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微型電網(wǎng)：通往電力自給自足的道路

與利用可再生能源的發(fā)電設(shè)施不同的是，常規(guī)電廠供應(yīng)的不只是電能，它們還提供從源頭確保電網(wǎng)可靠運(yùn)行的系統(tǒng)服務(wù)。因此，如果到2050年，可再生能源發(fā)電量能占到德國總發(fā)電量的80%，那么，就必須開發(fā)出相應(yīng)的新型解決方案。西門子領(lǐng)導(dǎo)下的一個(gè)研究小組所開發(fā)的微型電網(wǎng)等解決方案，便是適用于此的可選方案之一，它們最終將能在世界其他地區(qū)發(fā)揮重要作用。

IREN2項(xiàng)目的研究人員正在Wildpoldsried開發(fā)適合可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展電網(wǎng)。為此，他們將建造并分析具備獨(dú)立操作能力的微型電網(wǎng)原型，以及拓?fù)潆姀S原型。

德國正在全力推進(jìn)可再生能源的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型?？稍偕茉凑嫉聡茉礃?gòu)成的比重已達(dá)25%左右。然而，如果德國要實(shí)現(xiàn)到2050年，將可再生能源發(fā)電比例提高至80%的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，那么，將需要向電網(wǎng)輸送更多利用可再生能源生產(chǎn)的電能。事實(shí)上，屆時(shí)可再生能源的發(fā)電量，甚至需要超過當(dāng)前德國高峰時(shí)段的用電總量。

時(shí)至今日，德國可再生能源發(fā)電設(shè)施的裝機(jī)容量，已令其電網(wǎng)瀕臨崩潰。必須建設(shè)智能電網(wǎng)，以保證即使發(fā)電量隨天氣而波動(dòng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)也能持續(xù)不斷地為電力用戶提供充足的電能。與當(dāng)今電網(wǎng)不同的是，智能網(wǎng)絡(luò)不僅能平衡電能的生產(chǎn)和消耗，而且可以分配電能，其調(diào)控范圍直達(dá)最終用電環(huán)節(jié)。

為了保證這種方法的有效性，從2011年到2013年，作為德國開展的IRENE（可再生能源與電動(dòng)交通系統(tǒng)集成）計(jì)劃的一部分，西門子領(lǐng)導(dǎo)下的一個(gè)研究小組，在德國南部Allgäu地區(qū)的Wildpoldsried市，建造了一個(gè)智能電網(wǎng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。在IRENE研究項(xiàng)目中，Michael Metzger博士是西門子派出的項(xiàng)目經(jīng)理。他解釋說，Wildpoldsried是這個(gè)項(xiàng)目的理想啟動(dòng)地點(diǎn)。他說：“早在2010年，Wildpoldsried利用風(fēng)電、太陽能發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電設(shè)施生產(chǎn)的電能，就已達(dá)到其用電量的兩倍左右。換句話說，它已經(jīng)具備我們預(yù)期未來將在整個(gè)德國看到的條件。”

重疊系統(tǒng)

如今，Wildpoldsried的智能電網(wǎng)已經(jīng)能夠靈活地平衡當(dāng)?shù)夭▌?dòng)不定的電能供應(yīng)和用電需求，從而維持電網(wǎng)穩(wěn)定。有許多技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，包括兩個(gè)可控制配電變壓器和一個(gè)蓄電池組裝置。當(dāng)?shù)氐闹悄茈娋W(wǎng)還配備了一個(gè)*的測定系統(tǒng)、一套技術(shù)*的通信基礎(chǔ)設(shè)施，以及分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏發(fā)電和沼氣發(fā)電設(shè)施。有了這些系統(tǒng)和智能電網(wǎng)，如今，Wildpoldsried的發(fā)電量已達(dá)到其居民用電量的五倍以上，大大超過這個(gè)只有2,500人的小型社區(qū)高峰時(shí)段的需求量。這樣一來，IRENE計(jì)劃的合作伙伴便能創(chuàng)造理想的技術(shù)條件，朝著實(shí)現(xiàn)德國2050能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)跨進(jìn)一步。

不過，相比Wildpoldsried而言，在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的挑戰(zhàn)要艱巨得多。來自德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Torsten Sowa，是IRENE計(jì)劃的合作伙伴之一。他表示，“就當(dāng)前的技術(shù)水平而言，我們?nèi)悦媾R著一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因?yàn)楫?dāng)今的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，尚不能提供所謂的系統(tǒng)服務(wù)，如提供無功功率，以維持多電源電網(wǎng)的電壓。換句話說，要想實(shí)現(xiàn)2050目標(biāo)，我們需要一個(gè)新型解決方案。”

