近年來，德國在不遺余力地嘗試著能源轉(zhuǎn)型。2011年，德國制定了一項(xiàng)清潔能源計(jì)劃，按照計(jì)劃到2050年德國清潔能源并網(wǎng)發(fā)電量占比將從目前的30%提升至90%。目前，德國正在尋求一種最具成本效益的方式為其電網(wǎng)提供電力，并期望到2050年基本實(shí)現(xiàn)零排放。

鑒于德國本土DNI指數(shù)較低，光熱發(fā)電似乎不可能在該國能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)筑低碳電網(wǎng)過程中扮演重要角色。然而，2016年發(fā)布的幾篇論文所涉及的研究結(jié)果表明，儲熱型光熱發(fā)電技術(shù)(CSP-TES)或?qū)⒃谶@一過程中發(fā)揮重要作用。

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果的合理性，同時(shí)也為了響應(yīng)德國科學(xué)院的未來能源系統(tǒng)項(xiàng)目ESYS(EnergiesystemederZukunft：FutureEnergySystems)的要求，德國亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種新的計(jì)算工具，并利用該工具來研究哪種靈活可調(diào)的電力最適合于承擔(dān)低碳排放電網(wǎng)中的輔助電力負(fù)載。

眾所周知，儲熱型光熱發(fā)電技術(shù)可生產(chǎn)靈活可調(diào)度的電力，但它對法向直接輻射(DNI)的要求較高，因此光熱電站大多建在太陽能資源較為豐富的荒漠地帶。

德國研究人員經(jīng)過分析，得出了一個(gè)結(jié)果：德國若從DNI指數(shù)較高的西班牙和摩洛哥進(jìn)口電力，配置儲能的光熱發(fā)電將是一種極具經(jīng)濟(jì)競爭力的選擇。

當(dāng)然，從上述兩國進(jìn)口光熱電力將需要建設(shè)高壓直流輸電線路，這也是遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大額電力最經(jīng)濟(jì)的選擇。因此，電力成本的計(jì)算應(yīng)該包括光熱發(fā)電的成本以及新建輸電線路的成本。

光熱發(fā)電是彌補(bǔ)間歇發(fā)電缺陷的可行選擇

然而，研發(fā)人員的研究焦點(diǎn)并不僅限于儲熱型光熱發(fā)電，而是更關(guān)注未來能源系統(tǒng)的整體發(fā)展。

據(jù)亞琛工業(yè)大學(xué)電力電子與電力驅(qū)動研究所電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換及儲能系統(tǒng)研究室副研究員PhilippStöcker介紹，由于風(fēng)電和光伏發(fā)電等具有間歇性且波動較大，因此，在未來的電網(wǎng)中，可控和可調(diào)度的電力必須發(fā)揮更大的作用以彌補(bǔ)前者的缺陷。

Stöcker專注于計(jì)算工具的設(shè)計(jì)，以幫助優(yōu)化和分析能源系統(tǒng)。此外，他還參與撰寫了幾篇論文，其中包括：評估光熱發(fā)電在波動的能源電力系統(tǒng)中的價(jià)值。

Stöcker解釋說：“我們采用的計(jì)算工具的關(guān)鍵點(diǎn)在于你無法過多地調(diào)整電網(wǎng)中的基礎(chǔ)電力負(fù)荷占比。因?yàn)榭稍偕茉措娋W(wǎng)中已經(jīng)有很多波動的電力來源，如光伏和風(fēng)電，這些電力具有不可控制的特點(diǎn)。剩余需承擔(dān)基礎(chǔ)電力負(fù)荷的電力來源若來自配置儲能系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)，那么整個(gè)電力系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)平衡。

大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)不具經(jīng)濟(jì)性

與此同時(shí)，來自亞琛工業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在大型電網(wǎng)系統(tǒng)中，如果用電池儲能系統(tǒng)來存儲風(fēng)電或光伏發(fā)電并不經(jīng)濟(jì)。相比之下，儲熱型光熱發(fā)電電站本身由于可配置性價(jià)比較高的儲能系統(tǒng)，這一優(yōu)勢使其成為更可控的太陽能發(fā)電形式。

