深度丨能源转型到储能革命 德国能源转型下的一次壮举

除了电池之外的其他可能

储能的原理早在几十年前就不是什么新鲜事。“经典”的抽水蓄能技术就是在电力富余的时候，利用水泵将电力转化为势能，在需要的时候，又把水放出来，将势能转化为电力。但在德国，适合建造抽水蓄能电站的空间非常小，因为那里的山区很少，而且公众对这种会破坏环境的新项目有强烈的抵制。这就是为什么德国人还在努力寻找其他方式来储存可再生能源。目前人们对电池的热情有时掩盖了这样一个事实，即世界第四大经济体的脱碳需要许多其他技术，因为电池根本无法储存更长时间的能量，也无法储存足够的能量。这就是为什么除了完成煤炭开采到电池生产的转变之外，以热能的形式储存，或者以气体或液体燃料的形式储存可再生能源(比如Power-to-Gas技术)的技术，对于大量或者长时间储能也很重要的原因。

热储能目前正在研究当中，德国航空航天中心(DLR)提出了一种利用煤炭行业现有储热设备来缓解脱碳计划的替代方法。研究人员建议将可再生能源产生的热量储存在废弃燃煤电厂装满液态盐的大水箱中，并利用现有的蒸汽发生器和涡轮机将热量转化为电能。德国政府已经表示，将研究“使用不再需要大规模蓄热的发电厂”的可能性。DLR称，如果这些项目得以实现，目前约有一半的燃煤电厂员工可以保住工作。

至于Power-to-Gas技术储能的案例，在德国目前有非常多，其中比较有名的是德国的MEKS项目。MEKS“是施普伦贝格多能互补集成发电系统(Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg)的缩写，项目坐落于德国东部小市阿姆梅伦塞的小镇施普伦贝格。这个多能互补集成发电系统利用先进智能系统集成技术将风力发电和光伏发电结合，所发电量可以实时馈入电网;多余的电量又可以结合制氢装置，制得的氢气可以储存或馈入当地天然气管道。MEKS项目将该地区的创新发电和存储技术结合起来，充分利用该地区的新能源资源，同时为当地现有发电厂提供了可持续利用潜力。

电池在电动汽车上的应用

电池产业的繁荣发展的主要推动力就是政府决策。作为汽车大国，德国政府希望在汽车零排放时代到来之前确保德国最重要的汽车行业的未来。发展电动汽车对于电力行业来说无疑是个福音，电动汽车之于电力行业的意义就是“装在车轮上移动电池”，而且其飞快的发展速度对于储能行业的意义可能会是住宅储能无法比拟的。

气候、能源和运输国际顾问Diaz-Bone举过这样一个例子：“100,000个家用储能系统的数量可能听起来已经可以令人印象深刻，但如果对比电动汽车的规模，这个数字也只能相形见绌了。我们正在研究数百万辆电动汽车，每辆汽车的电池容量为40到100千瓦时，是一般家用电池储能系统的五到十倍”。

与固定式家用电池一样，通过充电桩连接到电网的电动汽车不仅可以存储电力，还可以根据需要将其送入电网。例如，下午从工作中回到家的电动汽车车主可能会告诉他的充电系统，希望他的车在第二天早上之前可以充满电。然后，系统可以分配充电所需的时间，并利用剩余部分帮助调节电网稳定。电池的核心优势是，可以在短时间内吸收和释放大量电力，这使其成为为电网提供辅助服务的理想工具。它们可以保证电力通畅以稳定电网，充当备用电源以提高可靠性，并且能够在供电充足且因此便宜的时间再充电。德国著名的虚拟发电厂运营商Next Kraftwerke与荷兰智能充电供应商Jedlix合作，已经把这种双向充电模式应用到试点项目当中。

但电动汽车能否如上面所说为电网提供这些服务还有待观察，这取决于车主和汽车制造商是否配合。为了解决这一问题，德国能源智库AgoraEnergiewende的储能专家MatthiasDeutsch参考了一些关于向电动车车主支付辅助服务的费用的商业模式，得出了结论称：“能否说服电动汽车车主参与电网辅助服务，根本上只是一个补偿金额高低的问题。相比之下，汽车制造商所带来的阻碍可能更大 – 例如，汽车制造商会要求：如果车主把汽车电池用于电网辅助服务，他们就会撤回对电池的质量保证。”

