主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

26 波动和储存

风能作为一个能源，是完全无法利用的，因为在无风的季节，依赖风能，整个国家的经济活动就会停止。在蒸汽机之前，风能用于矿井排水，虽然它们是很好的机器，但是，它们工作得不规则。在风小的时候，如果这时矿井积水，人们很长时间只能无事可干。 William Stanley Jevons, 1865

图26.1 英国电能消耗，2006年夏季和冬季一周情况。如果你不喜欢整个国家能耗单位是GW，记住每人每天24kWh等于60GW

如果我们不用化石燃料，转向可再生能源，或使用核能。我们会有一个大问题。这些可再生能源都不能简单关闭或开启。当风吹出来，太阳升起来，能量就需要去收集。但是，2个小时以后，它们又可能完全消失了。核能也一样，不能更加需要关或开。这时一个巨大的问题。在电力系统，电力生产和消费必须严格相等。电网不能储存能量。我们必须准备一个系统，能够随时关闭和开启，在需要的每分钟及时供应，在不需要时，随时关闭。显然这个系统能够生产电能，能够及时关开，补偿用电需求的波动。另外一个解决方式是随时能够储存电能，在需要时再输出电能。

这样的系统还要有很大能力，因为电能需求和生产能力变化很大。需求会在几分钟内发生巨大变化。本章讨论，在没有化石燃料情况下，如何对付电力供应和需求的波动。

图26.2 上：从2006年4月到2007年4月爱尔兰共和国所有风能电站发电输出，单位是MW，中：2007年1－4月，下：2007年2月，最大发电功率是5000MW，2007年平均功率是745MW，分布在60个风力发电站，15分钟一个功率数据， 来源：www.eirgrid.com

可再生能源波动情况？

虽然我们很喜爱可再生能源，但是，我们必须了解，风能等存在很大波动。批评风能的说，风能是间歇的，不可预测的。因此，它的贡献几乎为0，因为我们建设风能电站，必须要建设同样规模的化石燃料电站，以免风能电站停止时使用。报纸头条说“得克萨斯风能波动，导致电网崩溃”，增加了人们对此的印象。风能支持者对这个问题轻描淡写“不用担心，单个风能电站也许是间歇的，但是，很多电站在一起的效果是不同的，不是每个地方都同时没有风”

让我们看看实际情况，来了解平衡情况。图26.2是2006年4月到2007年4月之间，爱尔兰共和国所有风电输出情况。很清楚，风能是间歇性的。如果我们增加很多电站，例如，英国比爱尔兰大，风电数量多，但是，问题是一样的。2006年10月到2007年2月，有17天，从英国1632个风电站输出的电能等于它们的能力的10%，有5天低于5%，有一天，仅2%。

下面来看，风能系统波动性的定量分析。通常分为长期的和短期的。下面来看一个短期变化的资料，2007年2月11日，爱尔兰的风能从午夜415MW降低到凌晨4点79MW，每小时下降84MW，而风能总平均功率是745MW。对英国来说，风能功率是33GW，平均功率是10GW，计算得到的变化速率是

84*33000/745＝3700MW/h （这里应该用10GW来计算，译者观点）

假设英国情况与爱尔兰类似。这样我们就得到，我们需要准备总发电能力变化量为3.7GW/h，这等于4个核电站，能从关闭状态到一小时后满负荷运行。

图26.3 英国电能需求，左边是功率，右边是人均每天需要的电能

英国的电能平均用量是40GW，相当于人均每天16kWh。因此，如果全部用风能来供应，需要准备4GW/h的电能系统。这是否是我们从未经历过的要求？不是的，从图26.3可以看到，每天早晨，英国的电能需求从早上6点半到8点半上升13GW，上升速率等于6.5GW/h。也就是说，我们的工程师每天都要对付电力需求上升速度达到6.5GW/h。因此，风能突然变化，导致电力供应变化4GW/h不是拒绝使用风电的理由。如果一个问题与工程师已经解决的问题类似，我们仅仅需要，如何解决对应的不存在化石燃料的供应问题。这里，我没有说，我们已经解决风电变化剧烈问题，而是说，我们解决过类似问题。（这里问题在于现在的解决方案是不能搬到没有化石燃料的未来，译者注）

