德国可再生能源之路

史一凡 干洁琼

引言

2017年4月30日中午12时的德国，太阳能发电、风电、生物质发电、水电、储能等可再生能源出力高达55730MW，占当时用电负荷的95．76%，可再生能源发电占当天电力消耗的85%[1]。而早在去年5月8日，德国的可再生能源已创下历史纪录，供应了当天能源需求的87．6%，据电力研究机构监测，这天荷载需求为57GW，其中可再生能源供应高达45．5GW。同时，德国电力市场也首次出现了“负电价”的现象。据电网运行分析结果，造成该现象的原因是德国境内大部分可再生能源高效发电，导致德国整体能源供应超过用户需求，从而电价贬为负值。我们不禁产生疑问，“负电价”期间，用户难道无需付费用电而是供电商们付费给用户吗？德国电力市场在新能源趋势下究竟如何运行？可再生能源是否有望代替火电厂，接管电网负载的供应，成为未来主力能源呢？本文从德国的能源政治、历史与科技三方面来解答上述疑问、介绍德国能源改革的历程，并总结归纳对我国能源发展的重要启示。

1 目前德国的能源形势——过剩的可再生能源产电量

德国电网监测数据显示，2016年，在德国东北部，电量供大于求现象几乎每天出现。由于其承担着绝大部分风电与光伏发电任务，相应的，该地区的输电任务以及储能任务正面临着较大的挑战。据Schwarz①Prof．Dr-ing．Harad Schwarz,Power Engineering,Brandenburg University of Technology,Cottbus．团队研究表明，目前德国东北部的储能容量仅占过剩产电量的十分之一。未完善的电网以及储能等因素是“倒付电费”的原因。在这种情况下，只有断开可再生能源的并网才能保证电网的安全。2015年因为超额发电的原因，东北地区可持续能源断电250天；其次，由于可再生能源的超额产电不是持续性的，在输出的波谷期间，还需要化石能源的调峰作用。虽然可再生能源的供应有上述不足之处，但德国作为世界第一个呼吁低碳、去核、环保并且躬行去努力实现的国家，如今的成果不仅使得人类社会与自然更为友好，也促使其他国家纷纷开始开展能源转型，这已被纳入第三次科技革命，即可再生能源的利用。德国电力行业的预见能力与国家政策执行能力是能源改革最大的驱动力，我们有必要回顾借鉴其能源改革的历史与政策，思考如何强化我国的能源领域。

2 德国可再生能源发展的历史与政策

2011年日本福岛核灾难后，德国立即颁布新政策，计划在2022年前淘汰所有的核电厂，在2050年前淘汰大部分化石能源电厂，可再生能源在2050年的占比需提高至80%。然而在当时德国的核电是其能源支柱之一，全德共有17座核反应堆，核能占全国总发电量的22．4%，由此可看出，德国已将能源转型作为自己的重要使命，致力于节能减排，同时积极引导着全世界实施安全低碳的能源改革。除了对低碳环保的贡献，可再生能源的开发还使德国人解决了能源严重依赖于进口的难题。据统计数据显示，2013年德国的一次能源无烟煤、石油、天然气、铀燃料的对外依存度分别是87．2%，97．7%，86．8%和100%，因此，可再生能源使德国拥有了自己的能源，保障了德国的基础国土安全。

2.1 可再生能源法2000-2012（EEG 2000-2012）

早在1990年，德国已从更高、更长远的角度来看待电厂和电网的建设，并开始投入可再生能源发电装置的建设，这些装置需要建设在自然条件较好的地方。东、西德合并后东北部空余闲置的旧军事基地便恰好成为了太阳能和风能电厂的“培养基地”[2]。

2000年，第一部《可再生能源发展法》颁布，政策给予了可再生能源一系列“特权”。规定德国的电网运营商以提高3倍以上的上网电价收购所有的可再生能源供电量20年（其中差额由可再生能源附加费FIT弥补，这部分附加费来自电费）[3]，并且上网电价在有限的范围内可固定不变，这吸引了大量的投资者。为了进一步推动科技发展以降低可再生能源的成本、增加可再生能源的装机量，在2004年、2008年和2011年政府对能源政策进行了修订，分别为EEG-2004,、EEG-2009和EEG-2012。期间，主要完善了关于上网电价走低政策和居民电费走高政策，前者使可再生能源发电成本下降。