取代常規(guī)電廠

于是，IREN2計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部出資開展的這個(gè)計(jì)劃，為期三年。其目標(biāo)是使用分布式發(fā)電系統(tǒng)和組件，如蓄電池組、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)等來改造Allgäu地區(qū)現(xiàn)有的電網(wǎng)，使之能夠提供常規(guī)電廠如今提供的系統(tǒng)服務(wù)。

在Wildpoldsried，西門子安裝了一臺(tái)調(diào)壓變壓器，以消除電壓波動(dòng)的影響——這種裝置是高壓電網(wǎng)上的標(biāo)配設(shè)備，但用在電壓較低的配電網(wǎng)中

這一轉(zhuǎn)變將主要涉及兩個(gè)概念：

首先，參與研究的計(jì)劃伙伴將研究如何將Wildpoldsried的電網(wǎng)轉(zhuǎn)變成微型電網(wǎng)。當(dāng)上一級主電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，Wildpoldsried微型電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)與之脫離，并繼續(xù)作為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)向當(dāng)?shù)毓?yīng)電能。Metzger解釋說：“這種微型電網(wǎng)的分散性質(zhì)，使之能夠以經(jīng)濟(jì)劃算的方式，幫助保障供電，哪怕它繼續(xù)吸納高比例的可再生能源發(fā)電。”

第二步涉及考察微型電網(wǎng)作為所謂的拓?fù)潆姀S，能夠以什么方式運(yùn)行。拓?fù)潆姀S是指，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與附加組件交互作用，從而像如今的常規(guī)電廠那樣調(diào)節(jié)電網(wǎng)的某個(gè)網(wǎng)段。

開路先鋒

Sowa說：“一旦我們能夠證明這種拓?fù)潆姀S的可行性和經(jīng)濟(jì)性，我們就能朝著實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型邁出又一個(gè)重要步伐。然后，我們必須確定需要?jiǎng)?chuàng)造什么樣的條件，以及必須將哪些影響因素納入考慮，才能在德國其他地區(qū)推廣我們的模式。我們希望我們的研究結(jié)果起到開路先鋒的作用，而不只是一個(gè)實(shí)踐示例。”

從紅色到綠色到藍(lán)色：IREN2計(jì)劃的研究人員將逐步在Wilpoldsried擴(kuò)展其試驗(yàn)電網(wǎng)

Sowa口中的“我們”，是指IRENE計(jì)劃的所有合作伙伴。包括位于Allgäu的肯普滕應(yīng)用技術(shù)大學(xué)。這所大學(xué)與亞琛工業(yè)大學(xué)共同負(fù)責(zé)IREN2計(jì)劃的科學(xué)研究工作，以及建造和調(diào)試微型電網(wǎng)。另一個(gè)合作伙伴是Allgäu的AÜW供電公司，與IRENE一期計(jì)劃一樣，AÜW供電公司提供用于研究的電網(wǎng)。AÜW供電公司希望藉此進(jìn)一步發(fā)展其電網(wǎng)技術(shù)，以應(yīng)對能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，從而從中受益。同在IRENE計(jì)劃中一樣，西門子將利用IREN2計(jì)劃的研究成果，進(jìn)一步發(fā)展其面向德國及國際市場的智能電網(wǎng)解決方案。此外，來自肯普滕的IT服務(wù)提供商IDKOM Networks也作為AÜW公司的IT服務(wù)提供商，間接參與了IRENE計(jì)劃。為了便于公司根據(jù)新興智能電網(wǎng)市場的需求，來調(diào)整其產(chǎn)品組合，IDKOM側(cè)重于滿足在智能電網(wǎng)中使用數(shù)據(jù)解決方案的技術(shù)要求。

適于全球推廣的模式？

IREN2研究人員所設(shè)想的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)類型不僅對能源轉(zhuǎn)型有重要意義；同時(shí)，它也是適合在電網(wǎng)覆蓋不全的地區(qū)使用的解決方案。因此，德國經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展部已明確表示，它對IREN2計(jì)劃的研究成果十分感興趣。如果Wildpoldsried的研究人員取得成功，那么，德國經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展部可能將獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)解決方案與分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的組合，視為解決全球許多區(qū)域的能源短缺問題的有效手段。譬如，在非洲，仍有約5億人尚未通電。從這個(gè)意義上講，對于許多比德國更迫切地需要進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型的國家，Wildpoldsried有點(diǎn)像個(gè)實(shí)驗(yàn)室。