好，我们来寻求解决方案。我们还要分析风能的长期变化问题。在2007年2月初，爱尔兰几乎没有风。这是很不寻常的，参见图26.2.一年里，通常持续2－3天没有风，在一年里会发生几次。

有两种方法来解决无风问题。一种是在这之前储存电力，或者减少此时的电力需求。如果风能平均供应10GW电能，则储存5天的能量需求是：

10*（5*24）＝1200GWh。

英国电能需求是每天1000GWh。

平均到每个人身上，是每人储能20kWh。它能持续供应5天全英国的能源需求10GW，等于给每个人供应4kWh5天。

对付无风和快速变化

我们需要解决两个问题，一个是长期无风导致的供应能力下降，一个是能源供应或需求的快速变化。我们已经分析过这两个问题数据。假设英国风能发电能力是33GW。变化速度是每小时6.5GW；有效储能能力是1200GWh（＝每人20kWh）。

主要解决方法包括储能水电站和电池储存。在阐述这两个方法之前，我们看其它对付快速变化情况

对付供应快速变化的方法

某些可再生能源可以随时关停。如果我们建造了很多可以随时关停的发电站，我们就解决了所有问题。在挪威和瑞典，有很多水力发电站，可以随时关停。在英国，我们怎么办？

英国有许多垃圾焚烧和生物质焚烧电站，它们的角色类似化石燃料发电站。如果将它们设计成可随时开停的，会带来很多成本。这等于我们建造的发电站，是部分时间工作的。有时闲置，有时超负荷运行，与稳定运行相比，成本增加。将成本问题放一边，我们需要了解，关键问题是，我们需要建设多大的发电能力。如果焚烧所有的生活垃圾和所有的农业垃圾，平均发电能力是3GW。如果我们建造两倍于这个能力，就是6GW，几乎运行一半时间，我们就能在搞需求和不运行之间，增加6GW能力。将这些电站设计成在一小时内可开关，这是电力供应能力变化率就是6GW/h。这是最大变化率，与我们使用33GW风电系统的要求还有差距，但是，提供了很大贡献。

水力发电如何？英国水力发电的运行负荷平均仅20%，所以，它们能够提供增加供应的能力。水力关停速度很快。Glendoe水电站，装机100MW，能在30秒内关停。一个水电站的发电变化速率就达到12GW/h！因此，一个足够大的水力发电站就能够解决巨大的风力发电带来的电力供应剧烈变化问题。但是，英国水力发电能力换达不到要求。英国总的水力发电能力是1.5GW。

因此，我们简单将能源转到可关停的可再生能源，还需要其它解决方法。

储能水电站

用水泵利用低价电能，将水输送到山上的湖泊或水库中，在需要是象水力发电站一样发电。

表26.4 储能水电站

电站 装机功率 扬程 容积 储存能量

GW m 百万立米 GWh

Ffestiniog 0.36 320-395 1.7 1.3

Cruachan 0.4 365-334 11.3 10

Foyers 0.3 178-172 13.6 6.3

Dinorwig 1.8 542-494 6.7 9.1

英国有四个储能水电站，可以储存30GWh电能，参见表26.4，图26.6.它们主要用来储存夜晚多于电能，在白天使用。利润与电价相关，参见图6.5。Dinorwig电站，唯一Snowdonia山口，扮演的是安全角色，在电网崩溃时，用于启动电网。通常启动1.3GW发电能力，只需要12秒。

