德國風電發展與“碳中和”目標

文 | Klaus Müschen, Insa Lütkehus, Hanno Salecker

編譯 | 張玥

德國聯邦環境署近期發布的一份研究報告中，提出了在本國實現“碳中和”目標的設想，該目標的實現需要各環保部門的配合，啟動減排措施，大幅降低能耗，將人均二氧化碳排放量降至1噸。這份研究報告的結論證實，德國未來實現“碳中和”目標在技術層面上是完全可行的。然而這也意味著，德國各個系統如電力系統、供熱系統、交通系統以及工業系統等重要生產環節，在能源供應方面，必須實現完全依賴可再生能源。德國聯邦環境署2010年發布的一份研究報告中顯示，德國有望到2050年實現全部的電力供應完全來自于可再生能源的目標。在2050年的設想中，德國雖然在技術上可以實現生物質能的可持續性利用，然而需要對殘余物進行加工以及產能偏低等特性，決定了生物質能不可能成為供應整個能源系統的支柱能源。另一方面，德國的水電和地熱能發展潛力也相對有限，種種因素促成風電和光伏發電將成為未來可再生能源的主要力量，并在能源供應和溫室氣體減排任務中扮演重要的角色。德國聯邦環境署2013年發布的一份GIS(地理信息系統)分析報告里特別指出，德國海上風電的發展潛力目前被大幅低估。當然，海上風電的發展潛力在化為現實后，無疑是要比其理論潛力值偏低一些，原因一方面是因為海上風電需要根據項目的具體情況進行分析、考量，才能得出切實可行的結論，而非對所有的項目一概而論；另一方面是因為還需考慮到理性的經濟架構和當地的接納條件等現實問題。但可以肯定的是，德國海上風電的可觀發電量已經證實了其在德國可再生能源發展進程中所起的重要作用。

德國2050年——“碳中和”目標

當前，科學界對氣候變化正日益惡化已基本達成共識：人為因素是造成這種變化的主要原因。尤其是一些工業大國對此更要擔起重責，降低本國溫室氣體排放量，努力將全球平均溫度增幅控制在2度以內。

德國聯邦環境署（UBA）2013年發布的一份研究報告中稱，未來德國要實現“碳中和”目標，在技術層面上是完全可行的。即使像德國這樣的工業大國，要在1990年到2050年六十年時間內，實現本國95%的溫室氣體減排目標也是有極大可能性的。因此，向100%依賴可再生能源的轉型是實現國家“碳中和”目標的關鍵。德國聯邦環境署早前發布的一份名為《能源目標2050:100%可再生能源電力供應》的報告中，已經肯定了德國到2050年實現完全依賴可再生能源發電的技術可行性。而名為《德國2050 —“碳中和”國》的報告中則指出，除了對電力領域的貢獻，可再生能源甚至可以滿足德國各個領域的全部能源供應。然而無論在哪一種模式設想中，風能在其中的重要性都不可忽視，因為無論從開發潛力還是從經濟發展性來考慮，風能都占有相當大的優勢。本文將重點探討德國聯邦環境署是如何看待風能在未來德國能源供應結構中將扮演的角色。

德國要實現2050年溫室氣體減排95%的目標，也就意味著，要將人均二氧化碳排放量從目前的11噸降至1噸?！兜聡?050 —“碳中和”國》這份報告中，并沒有預測未來的能源發展趨勢，但是卻描繪了一種技術可行性高的優化解決方案。該研究給出的模式設想中，囊括了所有相關的排放源，包括：能源消耗引起的廢氣排放（供電、供熱以及交通運輸等領域），工業廢氣排放、污水處理排放以及農業、林業和土地利用變化等造成的廢氣排放。根據報告中模式設想的預測，德國作為進口工業國，到2050年在完全依賴可再生能源的情況下，仍然會維持與今天相似的生活標準，并不會有所下降。需要注意的一點是，這份研究報告重點關注德國本地的溫室氣體排放情況，并沒有考慮到與其他國家的交互影響。相應地，德國出口商品生產造成的廢氣排放在這份報告中有所體現，而進口商品生產造成的廢氣排放則并不在考慮范圍之內。

從圖1可以看出，能源消耗引起的溫室氣體排放量已超過80%。這也是為什么德國大力推廣節能降耗措施的原因，尤其是在熱能消耗方面，這對提高減排力度影響很大。此外，實現可再生能源完全滿足能源需求的目標也是非常有必要的。為實現目標，報告中也給出了供暖、交通電氣化以及可再生能源的額外產能輸出等模式設想。

為了降低利用生物質能可能產生的風險，德國聯邦環境署將生物質能的利用范圍僅限定在對農作物廢棄物和殘留物的利用。因此，生物質能產能的降低一方面催生了供熱和交通系統向電氣化方向發展；另一方面，也加速了利用可再生能源發電進行水電解制氫技術的實現，采用這樣的技術，可以將產生的氫氣用于合成沼氣。隨著“電轉氣”（即利用風電或光伏等可再生能源產生的電力將水電解為氫氣和氧氣，再用生成的氫氣與二氧化碳反應產生甲烷）技術方案的應用，大幅降低能源消耗引起的溫室氣體排放，將更有望得以實現。采用這樣的模式，可再生能源發電需求也會隨之大幅增長。根據《德國2050 —“碳中和”國》的報告預測，到2050年德國全年用電需求總量將達到近3000TWh（見圖2）。

