国的政策倾向于补助一些特定的技术:对一千瓦时的太阳能的补助份额要大于对海上风电的补助份额,海上风电的补助又大过陆上风电。尽管与Leurs买进的那时候比起来,给予太阳能的补助份额降低了很多,不过仍然比其他类型的要高。如果要着眼于降低碳排放,那么大量的钱已经转向降低能耗。“如果你想选择最佳的投资组合以相对低的成本实现减排目标的话,你就不应该关注可再生能源而应该多关注提高能效,”Munich的能源经济学家Pittel说。

与提高现有技术的可盈利能力相比,当今的补助政策也没有很大程度上激励创新。比如,在发展更新更好的光伏技术上就没有什么激励,尽管发展这些新技术可能是唯一最终能促使非补助的太阳能发电的成本降低到与化石燃料可以竞争的地步。

在一些德国的经济学家看来,这个国家的能源政策的导向根本就是错误的。Munich大学lfo经济研究所主任Hans Werner Sinn的批评尤其的严厉:“Energiwende最终会穷途末路,因为绿色技术有效的替代现有技术来满足现代社会的能量需求”,他说“关闭核电站是错误的,因为这是一种廉价的能源,太阳能和风能却不可能代替核能。它们都太贵了,输出的能量质量也较低。如此下去,能量密集型的产业会流失,德国制造业的竞争力会下滑,收入会减少”。

当然,德国的政治家会打赌说,Sinn是错的。很多积极的信号说明不必这样悲观。太阳能电池板的价格下降了很多,这意味着太阳能会变的更有竞争力。电池的价格或许也会跟着下降。如果化石燃料越来越贵,可再生能源就会显得更有吸引力。“四十年是一个很长的时间,一个人会不断的为更好的技术的发展感到惊奇,比如,就像太阳能晶体的价格正在下降,”Weale说。“我认为,我更愿意强调Energiwend面临的挑战很多。当下,看起来好像很难。但只要激励对头,人们又理由相信技术的进步会比我们预期的快很多。”

0
为您推荐

26 Responses to “[小红猪]德国大胆的能源实验”

  1. G.W说道:

    為何不用新技術的核電廠去作為分散式能源網路的過度或幫補呢?

    像球床反應爐我記得理論上就不同於現有像壓水式反應爐,
    在失去冷卻能源時會靠著自身的機制自動降溫。
    常見討論核電危險時似乎都忽略了這些新技術的核電廠。

    • yibo说道:

      很多时候,是经济原因而不是技术原因。我不知道你说的这种技术,但一般情况下,大部分技术由于没有经济可行性最终都是落灰的命运。

    • nnww说道:

      核电站即使没有任何事故,其运行过程中产生的核废料处理、寿命结束时的拆除(此时核电站本身就是堆硕大的核废料)都是无法解决的大问题。

    • Li说道:

      你说的帮补是什么运作形式?不过一般好像核电都是处在发电优先权的顶层,因为它的flexibilité比较低吧,关掉一个反应堆什么的成本很高而且要发动或再启动时间都比较长吧。

  2. domi说道:

    看到变电设施那段说把交流电转换成直流电以降低传输损耗,是翻译理解错了,还是另有原因。交流电长距离传输损耗明显小于直流电啊

    • GALaDoS说道:

      交流电长距离输电时会通过和地面形成电容,而这会导致大量的能量损失。

    • Karlipa说道:

      直流输电 无感抗,无容抗,还无同步问题

  3. yibo说道:

    德国的能源政策是世界上最蠢的。德国几乎没有海岸,也几乎没有地震,但它却非要关闭核电。。。。。。。。
    德国人一疯狂,就完全看不到理性的影子。
    稍微懂点电力系统的人都该知道,太阳能,风能这种不稳定能源是电网之灾。
    苏格兰电力在风大的时候要花钱让风力电场下线。因为电网承受不了多余的电力。。。。。。。。

    而德国并不是一个日照强烈的国家,没有加州和北非的自然条件,一到冬天,太阳能又几乎不能供电网使用,只能从法国进口核电。这真是以邻为壑的今解,如果核电也算灾害的话。

  4. cc说道:

    关闭核电站就是一彻底的错误!!

