从传统能源到可再生能源——德国能源结构的转型之路

顾科杰

（国网江苏省电力有限公司 常熟市供电分公司，江苏 常熟 215500）

一、 引言

德国是世界第四大经济体，也是欧洲最大的经济体和老牌工业国家。同时，在世界能源史上， 德国是电力市场改革的先驱者，也是最为激进的能源转型政策实施者。本文从德国传统能源结构的发展切入，回顾德国能源转型的过程及转型中发生的重大历史事件，分析德国逐渐淘汰化石能源并弃用核能，建立以可再生能源为主的新能源结构的原因。

二、 德国传统能源结构的起步和发展

煤炭是欧洲各国早期工业的生命线，同时也是早期德国工业的能源支柱。无论是第一次世界大战后的“鲁尔危机”，还是第二次世界大战后的“舒曼计划”，在其中均可看到煤炭扮演了非常重要的角色。1952年，联邦德国与法国、意大利、比利时、荷兰及卢森堡成立了欧洲煤钢共同体（European Coal and Steel Community），试图以煤炭钢铁工业来拉动战后欧洲的经济复苏。到1957年，煤炭仍然是德国工业以及民用最主要的能源，硬煤和褐煤占到了当时联邦德国一次能源消耗的84%。但是仅仅在一年后，由于世界原油价格的下跌，原油在德国一次能源消耗中的占比就从11%上升到了15%；在1963年，原油在德国一次能源消耗中占比已经达到了32%，至1967年，则更加上升到了48%［1］503。

除煤炭和石油之外，核能也是德国较早利用的能源。在第二次世界大战之前，德国是世界上原子能研究的领导者，哥廷根是当时世界核能研究的中心。战后，由于国内社会环境混乱，众多科学家移民，研究所破败［2］290；同时，核研究作为第二次世界大战中纳粹德国军事研究的一部分，在战后被占德盟军严格限制，即使在联邦德国成立后，在盟军高级委员会第22号法案中，研究禁令仍被继续执行。直至1952年5月26日， 联邦政府在“占领和外交委员会（第七委员会）的报告”（Bericht des Ausschusses für das Besatzungsstatut und auswärtige Angelegenheiten （7. Ausschuß））中，以立法禁止核武器发展、制造和拥有为条件，联邦德国获得了有限制的核技术研究资格［3］。

1956年，联邦德国成立了原子能委员会，正式揭开了其和平利用核能的序幕。1957年，联邦德国加入欧洲原子能共同体（EURATOM）并启动了第一个国家级的核计划“Eltville 计划（Eltville Programm）”，设想到1965年将有5100兆瓦由德国设计的反应堆投入运行，而最初的500兆瓦则由国家基金推广［4］141。同时，除了国家对核能的激励政策，联邦德国也在核科研上投入了大量精力。在美国提出“原子能为和平服务（Atoms for Peace）”计划后，1956年，慕尼黑工业大学的海因茨·迈尔·莱布尼茨（Heinz Maier-Leibnitz）教授代表巴伐利亚州政府向美国购买了第一个研究用反应堆，这就是因鸡蛋型屋顶被称为“原子蛋”的慕尼黑研究堆FRM（Forschungsreaktor München）。

进入20世纪60年代，矿物油与国内硬煤之间的竞争加剧。即使是以煤炭补贴和对石油产品征收重税为特征的大规模煤炭优先政策，也无法确保硬煤在德国能源市场的竞争力。到1970年，联邦德国的主要能源消耗中矿物油的比例已上升至53%［5］。与此同时，由于不断增加的能源缺口及与国际社会关系的改善使联邦德国发展核能的舆论压力减少，其核工业迅速发展。1967年，联邦德国的核能从测试阶段转向实用阶段，其能源政策和资金支持加速了核电在商业中的使用。在联邦政府的倡议下，核工业机构和能源供应公司就核能进入商业运用进行了谈判。第三个核计划于同年推出，到1972年共获得了高达62亿马克资金，超过了前两个核计划的资金总和。在1971年至1975年间，能源公司提交了14份核电厂的施工申请，总容量高达1，300兆瓦。对核电厂需求的增加是因为联邦德国政府第一个能源计划（Energie programms）的规定，该计划旨在满足核电厂45，000兆瓦的能源输出［6］114。