图26.5 英国电价变化，单位：英镑/MWh

图26.6 Llyn Stwlan， Ffestiniog储能电站上游2水库，位于北威尔士，储存能力是1.3GWh。

dinorwig 水电站是最大的。储能能力是9GWh，上游湖泊比底部高500米，工作体积是700万立方米，最大流失是390立方米/秒，发电能力是1.7GW工作5小时。储能效率是75%。

四个储能电站同时工作，总功率是2.8GW。它们能快速启动，对付需求波动或供电波动。但是，2.8GW能力还不能满足33GW风电的要求功率10GW。总的储能能力30GWh比1200GWh的要求也低很多。

我们能储存1200GWh电能？

我们探讨如何建设具有总储能能力为1200GWh的系统，它等于130个Dinorwig储能电站，发电能力是20GW，是dinorwig电站10倍。我们可以建12个新的储能电站，每个储能量是100GWh，大约是Dinorwig储能电站10倍。水泵和发电设施与dinorwig相同。

假设发电效率为90%，表26.7是几种不同储能方式，主要是水位变化和湖水深度。

条26.7 储能水库容积

上游水库高程 水库体积 水库面积 和深度

m 百万立米 平方公里 米

500 40 2 20

500 40 4 10

200 100 5 20

200 100 10 10

100 200 20 10

是否能找到12个这样地方？是的，我们可以在snowdonia建造这样的电站。表26.8列出Ffestiniog电站附近可以建造储能电站的地址。在七十年代，建造Ffestiniog时，曾考虑过。

表2.8 Snowdonia附近其它可建储能电站地址

选择位置 功率 水头损失 体积 能量储存能力

GW 米 百万立米 GWH

Bowydd 2.4 250 17.7 12.0

Croesor 1.35 310 8.0 6.7

此外，我们还能将下游水库建在地下，在英国伦敦，曾讨论过在地下1000米建造地下水库。将大海作为下游水库也是一个办法。

图26.11 Okinawa储能电站，下游水库是大海，储能能力是0.2GWh www.ieahydro.org

使用电动汽车的需求管理

简要回顾我们的要求：我们需要建造储能能力为1200GWh，等于每人20kWh，对付33GW供电能力阐述的变化，等于每人0.5kW。这个数字同电动汽车的能量和功率要求类似。第20章谈到，电动汽车储能能力是9kWh到53kWh。3000万个电动汽车，等于每人储能20kWh。典型的电池充电功率是2－3kW。因此，同时给3000万个电动汽车电池充电，功率是60GW！为电动汽车电池充电的平均功率是40－50GW。这与风电33GW，生产10GW电能相近。

下面是如何匹配两者：电动汽车可在家或办公室充电。设计灵巧的充电器可以根据电价和使用者要求，灵活充电，如早上7点之前充好电。充电器可以在风电充足是快速充电，在风电停止时停止充电。这样的灵巧充电器可以平衡电网要求，降低用电成本，从而得到回报。

如果我们让电池可更换，解决方法就更好了。想象你到充电站，将你的用光电的电池换成新电池。充电站负责给电池充电。他们可以在合适时间充电，使总的电力供应和需求保持平衡。使用可更换电池是特别好的解决方案，因为可以在充电站储备大量电池。这些电池提供了大量储能能力。有些人说，可怕，我怎么能信任充电站来照顾我的电池？他们会不会给我一个废电池。是的，你是否会问，今天的加油站加的不是油，而是水？维修车辆，我宁愿相信专业维修人员，而不是不懂车子的自己。

让我们回顾可能的选择。我们可以平衡需求和供应波动。通过开关发电系统或储能然后在需要时再生。在这些选择中，使用电动汽车是一个很好的选择。3000万辆汽车，每个40kWh电池，等于增加储能能力1200GWh。如果货运汽车也采用电动汽车方案，总的储能能力还会增加。

它们和风电系统能很好匹配。如果我们在推进风电同时，每3MW更换3000个电动汽车，同时使用智慧型充电器，将能很好地解决风能波动。如果我预测的氢能汽车是错误的，氢能汽车是未来更便宜的汽车，风能电动汽车方案当然可以被风能氢能汽车替代。风力叶轮可以发电，当电能很丰富时，可以生产氢储存起来，用来推动汽车或其它用途。