上述政策的出台使可再生能源总发电量占比逐年上升，在2000年仅为6．4%，2004年为10%，2010年为16%，2012年达到了22%[4]，由此得出，德国2010年至2012年间可再生能源的发展速度达到了历史巅峰。作为可再生能源的两大支柱，风能和光伏在2012年的合计装机量为63GW（趋势见图2．1）。而截止到该年，德国已经停运了八座核电厂。

图2 ．1EEG政策下的可再生能源发电量趋势1990-2012（深蓝——水能，浅蓝——风能，绿色——生物质，黄色——光伏）[5]

因相关政策的不完善，其中的问题日益突显。由于FIT完全由民众来承担，从民众的电费中扣除。2013年可再生能源附加费是5．28欧分/kWh，2014年增至6．24欧分/kWh，而这两年的电价高达25欧分/kWh，折合人民币2元/kWh[10]。消费者的压力越来越大，一些公司的国际竞争力下降。德国工商协会调查显示，近2/3接受调查的企业中提出了希望政府重视高涨的电费问题并要求给予大幅下调补贴的要求[2]（见图2．2）。此外，由于核电站的逐个关停，燃气电厂受到能改影响限制关停，同期美国页岩气的大力开发导致煤价下跌，德国煤电使用增加，竟然一定程度回归到了基本负荷的地位，使得2012年煤电装机容量增加33%，德国的碳排放量反而上升了0．9%，这与德国能源转型的初衷背道而驰。

图2 ．2可再生能源成本费构成（浅绿色为可再生能源附加费FIT）[8]

2.2 可再生能源法2014（EEG-2014）

2014年8月1日，德国颁布能源法EEG 2014。此法案要求各新能源运营商自行开发、组建市场、自行营销[6]。同时，可再生能源可享受市场补贴(market premium)，即固定的EEG补贴与电力现货市场价格的差价。新能源法执行后，上网补贴的效力逐渐减轻，市场调控的空间逐渐放大。采取EEG-2014的初期，可再生能源的增长自动放缓，以小型屋顶光伏为例（图2．3），可再生能源附加费也因此大幅下降。表2．1的数据显示了从2014年至2016年，德国能源框架结构的改变——可再生能源发电总占比自2014至2015年增长率为12．4%，自2015至2016年增长率为0%。燃煤电厂发电总占比下降率较为恒定，天然气发电总占比自2015至2016年呈现跳跃式增加，弥补了可再生能源在发展低速期导致的能源产量缺失。

图2 ．3屋顶光伏可再生能源附加费[9]

表2 ．1 2014至2016年德国的总体能源产量分布[10]

2.3 可再生能源法2017（EEG-2017）与“倒付电费”现象

2017年1月1日起，可再生能源法（2017）颁布生效。德国政府认为新能源电力市场招标制度将会控制可再生能源成本，刺激可再生能源增长[2]。该法案要求大多数可再生能源采用竞价投标并网，并且只有中标项目才能获得电网运营商的市场补贴[11]。新能源的补贴政策采用了市场补贴的多少取决于中标奖励机制。因此在一定程度上刺激了电网运营商与新能源发电商的交易力度，从而达到降低补贴，市场化管理的目的。

由于可再生能源的成本较低，拉低了市场的平均成本与价格，各类能源出于经济利益都尽量发电，导致电力市场供大于求，长期以往电力市场不得不采取负电价的政策，即可以允许报负电价参与市场竞争[12]。当可再生能源发电量超过负荷所需的情况下，市场处于供大于求的状态。为了得到上网机会，可再生能源运营商纷纷报负价以中标入网，最终使得市场批发电价跌至零以下，所谓“负电价”成交。然而此电价并不受益于用户端，因为用户端和供电商大多存在多年制的合同关系，因此并不存在用户被付费之一说。