1973年10月爆发的第一次“石油危机”在国际上被视为联邦德国能源政策的转折点。石油价格危机导致所有西方工业化国家的能源政策重新定位，“远离石油”成了各国政策的核心。联邦德国在面对阿拉伯石油禁运威胁时，制定政策以确保获得可靠能源供应的重要性超过其他能源政策目标。在1974年10月，联邦德国政府提交了“能源计划的首次更新（Erste Fortschreibung des Energieprogramms）”。在这次能源计划更新中，硬煤作为一种长期的可靠能源，没有其他更为廉价的能源可取代，其在发电方面的份额由1974年12月修订的电力法来保障。除了支持硬煤和增加天然气的份额外，修订后的能源计划还提出通过使用大规模的核能设备来迅速提高发电能力。在此计划中，预计到1980年核电厂容量将增加到20，000兆瓦，到1985年将增加到45000～50000兆瓦，最终目标是核电将占总电力供应的45%［7］207。实际上，能源计划也确实起到了立竿见影的效果，回看历史数据，单在1981年联邦德国全年的净发电量中，核能占到了14.3%，与1980年11.9%的占比相比，一年内就有了巨大的增长［8］。

三、 德国能源结构的转型

（一）德国的反核和弃核之路

联邦德国的反核运动最早表现为民众对于能否和平利用核能的疑虑。第二次世界大战时期，广岛和长崎核爆炸让德国民众感受到了核武器可怕的破坏力。1957年4月5日，由于当时的联邦德国总理阿登纳在发布会上表示“战术核武器只是一个‘火炮的进一步发展’”。［2］504月12日，由诺贝尔奖得主奥托·哈恩、马克斯·玻恩和海森堡等十八名德国科学家共同签署“哥廷根宣言”，反对联邦德国发展核武器。虽然“哥廷根宣言”的起草者中也有民用核能的坚定支持者，但是“哥廷根宣言”经常被视为是德国反核运动的起点［2］169-170。20世纪50年代末，联邦德国建造第一批小型实验反应堆时，就存在地方抗议活动。但是反核运动进入主流社会，还是1968年对在建中的Würgassen核电站（Kernkraftwerk Würgassen）的抗议，德国的理论物理学家和政治家卡尔·贝歇特（Karl Bechert）对抗议提供了支持［9］191-202。他是德国联邦议院的社民党代表，又拥有前联邦德国原子能和水管理委员会主席的双重身份，他也被认为是德国“反核之父”。

1959年的民意调查发现，只有8%的人无条件地支持核能。虽然这种情绪暗示了对未知事物的潜在担忧，但在切尔诺贝利时代之前，大多数德国人仍然认为核能是安全的［10］。进入20世纪70年代，人们对核能的使用越来越具有批判性。由于布赖萨赫（Breisach）的居民抗议在该镇建设核电站，原有的场地规划不得不终止，最终将核电项目搬迁到了维尔（Wyhl）镇。1974年4月，反对者向埃门丁根区办事处递交了近10万个签名，以阻止在维尔（Wyhl）镇建设核电项目［6］117-118。在项目开始建设的第二天，即1975年2月18日，“莱茵河上游应对核电厂的环境危害行动委员会（Oberrheinisches Aktionskomitee gegen Umweltgefährdung durch Kernkraftwerke）”的几百名成员（主要是当地的农民和酿酒师）占领了在维尔的核电厂施工现场。1975年2月23日，大约28000名核反对者与警方发生了冲突，并在维尔建立了德国第一个明确意义上的反核组织。1975年3月21日，弗莱堡行政法院废除了维尔核电厂部分施工许可证，并暂时停止了施工［10］。维尔核电站项目被终止之后，联邦德国发生了一系列针对核电站的抗议活动，包括位于Brokdorf（1976年）、Kalkar（1977年）和Gorleben（1979年）的核电站建设项目。可以说，在整个20世纪70年代，联邦德国核电站的建设引发了公众的抵触［11］。