据麦肯锡称，电动汽车不会在2030年之前大幅增加德国的电力需求，但人们通常会在下班后给电动汽车充电，这一用电行为可能会增加夜间高峰负荷，电力负荷曲线将有所不同。虽然电力系统受到影响不大，但在一些电动汽车普及的热点地区(如郊区等)，由于峰值负荷会显著增加，当地的变压器也需要升级。

德国储能行业也表示，储能产品可以减少电网扩建的投入。例如，大量电动汽车投入市场，大规模的充电会给电网带来过重的负担，此时，有储能设备作为缓冲，扩建的需求也就没有那么迫在眉睫了。

展望未来，电网可用的电动汽车数量看起来并不是那么确定。如果私人汽车保有量下降，自动机器人出租车等新商业模式投入使用，人们现在所想象的电动汽车在电网中的美好应用可能会大打折扣。

电池对人类和地球的危害

电池市场的规模已经引起了人们关于电池原材料以及电池生产和处理对人和环境的副作用的关注。

根据德国交通转型智库AgoraVerkehrswende的一项研究表明，虽然锂和钴等关键电池成分的资源储备足够支撑当前电池的发展，但它们的开采制作过程，本质上还是会造成一定的社会问题和环境问题。这个领域所产生的问题是多方面的，包括采矿作业的高能耗，酸性矿山排水，采矿公司与当地居民之间的用水冲突，以及矿山的恶劣工作条件等等。尤其是刚果小型钴矿的不人道开采条件，工人们赤手空拳地挖掘原材料的情况，引起了媒体的广泛关注。“可持续性不仅仅意味着'长期可用性'。它还意味着确保整个供应链中工人的环境标准和可行条件。”

另一方面，镍和锂的开采也带来了高昂的环境成本。二手车电池的处理也可能造成严重的环境问题，但二手电池处理这个新行业正在逐渐兴起，将会成为一个十分必要的售后市场。

在这里举一个典型的例子就是汽车制造商通过二次利用电池来赋予电池新生命。各种德国汽车制造商已经将数百个二手电动汽车电池组合在一起，形成电力系统的大型储能装置，以帮助保持电力供需平衡。梅赛德斯汽车制造商戴姆勒在2018年7月开设了第三个由二手电动车电池组成的大型电池储能设备，总容量约为10兆瓦时。同为德国著名汽车制造商的宝马公司也参与了类似的项目。

大型电池提供电网服务

无论是二手还是全新电池，它们的价格正在不断下降。目前，大型电池已经成为电网稳定的重要工具。德国储能协会BVES的数据显示，德国大型商用电池的总容量将在2018年几乎翻倍至约320兆瓦，而所有家用电池的总容量将增加到380兆瓦左右。

在一些地理位置比较孤立的国家，例如英国和澳大利亚，大型电池提供电网服务的使用需求更加显著。气候、能源和运输国际顾问Diaz-Bone认为：“作为一个岛国，英国几乎没有与国际互联的电网，却拥有巨大的风力发电潜力。因此，它应该受益于其电网中的电力存储部分，而德国对大型电网储能的需求不那么明显，因为德国有一系列可能更便宜的灵活性替代方案 - 例如跨境电力贸易。因此，德国不会像英国那么依赖电化学储能。”与英国相比，德国的电网可以利用阿尔卑斯山的水电站来储存电力，并且很快可以使用目前正在建设中的水下电缆NordLink，将风力涡轮机产生的电力输送到挪威水电站。在德国风力发电量较低的时候，挪威水坝可以将电力输送回德国电网。

大型电池储能项目也成为绿化远程住宅能源供应的关键工具，让住宅供能不依赖于集中式电网。德国在北海的岛屿为这些涉及储能的智能小型电网提供了完美的试验场。例如，欧盟支持博尔库姆岛的一个试点项目，旨在用太阳能电池板发电和配备有一系列储能技术的连接到智能电网的风力涡轮机发电取代化石燃料发电。