2.4 德国风能与光伏的发展史

由于地理与环境优势，德国拥有丰富的风力资源、日照时长和土地资源，风能与光伏，作为可再生能源的主力，在德国的发展可谓首屈一指。

受政策的影响，德国的风力发电逐年增多，到2017年为止，风能容量达到了51．7GW（见图2．4），近乎整个欧洲的三分之一，仅次于中国和美国。风力发电量的比重也逐年增加，在2017年，风力总发电占全国总发电量的12．0%。与之相比较，光伏发电技术发展延后，单机发电量较少，但却承担较多的发电量（见表2．1）；因为光伏投资成本较高，使发电效果不很理想（见图2．5）。于是德国政府在2012年提出要暂缓光伏发电，利用招标的方式使其接受市场的自然控制。最终，光伏投资成本的降低使得光伏逐渐复苏。至2017年，光伏装机量达到41．7GW，占全国总发电量的6．3%。

图2 ．4各项能源发电量趋势与份额

图2 ．5 2012年德国可再生能源的投资成本（黄色——光伏、浅蓝色——风能）[5]

众所周知，核电厂和煤电厂的容量比风力机和光伏板多好几个数量级，对此德国采取了分布式发电，以弥补产能不足。许多私人住户的屋顶上都设有小型太阳能装置，有的住户后院甚至设有小型风力发电机，这样不仅满足了住户的用电需求，还可将多余的电量出售给电网。如此一来，积少成多，集中式火电厂与核电厂提供的大型能量团便被散布在各地的小型能量团所取代（见图2．6）,从左到右依次为2000年、2005年、2010年、2013年。

图2 ．6德国新能源装机量红色——风能、黄色——光伏、绿色——生物质能）[5]

但是，分布式发电方案只是杯水车薪，可再生能源的问题依然十分突出：波动的功率输出依赖当下的自然条件，另外分布不均匀的可再生能源电厂（东多西少）对输电系统要求较高。于是，这就不得不需要德国的智能电网与储能系统。

2.5 德国智能电网与储能系统

美国能源部对于智能电网的定义为：一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网的节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有的节点之间的信息和电能都能双向流通，即通过智能电网，各个电能相关的节点都能“心意相通”，“各得其所”。比如，当用电负荷小于应得发电时，多余的电量会自主输送给其它地方进行补偿，避免被浪费或者造成一些电厂低负荷运行。

早在2008年，德国就提出E-energy的区域性测试研发，2013年，德国政府开始执行智能电网政策，规定四大输电公司每月给予1500MW的调峰容量来招标可再生能源，智能电网从此担任起负荷调节任务[4]。这一决策在很大程度上促进了可再生能源的发展，也使可再生能源的电力在市场上能自由交易。目前，由于可再生能源的并网比例大幅增高，所以相比智能电网，更进一步的“能源互联网”概念广泛为人所知，即旨在把所有的能源输出与消耗包括充电放电设施涵盖在内的能源网络化管理。这个概念正引导着德国不断尝试、改进、普及新的项目如电动车。可惜有时新的概念不乏有被歪曲的理解，信息产业界不少企业以为能源互联网等同于“互联网能源”，着重于互联网的作用，能源为附属品，甚至有意弱化能源的概念。实际应做到可再生能源的有效入网为主体，互联网为辅，保证未来80%的可再生能源在并网的同时安全可靠的运行是能源互联网的初衷。

储能方面，德国目前正在突破200MW的装机容量大关，计划在2020年达到500MW[14]。然而储能市场的兴起与发展并不像可再生能源那样迅速，锂电池的技术创新难度较大，并且成本较高，并不受到市场的欢迎。此外，德国自身的智能电网运营与调度越来越便捷，储能的作用被相应地削弱。但是，考虑到德国能源输出东多西少的局面和对国土安全的考量以及出于对电力危机的防患，储能技术研究得到了政府的支持。目前德国正在进行的较为广泛的储能项目研究有高能钠硫电池系统、锂电池系统、电动车储能系统等等。

3 Smart Capital Region——未来能源技术之星

座落在德国东北部勃兰登堡州最好的科学技术大学——勃兰登堡科技大学（Brandenburg University of Technology)拥有着德国的前沿科技E-Car的研究项目。这里的老师与学生们默默无闻地从事着人类未来能源的技术研究——Smart Capital Region。