与此同时，核废料的处理对于联邦德国来说也是一个棘手的问题。联邦德国政府于1965年收购了刚刚被废弃的盐矿AsseⅡ，将其作为核废料的存储设施。截至1978年底，共有124000桶低放射性和1300桶中放射性的核废料进入AsseⅡ存储设施。当时盐矿内七个矿坑各被填充了750米，而其中的四个入口已经被填满并密封。可以看出，建设AsseⅡ存储设施的用途还是存储核废料，又因入口被密封，从一开始这个项目就放弃了核废料回收的可能性。［12］56-58单依靠封存核废料的方式处理核废料显然不行，1972年联邦德国开始建设核废物管理中心并为其选址。在选址报告中，初步确定下萨克森州的三个盐丘进入潜在候选地名单（位于Börger的盐丘Wahn，位于Faßberg的盐丘Lutterloh和位于Ahlden的盐丘Lichtenhorst）。核废料处理中心的选址调查立即引起了这些地区的居民，特别是土地所有者的强烈反对。1977年2月，下萨克森州州长恩斯特·阿尔布雷赫特无奈（Ernst Albrecht）指定Gorleben盐丘作为最适合建造核废料处理中心的位置［13］，但这并未能使抵制活动停止。对Gorleben项目的抵制成了德国在切尔诺贝利事故发生之前最大的反核运动，以致该项目一直处于断断续续的建设状态中，即使到2010年德国总理默克尔重新启动该项目，依然有大批抗议者进行示威。

1986年切尔诺贝利发生的事故直接影响了德国核能政策的进程。有民意调查显示，在切尔诺贝利灾难后的几周内，德国86%的人赞成淘汰核能，其中包括17%恳求立即停止民用核能的人。切尔诺贝利事故不仅打破了在社会中本已脆弱的“煤核共识”，同时也促成了联邦德国环境、消费者保护与核安全部（BMU）的成立［5］。在当时由社民党治理的石勒苏益格-荷尔斯泰因州和黑森州，在经历了切尔诺贝利事件之后，弃用核能的决定性政策已经取得了胜利，汉堡和萨尔州的政策也倾向于这个方向［14］263-280。

2001年，德国提出在未来20年内逐步淘汰核能。政府为每个核电厂分配了剩余电力输出，即未来几年的总发电量，一旦有核电厂达到这个总量，这家核电厂将被淘汰。2010年10月，德国政府又决定允许德国的17座核电站至少运行至2036年。但日本福岛第一核电站事故发生后，德国政府再次决定逐步淘汰核能的使用，这也是德国第二次选择放弃核能。在2011年6月，德国政府关闭了8家核电站并规定了其余9家核电站的关闭日期。这些指定日期介于2015年至2022年之间，如果在这段时间内发生了任何扰乱能源生产（例如计划停电和意外事件）的事情，也将不会延长关闭日期来弥补能源需求［15］。

（二）德国可再生能源的发展与挑战

德国曾经严重依赖化石燃料作为一次能源。随着温室气体排放造成的全球变暖问题日益严重，对燃烧化石燃料产生的空气污染以及化石燃料的不可再生性产生的危机感，德国民众很早就意识到从单一依靠化石燃料的传统能源体系转型的重要性。与其同时，德国民众普遍希望通过德国能源结构的率先转型，给其他传统能源结构的国家树立一个积极的榜样。早在1987年，Enquete委员会就以“保护地球大气层的预防措施”为题形成了一份关于未来能源和气候政策的报告，希望德国在2005年削减相当于1987年碳排放量的25%［16］。当然，淘汰核能带来的能源缺口，也不能通过只使用化石能源来弥补，因为这既不经济，也不符合欧盟对碳排放的要求。根据波茨坦气候影响研究所的研究，要替换并完全淘汰核电，必须补充合计功率21吉瓦的发电容量，同时德国在2020年之前另有13吉瓦化石电厂需要淘汰［17］。通过可再生能源的扩张，能够缓解德国在淘汰落后电厂时的供能压力。