由于德國水力發電和地熱發電的發展潛力有限，基于這樣的背景，報告中提出到2050年，風力發電和光伏發電將在能源供應系統里占據主導地位。從理論上講，德國在實現全部電力供給由可再生能源提供方面有一定的技術潛能。然而，出于生態保護和經濟發展的考慮，只有部分技術潛能可以化為現實，并得到可持續性地開發利用。因此在報告提出的設想模式中，有少部分可再生能源電力仍然需要從國外進口，但大部分電力供應還是由德國當地的光伏電站和風電場提供。本文下節內容將對德國的風能利用進行詳盡細致的探討。

德國風電發展的近期目標和長遠規劃

圖1 德國1990年、2010年以及2050年“碳中和”模式下的溫室氣體排放量

圖2 德國2050“碳中和”模式下能源流向的定性描述

德國的風電發展一直處于全球領先地位，風電裝機容量占全球市場份額的10.6%，緊隨中國、美國之后。到目前為止，德國已成功安裝約23800臺風電機組，總裝機容量達34250MW。2014年，德國風力發電約占總發電量的8.6%。但是，德國陸上風電的裝機容量要遠超海上風電，出于對生態環境的保護，德國對海上風電的批準立項僅限于遠離海岸的區域。因此，與其他國家陸上風電和海上風電的開發相比，德國風電的開發要更加困難，成本更加高昂。目前，德國風電的發展保持持續增長態勢，但進展速度比預期要慢，海上風電的開發還要得到進一步重視。

在“碳中和”目標制定出爐前，德國聯邦環境署2010年發布的名為《能源目標2050：100%可再生能源電力供應》的研究報告中，對2050年實現100%可再生能源供應就已提出了“區域網絡模式”的設想。這項研究對全國范圍內可再生能源的開發潛力，包括之前提到的“碳中和”模式下光伏、生物質能、水力發電以及地熱能的利用進行了詳細調研，并且考慮到了技術和環境等制約因素對潛力值估算的影響。按照“區域互聯網”的模式，風電將可以覆蓋德國1%的用電范圍。這個范圍內可以容納60GW的裝機容量，并且年產能將達到180TWh，海上風電的潛在產能也同樣可觀。陸上和海上風電的聯合產能，將能夠滿足德國一半以上的電力需求，這還只是一個非常保守的預估。所以德國也正著手準備更加細致的調研，以更好開發海上風電的出力潛能，實現《德國2050－“碳中和”國》報告中設定的目標。

2013年發布的一份GIS（地理信息系統）研究報告，對德國風電的出力潛能給出了調研分析結果，明確地指出目前德國海上風電的出力潛能被大幅低估。按照調研報告給出的模式設想和所選取的技術先進的風電機組，理論上講，風電將能夠覆蓋德國13.8%的用電范圍。這個范圍內可以容納1200GW的裝機容量，并且年產能達到2900TWh。然而，任何的結果分析都必須充分考慮到，各項模式設想下的具體情況是否能夠以現實的方式呈現出來。首先，一些出于生態保護的考慮措施，對風電的出力潛能值估算會有一定影響，這點可暫時忽略。其次，報告中所選取的參考機組也是很重要的因素，因為其輪轂高度、風輪直徑和額定功率都會對機組出力和設備可利用率產生直接影響。按照報告中選取的參考機組進行估算，其具有的先進技術優勢可以使全國風電機組的年平均利用小時數升至2440小時。另外，選取的參考機組產生的低噪音排放，還可能會對一定范圍內的居民區產生影響。這項研究報告的目的并不是對風電的可實現潛力給出準確的預估值。比如海上風電的可實現潛力實際上是明顯被低估的，這是因為既要考慮到整體的經濟架構設置，也要考慮到當地的接納水平。對這些現實因素具體分析后，那么海上風電的產能將有可能滿足德國未來很大一部分的能源需求，并在未來供熱和交通系統電氣化的過程中，地位更加凸顯。

結論

德國聯邦環境署認為，德國到2050年要實現“碳中和”目標，達到人均二氧化碳排放量降至1噸，在技術層面是完全可以實現的。即使是像德國這樣的工業大國，在不降低生活標準的情況下，目標的實現可能性也非常大。2050年的模式設想中，一方面需要對效益產能進行充分利用；另一方面全國的能源需求包括供熱和燃料需求等，都要完全依賴可再生能源，尤其是依靠風電和光伏的產能。為了實現供熱和交通系統的碳減排目標，甚至完全實現“脫碳化”，利用“電轉氣”技術將可再生能源產生的電力轉化為可燃氣體將是重要的實現路徑，由此也將帶來對可再生能源電力需求的大幅增長。

從現有研究結果來看，德國海上風電的出力潛能目前被大幅低估。即使預估的潛能在化為現實的過程中還需考慮各種現實因素，但海上風電已經成為可再生能源發展的重要領域,成為推動能源結構調整的重要力量。

德國聯邦環境署現已發布的研究報告，都是在討論如何為德國未來的能源需求尋求及時的、操作性強的解決方案。然而，需要進一步研究分析的將是如何規劃明確的轉型路線。可以肯定的是，風能在未來德國能源供給的重要地位不容置疑。