仿佛是德国庞大的能源系统的缩影，BTU校园内的小型能源网从电动车储能系统出发，似模拟经营了一个迷你型的能源网，该项目主要针对未来城市区域的产能过剩问题提出解决方案。该项目采用光伏发电，使用热电联产作为产能装置；智能电网作为传输装置；由一个稳定的铅酸蓄电池、2～3辆电动车以及储热装置和蒸汽发生器作为能源消耗的负载端。

图3．1是Smart Capital Region项目的能流图，其中有几处关键点值得我们注意和借鉴。

图3 ．1 Smart Capital Region项目的能流情况[9]

（1）德国的能量流动具有整体性。从传输电网（Ubertragungnetzebene）到输配电网（Verteilnetzebene），用户负载的能量流是单一不可逆的，比如柏林售电商。但次级产电商和传输电网之间的关系是双向流通的，比如光伏产电商，因为在勃兰登堡州，可再生能源和传统能源的产能经常高于用户的耗能，这样双向流通的设计能减轻电网容量超载使得多余的能量回归电网重新进行调配。这种整体规划、统一调配的方式大大增加了电网系统的灵活性，同时，也增加了更多可再生能源并网的可能性。

（2）采用分布式发电理念。BTU校园内的智能电网试验基地充分运用了分布式发电的概念：校园内可以自产自消电能，多余的电能也可对外输出或者储存起来（储能电池、储热装置以及E-Car）。杜绝了某电厂的完全垄断，分布式发电能减轻甚至取代集中式供电，使环境负担减轻，使能源利用更自主化。

（3）拥有智能电网信息中心。BTU校园内有一处独立的办公点称作BIENe（见图3．2），所有的数据集中在这里进行处理分析。智能电网会先记录负载档案信息以及使用情况（荷载主要包括校园办公楼、实验楼以及储能设施），然后把数据传送给BIENe进行联网记录、评估、分析、优化。类似的，学校的中、高压电网也以此方式得以监测和控制。这样能量流变得可视化、可控化，从而可更清晰地研究与优化整个能源网上不同元件之间的相互作用。此外，这里也汇集了柏林和勃兰登堡州的分散数据，来访者通过BIENe可对这些区域的能源情况一目了然。这是Smart Capital Region项目极具实际意义的设计，通过智能电网与大数据集中分析，在未来，也许仅靠一款软件便能自动控制、优化所有能源大网上的能源需求。

图3 ．2智能电网信息中心BIENe外观

（4）E-Car成为“流动的储能设备”。作为Smart Capital Region项目的重头戏，E-Car不同于广义的电动车，它具备了智能充放电功能：当车主设定好用车计划之后，E-Car与充电桩之间通过智能“沟通”来合理地进行充放电，使能源利用率提升，一根充电桩以及一辆E-Car即可储存过剩能量。目前BTU校园试验基地里有一辆电池容量为38．8kWh由梅赛德斯赞助的E-Car，15辆电池容量为21．4kWh由欧宝赞助的E-Car，它们的最大时速均能达到130km/h，最长里程可达120km。充电桩分为直流充电桩与交流充电桩（包括三相交流和单相交流）。直流充电比交流充电要快，直流的能量转换器都包含在充电桩里，因此直流充电桩会允许E-Car拥有更多的电池容量，使充电速度加快。交流充电拥有强大的控制系统：每一辆车的充电电流取决于这片区域所有的充电桩储能情况，这个过程被高一级的交流管理系统所控制，使得某个E-Car与所有充电桩之间能够进行“交流”，如什么时候充电，充多少电。能源在此实现了沟通与优化，达到了智能。

4 对我国能源改革的启示

近年来，我国的可再生能源的装机容量亦位居世界前沿，尤其风电厂与光伏发电厂。然而，从依赖燃煤电厂到可再生能源，我们依然有漫长的路要走。因为装机容量再多，若可再生能源发电得不到并网与购买力，能源改革就无法进步；燃煤电厂如果一直占据基本负荷的主力位置，可再生能源就会失去“跃跃欲试”的机会，增加了能源改革的负担。

造成上述问题的原因之一是电费的分配。从数据上看，2015年，中国的陆上风电的度电成本是$77/MWh，光伏度电成本$109/MWh，而煤炭发电仅为$44/MWh，对应地，这三组数据同期在德国分别为$80/MWh，$110/MWh和$106/MWh，然而，我国的居民电费却远远低于德国，也低于同期的光伏度电成本。因此，可再生能源无利润可得，其入网竞争力自然大幅低于德国。从德国的可再生能源法和具体的改革应对措施中，以下几方面可以为我们所借鉴：