联邦德国对可再生能源的支持始于1974年，以联邦政府的能源研究框架计划为代表［18］。在联邦德国，风能是最早被开发的绿色能源之一，风能的发展也引领了其后沼气发电和光伏发电的发展。20世纪70年代末到80年代后半期，当时的联邦政府由于急需大容量的风机接入电网以满足当时电网的能源需求，于是，实施大型风力发电设施Growian试点项目。Growian试点项目于1982年10月正式启动，由于各种技术问题，系统仅运行420小时，并于1987年8月停止运行。到它被拆解时，共花费了大约9000万德国马克，以致Growian长期以来被认为是德国风电史上“最大的失败”［19］。但是通过这个项目，联邦德国也总结了制造大型风力发电设施的经验，为以后德国的大规模离岸风电场建设打下了基础。

1990年德国统一，新联邦政府接受和处置了前东德的能源资产，并力求将可再生能源整合到电力市场。当时东德的主要能源消耗几乎完全基于使用化石燃料，在电力供应方面，褐煤的份额占到了80%［5］。在这个历史背景下，1991年的德国电力供应法（StrEG）出台，标志着德国政府对可再生能源补贴政策的巨大推动，该法律首次规定了供电企业为可再生能源补偿电能的义务，要求电力公司从可再生能源生产商处购买电力并规定其补偿金额。风力涡轮机的运营商可按照电力公司售电电价的90%作为其上网电价，来自生物质的电能上网电价则以零售电价格的80%定价。该法律还规定可再生能源的电力收购价必须高于其他能源的电力收购价。可大幅增加可再生能源在电力生产中的份额并改善可再生能源的使用技术［19］53。与此同时，联邦和州政府认真考虑了光伏系统的推广，于1990年9月宣布了“1000屋顶光伏计划”。该计划在1990年到1995年间推广合计5兆瓦的2500个屋顶光伏项目，由州政府出资50%，国家出资20%为1到5千瓦的小型分布式光伏项目提供补贴。这给光伏的市场发展提供了决定性的推动力［20］6。

此外，随着风力涡轮机的发展，风力发电设备逐渐变得更大、更便宜、更可靠。在1990年，风力涡轮机单台平均的装机容量为200千瓦，转子直径为40米，轮毂高度为50米；到2000年，风力涡轮机已经达到了1兆瓦级，转子直径已经达到70米，轮毂高度增加到100米。电网的不断架设和扩张降低了风电厂与电网并网的线路成本，经验带来的风电场合理选址和正确的风向预测也提高了风力发电的效率，降低了单位电量建设风电场的投资，这两点对推进风电产生了积极的作用。然而，随着风电装机规模的增长，阻力也在增加。在石勒苏益格-荷尔斯泰因州，由于风力发电增长过快，风机输出的总功率很快就达到了该地区电网运营商的负荷限制，而根据先前的德国电力供应法（StrEG）要求，当风电出力达到负荷限制，电网运营商应以固定价格接受稳定增加的风电量。这种发电机组装机容量快速增长却以固定且较高的电价上网，会对电网运营商产生相当大的额外成本，这种成本最终会以提高电价的方式转嫁给用电客户［21］43-45。

为了解决这个问题，1998年德国对电力供应法进行了第一次修正，加入了5%双重保障的条款［22］。当供电区域的电力供应量超过在同一电网区域内售电量的5%时，达到第一个限制。受影响的当地能源供应商可以将所有额外费用转嫁给跨区域能源供应商。电力将在更大的电网中传输，并将额外成本分配给更大的售电量。如果跨区域能源供应商达到销售量的5%，将使用第二个限制，所有其他可再生能源发电厂的电价补偿义务自动终止［23］137。