光熱電站之所以具備儲能優(yōu)勢，主要在于其發(fā)電原理與光伏發(fā)電完全不同。光熱發(fā)電利用鏡場收集熱量，然后將熱量儲存在巨大的熔鹽罐中，在有需要時(shí)隨時(shí)可以通過釋放能量來驅(qū)動與常規(guī)化石能源電站類似的發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。由于光熱電站生產(chǎn)的電力可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)調(diào)度，因此在供電穩(wěn)定性方面其完全媲美傳統(tǒng)的化石燃料電站。

Stöcker表示，亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)的這種計(jì)算工具是第一個(gè)將配置儲能系統(tǒng)的光熱發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)在內(nèi)的工具，而這項(xiàng)技術(shù)也是在未來最有可能進(jìn)行大規(guī)模部署的發(fā)電形式。他表示：“我們開發(fā)的計(jì)算工具的亮點(diǎn)在于我們適當(dāng)?shù)乜紤]了儲能系統(tǒng)，而且儲能也將成為我們未來研究的重要組成部分。”

Stöcker指出，雖然光熱發(fā)電發(fā)展最初的時(shí)候也被定位為波動的可再生能源，而且其相對于成本較低的光伏和風(fēng)電完全不具備競爭力。但現(xiàn)在形勢已經(jīng)變得有些不同，儲熱型光熱發(fā)電系統(tǒng)憑借可以提供穩(wěn)定的或可控制的發(fā)電輸出且成本具有一定的吸引力而逐漸具有一定優(yōu)勢。

“有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)，光熱發(fā)電在電網(wǎng)中是否具備競爭力要看其所處的電網(wǎng)穩(wěn)定性程度如何，即在波動性較大和更可控兩種不同類型的電力系統(tǒng)中，光熱發(fā)電技術(shù)的競爭力會發(fā)生變化。”Stöcker表示。

儲熱型光熱發(fā)電系統(tǒng)在低碳電力系統(tǒng)中至關(guān)重要

Stöcker認(rèn)為，雖然光熱發(fā)電本身并不可調(diào)度，但其配置儲熱系統(tǒng)之后即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，可承擔(dān)等同于諸如煤炭或天然氣等常規(guī)化石能源電站同樣的基礎(chǔ)負(fù)載。

然而，根據(jù)價(jià)值順序效應(yīng)，目前煤炭和天然氣裝機(jī)量正逐步減少，與此同時(shí)電網(wǎng)中接入了更多可再生能源電力。

在采用“價(jià)值順序效應(yīng)”進(jìn)行電力調(diào)度的電網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)更愿意接納的價(jià)格較低的電力，也就是說電網(wǎng)更傾向于接納更多諸如太陽能或風(fēng)能等可再生能源電力。

據(jù)彭博社2015年報(bào)道，由于傳統(tǒng)化石能源的使用量在不斷減少，其容量因子也在下降，燃煤電站和天然氣電站的運(yùn)營成本越來越高。2016年，德國最大的公用事業(yè)公司之一RWE就因電力價(jià)格下降而損失了58億美元。

而在非化石能源發(fā)電形式中，光伏沒有移動部件并可采用全自動化操作，其運(yùn)行成本最低，其次就是風(fēng)電。但是像水電和地?zé)嵋粯樱鉄犭娬疽残枰渲煤芏鄼C(jī)械傳動裝置。

“在光熱電站中，需要配置反射鏡和復(fù)雜的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，還要考慮吸熱器因熱應(yīng)力而老化等各方面因素。”Stöcker解釋說，“總而言之，相比光伏和風(fēng)電相對成熟的技術(shù)，光熱發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性或?qū)⑹挂恍┻\(yùn)營商較早離開市場。”

亞琛大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，如果電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏和風(fēng)電的占比超過70%，那么儲熱型光熱發(fā)電系統(tǒng)將因?yàn)槔寐首兊迷絹碓降投诎l(fā)電價(jià)格方面不具備競爭優(yōu)勢。

他介紹到：“我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)要點(diǎn)，那就是如果電網(wǎng)中新增波動性可再生能源越多，那么基礎(chǔ)電力負(fù)荷系統(tǒng)將會越少或者越來越分散供應(yīng)，這樣可承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電時(shí)間將會變得越來越短。”

因此，如果儲熱型光熱發(fā)電系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供30%以上的低排放電能，且將具有競爭優(yōu)勢。但如果其利用率低于30%，那么其成本就會變高，同時(shí)會提高電網(wǎng)的整體成本。