（1）政策方面，德国政府起初一边采用固定上网电价鼓励褒奖可再生能源的投资建设，一边强制关停火电厂与核电厂。在德国，虽然煤炭的固定成本相比可再生能源较低，但受发电小时数的影响，其变动成本会增加，导致总体发电成本较高，使燃煤发电成本居高不下，投资者减少；其次，整个欧洲通过在煤炭市场建立稳定的储备机制提升了碳排放额度的价格，促进低碳环保的同时降低了煤炭使用量。此外，政府起初先通过补贴可再生能源并呼吁民心的方法以全面开展分布式可再生能源发电，之后再通过制定一系列递减的可再生能源的上网补贴，降低可再生能源成本，并鼓励运营商组建市场，自行营销，使之逐渐从“计划经济”转向“市场经济”，进一步改善有可再生能源参与的能源交易市场运行。最终，使得化石能源逐渐从主力能源淘汰，市场自动倾斜至可再生能源主导。

（2）技术方面，在德国看来，电网与能储系统和可再生能源应并驾齐驱同步发展，对可再生能源的实际普及与安全运行起着决定性作用。由于采用分布式发电系统，决定了发电端与用电端之间必须保持信息双向流通，所以智能电网的发展便渐渐遍布整个德国。电池与电动车的便携储能系统、自动化控制与调配的智能电网弥补了可再生能源发电的波动性与不可预测的缺点，解除了可再生能源入网比例增多带来的安全隐患；同时，强大自由的电力交易市场保留一部分调峰电厂作为应急电站与部分储能系统，保证了可再生能源作为基本负荷使用的安全性及可行性，同时达到节能的目的。

我国目前装机容量种类丰富，提高可再生能源发电的并网与购买力，配备具有自由性与灵活性的电网系统，使大片的风能与太阳能源真正传输到每个用户。同时采取降低碳排放的政策，减少化石能源发电厂，并通过调整发电成本与电价，以经济效益带动可再生能源在电力市场的发展。

[1]BMWi:Energiedaten:Gesamtausgabe,05,2016

[2]范珊珊．德国光伏业发展陷困境我们还要不要学德国？[J]能源杂志．2016．04

[3]BDEW

[4]Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen(AGEB)．Effective:11．August 2017:Gross electricity production in Germany from 2014 to 2016

[5]Smart Capital region,from:http://www．smartcapitalregion．de/

[6]"Germany Breaks A Solar Record-Gets 85%Of Electricity From Renewables．"CleanTechnica．May 09,2017．Accessed September 28,2017．https://cleantechnica．com/2017/05/08/germany-breaks-sol ar-record-gets-85-electricity-renewables/．

[7]"German Renewable Energy Sources Act．"Wikipedia．September 14,2017．Accessed September 28,2017．https://en．wikipedia．org/wiki/German_Renewable_Energy_Sources_Act#Renewable_Energy_Sources_Act_．282014．29．

[8]"Defining features of the Renewable Energy Act(EEG)．"Clean Energy Wire．June 27,2016．Accessed September 28,2017．https://www．cleanenergywire．org/factsheets/defining-features-renewableenergy-act-eeg．

[9]"2012 Amendment of the Renewable Energy Sources Act(EEG 2012)．"IEA-Germany．Accessed September 28,2017．https://www．iea．org/policiesandmeasures/pams/germany/name-25107-en．php．[10]http://www．germanenergyblog．de

[11]"German Renewable Energy Act 2017(EEG 2017)-what you should know．"Norton Rose Fulbright．Accessed September 28,2017．http://www．nortonrosefulbright．com/knowledge/publications/147727/german-renewable-energy-act-2017-eeg-2017-what-you-shou ld-know．

[12]世纪新能源网：揭秘欧洲（德国）电力市场“负电价”：http://www．escn．com．cn/news/show-178948．html

[13]https://www．cleanenergywire．org

[14]https://www．bee-ev．de/home/

[15]"Annual Report 2014"．International Energy Agency-Photovoltaic Power Systems Programme(IEA-PVPS)．21 May 2015．