储热和季节性储能

电池并不是解决能量转换后所需的大规模储能的唯一灵丹妙药。这是因为电池不适合长时间储存电力，并且电池的容量远远不能满足风力和日照较少的长时间需要。从尺寸上看，世界上最大的电池拥有129兆瓦时容量，由特斯拉在2017年在澳大利亚建造，可能仅能为上海提供大约几分钟的电力。因此季节性的大规模储能往往需要人们考虑到如何将整个夏季的太阳能发电量储存几个月，供冬季使用。

许多德国专家认为，在没有风或太阳的较长时期内稳定的能源供应是德国能源转型的核心挑战。在能源转型的背景下，一个新的德语词语应运而生：Dunkelflaute，一种黑暗、平静期，正是描述这种无风或者无阳光的天气情况。

大规模储能的问题仍然存在争议。经济学家Hans-Werner Sinn认为：由于储能需求巨大，无法全面过渡到间歇性可再生能源。但德国经济研究所(DIW)的经济学家反驳说，Sinn的假设是不现实的 - 例如，他们认为不是每一瓦的可再生能源都必须投入使用。 也仍有许多能源专家认为，几十年内都不需要大规模储能技术，因为还有其他更便宜的灵活性选择，例如需求响应和电力交易。

但对于大规模储能技术的现阶段发展来说，德国德国工程师协会(VDI)表示，已有能够较好解决这一问题的技术。“已经存在完成能量转换所需的储能技术。它们处于不同的发展阶段，但从技术角度来看，储能问题可以得到解决。”具体有以下两种比较成熟的解决方法：

1. Power to Gas

：电可用于制造可无限期储存的氢气或其他气体，然后在常规燃气发电厂中燃烧气体发电，或用于给家庭供热。但该技术目前价格昂贵，因为在转换过程中会损失大量能源。具体内容请关注交能网稍后推出的Power to Gas专题文章。

2. 储热

：以热量的形式大规模储存能量。储热的方法有很多种，例如以大型地下含水层储能的形式储能-这实际上是一个巨大的保温瓶。德国汉堡市已经完成了一个大型地下含水层蓄热系统的试验阶段，该系统应该取代一个燃煤电厂，可以为冬季的8000户家庭提供热能。将水加热至80摄氏度并泵入地下以保持温度，以便在城市的区域供暖中使用。

德国政策制定者对“Made in Germany”的储能技术的态度

政策对于许多能源细分行业的发展至关重要，技术的未来在很大程度上取决于政策，储能行业也不例外。

欧洲经济研究中心调查的能源行业专家一致认为，目前德国的政治框架对促进储能行业的发展几乎没有好处。尽管德国的可再生能源在全国范围内迅速推广，但电池大力推进的同时其实是没有政策激励的，政策仍需要迎头赶上。首先，能源税制就需要进行根本性的改革，目前高电价是德国电气化进程的严重阻碍，许多储能专家认为：降低能源税才能更好地利用Power to Gas等关键技术。“储能行业被挤进一个过时且狭窄的监管框架，现状是许多技术无法盈利 ，因为他们必须多次支付税款，”储能行业协会专家Gottke 解释道。“这一切都是因为监管框架落后于技术发展。”

在这样的行业情况下，主要由中小型企业组成的德国储能行业表示，他们现在已经高度以出口为导向，并坚信这有利于全球市场增长，例如应对美国和澳大利亚大型电网电池、以及非洲小型电网和离网电池等需求。

当然，德国政府也意识到需要进行改革以促进国内储能的发展，这也是德国储能行业目前依然是世界市场的一块基石的原因，但德国政府依然想尽量避免进行复杂的税制改革。“我们需要新的商业模式和价格，以提供电力储存的动力，”德国国务秘书Bareiß说。他表示，政府将在未来几年变得“非常活跃”，以帮助储能行业保持竞争力。

德国联合政府已经在其最新预算中大幅增加了电池研究的资金，Bareiß表示还会有更多的预算。“能源转型也是一个技术项目。我们希望知道，在未来几年，我们可以在德国使用哪些技术来促进新的增长和繁荣。”

结语：德国的政策发展及先进的技术使其目前保持着'可再生能源2.0技术领导者的地位，但德国是否能长期保持这种领导地位还是一个未知数，让我们一起在这场变革中看个究竟。