其它需求管理和储备

还有一些其它选择，一个方法是改变生产能力，从而改变工业生产的电力需求，以适应供应能力变化。这不是一个新主意。铝厂是高耗电企业，常常建造在水电站附近。降雨季节，铝生产也多。不管是否可以储存电力我们都可以灵活地开关电力需求。利润，反渗透系统也是许多国家主要耗能大户。另外一个储能产品是热。如果我们将制冷和取暖系统电力化，我们就有能力设置储热系统，连接到电网上。绝热良好的房屋可以保持温度很长时间。因此，我们可以灵活选择加热时间。进一步，在大厦中设置储热库，将热泵产生的热能储存在热库中，可以根据电能供应情况来开动热泵系统。使用第二条热泵将热能或冷传输到需要的地方。

自动控制电能需求很困难。简单方法是让电冰箱根据电的频率来调整。当电能短缺时，电频率会低于标准频率50赫兹（中国应是60赫兹）。当电力过剩时，电频率会大于50赫兹。电冰箱可以根据频率来调节控温的温度，但不会超出你的黄油的要求。它们在合适的时间用电，从而帮助电网保持平衡。

这样的需求管理能作出有意义的贡献吗？全国电冰箱有多少？平均来说，典型的冰箱功率是18W；假设总数是3000万个。当全部关闭，总功率下降0.54GW，这等于全国总量1%。这相当于全国都突然看某个节目，或同时打开电水壶。某个电视节目会导致0.6－0.8GW的能源需求。自动关闭电冰箱，可以解决日常某个活动，如电水壶。灵活的电冰箱可以解决风电短时间波动。电视会因某个节目，如英格兰与瑞典比赛而大幅度增加，超过2GW。这时，电力需求和供应保持平衡就需要储能电站。

对电网管理者来说，开关电站来使需求与供应匹配是常用方法，许多工业用户与电网有特别协议，允许它们接到通知后关闭电力供应。在南非，经常发生电力短缺，由收音机控制的需求管理系统安装到成百上千个家庭，控制空调和水加热。

丹麦解决方法

下面是丹麦解决风电间歇性的方法。丹麦使用其它国家水力发电设施来调节电网。几乎所有的丹麦风电站都输出电能到邻国。有些国家有水力发电，可以通过水力发电站来平衡。储存的水力电能可以在风力发电不足或用电高峰时，高价卖回到丹麦。总体上看，丹麦风电贡献很大，系统安全主要依赖水电。

是否英国能够采用丹麦的办法？我们需要较大输电能力，连接到其它国家的水力发电系统，或者连到欧洲电网上。

挪威水力发电能力是27.4GW，瑞典为16GW。冰岛是1.8GW。2003年曾讨论过建设一条到挪威的1.2GW的高压直流输电线路。到2010年将建设一条1GW英国到荷兰的输电线。丹麦风力发电能力是3.1GW，它有一条到挪威1GW输电线，0.6GW到瑞典，1.2GW到德国，总的输送能力是2.8GW，几乎等于它的风电能力。为了采用丹麦方式输出过剩风能，英国需要建设10GW输电线路到挪威，8GW到瑞典，1GW到爱尔兰。

两套电网解决方案

另外一个激进的方案是将风电和其它间歇性可再生能源输入到一条独立的电网中，用于供应不需要高可靠性的需求，如加热，电动汽车电池充电。自1992年一拉，法罗群岛上的苏格兰人道，人口70，面积5.6平方公里，有两个电网，来自两台风力发电机还有一台柴油发电机。标准用电服务来自一个电网，而电加热来自另一个电网。电加热主要来自一套电缆输送的风电，否则就被浪费了。通过频率控制个人用户开动加热系统，生产热水和热能储存起来。一共有6个频率，从而模仿了7个电网。法罗群岛还试验了飞轮储能系统，可以在20秒内启动。