在1997年2月19日，欧盟电力指令生效，标志着欧洲电力市场的自由化。翌年，能源工业法（Energiewirtschaftsgesetz）被修订，德国开始了电力改革。随着输电运营商 （TSO， Transmission System Operators） 和配电运营商 （DSO，Distribution system operators） 分离，输电运营商掌管着德国高电压等级的输电网，而配电运营商负责低压电网的运营，两者职责不同，在电网中的分工也不同，相关利益也有分歧。随着德国电力市场自由化的推进，德国电力供应法（StrEG）的弊端逐渐显现。例如，由于德国的风电资源集中在沿海地区，5%的限额对于分布式电源富有地区的发电用户实在过低，以致德国于2000年修订了可再生能源法案（EEG），并以此取代了电力供应法（StrEG）。该法案与电力供应法最大的区别就是发电的电量不再停留于配电网运营商运营的小规模电网下，而是被允许传输到更高电压级别、由输电网运营商运营的大规模电网并由他们支付报酬。由于这种系统的变化，电力现在可以传递给输电网运营商并且必须由它支付报酬，没有额外的费用，也就没有必要像德国电力供应法（StrEG）规定的那样，进行分摊［22］。

可再生能源法在后来又经过多次修订，对可再生能源在整个能源结构中的占比有了更高的目标。在2017年最新修订版中规定：“该法案的目的是增加可再生能源发电量占总电力消耗的比例，到2025年达到40%至45%，到2035年达到55%至60%，到2050年至少达到80%。”［24］根据德国能源市场研究组织 AG Energiebilanzen对2017年德国能源的调研报告，2017年德国的总用电量约为6000亿千瓦时，总电力产出量略高于总用电量，约为6550亿千瓦时。但是相对于2016年，德国的电力生产结构发生了比较明显的变化：基于硬煤（-17.5%）、核能（-9.8%）、褐煤（-1.4%）的电力生产下降，基于可再生能源的电力生产急速上升15%；可再生能源在2017年提供了2180亿千瓦时的电量，已经占到了全德国总发电量的三分之一；相比于德国的传统能源褐煤（22.5%）、硬煤（14.1%）、天然气（13.2%）和核能（11.7%），可再生能源已经遥遥领先［25］。

四、 总结及启示

由于福岛核电站泄露事件的发生，德国“弃核”的进程加快，到2022年，德国境内的17个核电站将全部关闭。德国如今的能源结构由于“弃核”和“减排”的影响，相对于以往，出现了一些新的变化：一是与邻国电网交换的电量不断上升，电力需求的满足更加依靠邻国电网的输送；二是电网中新能源、分布式能源的占比不断上升，风能、太阳能等间歇性电源功率波动较大。这两个新的变化都为电网埋下了不稳定因素。德国的能源转型，还需要通过负荷控制和储能解决分布式光伏的不稳定性，提高电网的稳定性。对我国电网来说，现在正处于售电侧改革的阶段，同样也是能源结构转型阶段，自“630”取消分布式项目补贴以来，分布式光伏项目不依靠发电补贴而仅仅依靠上网电价支撑发展，电力平价上网越来越成为未来的趋势。同时，中国分布式电源的装机容量在近几年有非常大幅度的提升，且中国国土面积较大，风光资源同样较为不均衡。通过学习德国能源转型和电力体制改革的经验，对我们做好电网资源的调控以及电网供给侧和需求侧之间的平衡，提供了非常好的启示和教训。首先是在电网调控方面，在风能和太阳能等发电足以部分甚至全部支撑电网负荷的情况下，对于如何降低两者受天气影响较大而导致的不稳定性对电网的冲击，德国已经建立了一套相对成熟的应对系统。借用天气信息实现对风光电发电系统出力的预测以及对未来电网负荷的预测提高对电网运行方式和潮流控制的可靠性和反应灵敏度，值得我们学习和借鉴。其次是由于早期德国电网在规划上对接入的各类设备前瞻性不足，导致大量发电资源被浪费甚至弃用。由于我国是幅员辽阔、能源分布较为不均衡的国家，对电网建设跨度要求远大于德国，如何规划好电网的合理建设，将能源丰富区的电力输送到能源需求区，也是我们接下来电网规划的重点。最后，由于德国早期相对过于激进的可再生能源补贴政策，导致可再生能源装机容量过高，可再生能源的补贴费用数额巨大，从结果上来说依然是包含在电价中让电力消费者承担，这点从电力消费者角度看是不公平的，如何让可再生能源走出单纯依靠补贴的运营模式，也是接下来我们国家能源结构转型需要思考的一个重要问题。