  5. 小黑说道:

    总之前途不明,德国的政策太激进了。最后那些政治家是最可笑的,说电池板的价格下降(因为大部分是来自中国的),然后觉得中国的电池板是在是太便宜了,所以要收反倾销税,然后在说某一个问题的时候就可以选择性地忽略一部分事实。

  6. moot说道:

    德国人在干什么?恐怕天朝想不出,美国人也不想去做。 德国一个选民付出的选举成本不到10美金, 美国人总统选举是那个数目的几倍。 用这个思维延续下去,就知道美国的思维看法和德国有很大的出入。

    家庭垃圾分类,别说天朝,老美也没多少个城市在实行, 经济“砖家”肯定说不可行。可在德国就行了十多年。塑胶瓶子每只收取多0.50欧币, 拿去回收瓶子的机器才可以拿回钱, 美国人肯干吗?

    现在德国还在静悄悄的大力推行太阳能薄膜,许多玻璃建筑物都放上了。 换作是老美,当然不肯了。

    • Joey Liu说道:

      不怕告诉你,美国人还真就是这么干的,每个塑胶瓶都额外收费,拿去回收的时候原价退钱。

  7. moot说道:

    这文章真的有够选择性的。 如果不去找资料对比的话, 就上当了。

    http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_Germany

    德国在2011 年,还出口了 5TWh 的电,文章可提都不提。

    反正德国人的精算,可不是天朝的什么铁路局巴啦啦啦的说什么砸个十亿八亿下去试试那种。单单是东德西德合并十多年, 那丢下去的清理东德的污染,复新科技等等合并投资数额,比换去用再生能源估计投资的还多出几千倍。还有环境保护什么的,对于德国厂家应该是成本高昂的事。 可奇怪哩, 为何德国大车厂却没向美国车厂那样向政府借钱去过经济风暴的难关?

    而且在德国也发表了政策,要把自行车/电助自行车等交通工具使用率,在2020 年提高到20%。反观老美,明知道胖子越来越多,也根本没有这打算。 而天朝呢? 政府有政府的电动自行车禁令,底下的人民又有自己的对策。

    看到天朝人说德国不用核电是"太鸡精”, 真的很搞笑。

  8. cyler123说道:

    扣扣鼻屎,表示德国人在试图在现在就实现50年后的事情

  9. liansh说道:

    这种让全民掏钱去补贴不成熟的新能源的事想想也就德国这个死脑筋能做得下去吧。

  10. nnww说道:

    不建设核电站是明智之举,关闭已经运行的核电站是无奈之举。核废料处理到现在为止都没有永久性永久性处置方法,核废料都储存在各个临时性存储点,是在自欺欺人地把问题拖到未来。而最让人恐惧的是拆除一个核电站,因为此时核电站成了一个大型核废料。

  11. nnww说道:

    中国巨大的未开发水电资源让欧美人眼红到发狂。

  12. zhao000说道:

    图片下面说的 罗斯托克 是波罗的海沿岸港口 不是 北海

  13. 拼音佳佳说道:

    电价上涨促使节省用电,新能源生产的电能可能只是节约出来的零头吧?

  14. jianxiao说道:

    拼写错误,应是Energiewende

  15. Illusiwind说道:

    德国在胡搞。估计用不了多久就受不了重启核电了吧。

  16. 5chaoyuan说道:

    朱木塘农民伍朝元一句“光变空”(太空元气)(重力波新能源)
    (本文通过中央电视台网审核):http*://bbs.cntv.cn/thread-16435269-1-1.html (删去*立即查看原文)

    • 阿卡塔说道:

      给我三千民科,端午节前征服全宇宙

  17. 快普OA www.kuaipu.com.cn说道:

    Weale说。“我认为,我更愿意强调Energiwend面临的挑战很多。当下,看起来好像很难。但只要激励对头,人们又理由相信技术的进步会比我们预期的快很多。”VERSUGW

  18. 三阳子说道:

    Energiewende,请正确拼写

  19. 三阳子说道:

    天朝人民永远理解不了,等20年后,人家就可以买新能源设备给天朝了。所以和腾讯一样,只能永远在模仿,从来未超越。自从停了核能,德国的奶牛从0.45cent/L涨到了0,55cent/L。好吧,和天朝的物价涨幅都不好意思比。个人经验觉得,关闭可能带来的成本上浮远未到在德国社会能承受的极限。没有太可以担心的。