电动汽车作为发电机

如果以后3000万辆电动汽车，在全国电缆短缺时，将储存电缆返回到电网中，每个汽车功率是2kW，则总的发电能力达到60GW。类似国家所有发电站的总功率。即使只有三分之一用于发电，总功率也能达到20GW。如果每个电动汽车贡献2kWh电缆，对应电池储能能力20%（应该是5%左右，译者注），达到20GWh，等于Dinorwig储能电站2倍。

其它储能技术

有很多储能方法，图26.13给出了三章最重要的标准，能力密度（每公斤储存的能量），效率（输出输入能量比）和寿命。其它重要标准包括，输入输出速率，常表示为W/公斤，储能时间，成本和安全性。

图26.13 储能系统和燃料性质， a 能量密度对寿命，b能量密度对效率，能量密度不包括容器，除非压缩空气和液氢罐

表26.14 燃料能量（a）和电池能量密度（b，单位Wh/kg）

燃料 能量

kWh/kg MJ/L

丙烷 13.8 25.4

石油 13.0 34.7

柴油 12.7 37.9

煤油 12.8 37

加热油 12.8 37.3

酒精 8.2 23.4

甲醇 5.5 18.0

煤炭 8.0

木炭 4.4

氢 39.0

电池 能量密度 寿命

wh/kg 循环次数

镍镉 45－80 1500

镍氢 60－120 300－500

铅酸 30－50 200－300

锂离子 110－160 300－500

锂离子聚合物 100－130 300－500

可充电碱电池 80 50

飞轮

图26.15是在建的0.4GW飞轮试验装置，重800吨。每分钟旋转225转，储存1000kwh能量，能量密度是1Wh/公斤。

图26.15 正在建造中的culham聚变研究用2个飞轮设施之一 www.jet.efda.org

用于汽车的飞轮系统设计储能是400kJ（0.1kWh），重24公斤，能量密度是每公斤4.6wh

高速飞轮，使用复合材料，储能密度为100Wh/kg

超级电容器

用于储存少量电能（最多1kWh），需要寿命很大，充电迅速。利润，超级电容器适合用于回收再生刹车能量。其能量密度约6Wh/公斤。

一家美国公司声称使用钛酸钡制造了更好的超级电容器，储能密度达到280Wh/kg

VRB动力系统提供了12MWh储能系统，用在爱尔兰sorne hill风电厂，储能系统使用氧化钒电池，功率是39MW。它可以在1分钟内平稳输出风电电能，无风时，可以在1小时内输出三分之一的储存电能。

1.5MWh系统价格48万美元，占地70平米，重107吨。充电和放电速率可以相同。效率是70－75%，体积是1立方米有2摩尔硫酸钒，储存20kWh电。因此储能10GWh，需要50万立方米，等于170个游泳池，例如，需要500*500米，深2米容器。

建设10GWh钒电池系统将对世界钒市场产生影响。但是，世界市场没有长期短缺钒。目前世界上每年生产4万吨钒，10GWh储能系统需要36000吨钒，相当于一年生产量。钒是其它产品的付产品，总的钒资源量是6300万吨。

经济解决方法

由于目前国际上还没有要求治理碳污染，因此，增设天然气发电厂就能够解决储能系统问题，因为它的成本更低。

积极性波动

长期供应和需求波动是季节波动。最重要的波动是建筑取暖，在冬季急剧增加。英国天然气需求，从7－8月平均每人36kWh/天到12－2月平均72kWh。 一些可再生能源也有季节波动，夏季太阳能强，而风力弱。

如何处理长期波动？电动汽车和储能水电站不能解决这类问题。长期热能储存是个办法。巨大的水池可以储存冬季用热，第E章详细讨论。在荷兰，来自公路的热能储存在地下水层，冬季通过热泵用于建筑供热。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)