丹麦小岛向世界展示了能源发展的未来

全球技术地图 发表于 2018-05-29 18:53:16 收藏 已收藏
赞(0) •  评论(0

丹麦小岛向世界展示了能源发展的未来

全球技术地图 发表于 2018-05-29 18:53:16

丹麦小岛向世界展示了能源发展的未来。

圣诞夜,丹麦博恩霍尔姆岛上,玛雅•本特森(Maja Bendtsen)和丈夫在舒适的房子里蜷缩在沙发上看电视。突然停电了。本特森回忆说:“灯闪了几下,然后都黑了。”

他们看了看窗外,发现整个社区都笼罩在黑暗中。快速打了几个电话后,她确认整个博恩霍尔姆都停电了。本特森是岛上Østkraft电力公司的工程师,她经过考虑,排除了几个经常造成停电的罪魁祸首:午饭后圣诞节的庆祝活动就结束了,所以当晚并不是用电高峰期,天气不是特别冷,也没有暴风雪。

她想到一件事,心也随之沉了一下。她给Østkraft控制室打电话,总工程师证实了她的怀疑:有一艘船将锚拖进博恩霍尔姆与瑞典之间狭窄的波罗的海海峡,切断了6万伏、70兆瓦的海底电缆,这是岛上唯一的外部电力来源。维修人员需要六个多星期才能确定损坏位置并将电缆拉出水面修好。

不可思议的是,这已经是十几年内发生的第4起类似的灾难事件了。本特森说:“我们也差不多习惯了。”但习惯并不代表“听天由命”。在过去的十多年中,Østkraft建设了大量可再生能源电站,例如风能、太阳能和生物质,目前可满足岛上四分之三的电力需求。在这个过程中,博恩霍尔姆已成功转换为一个活生生的可以测试新能源理念的实验室。

博恩霍尔姆采取了最重要的一步,部署欧盟环保电网(EcoGrid EU),这是世界上最先进的智能电网之一。这是一项需时4年、耗资2100万欧元(2700万美元)的项目,其中部分资金由欧盟提供,目标是展示未来是如何发电、配电和用电的。虽然目前的智能电网都能密切跟踪供电、电力需求等信息,但博恩霍尔姆却是首先实现个人家庭用电按电力市场实时价格变动进行调节的地区之一。这样,电网用户就可以帮助缓和供电方面不可避免的突然的大波动,这些波动是由于使用风能和太阳能引起的。

继博恩霍尔姆之后,丹麦和欧洲其他地区也采取了类似的措施。比如,欧洲委员会20/20/20计划提出,到2020年温室气体排放将减少20%,可再生能源比重和能源效率均将提高20%。丹麦议会曾批准了一个更加宏伟的目标:到2020年可再生资源满足全国能源总需求的35%,其中不仅包括电,还包括供暖和交通,2050年这一比例达到100%。这些目标真的可以实现吗?

这也是EcoGrid项目的意义所在。选择博恩霍尔姆岛及其4.1万常住人口来实施这一项目并非偶然。虽然岛上风景宜人,每年都会吸引成千上万的游客,但它并不只是一个度假胜地。商业捕鱼、乳牛养殖业、工艺品业都是其主要经济支柱,所以Østkraft就像很多学校、医院、机场和国际海港一样,有一个具有代表意义的客户群体:既有商业、工业客户,也有居民用户。

本特森说:“我们就是丹麦社会的一个缩影,在很大程度上我们是丹麦未来电力系统的愿景。”通过研究高技术电网如何帮助这个小岛应对可再生能源挑战,EcoGrid的组织者希望为世界其他地区积累更多的经验教训。

长期以来,博恩霍尔姆在丹麦人的心目中一直占据着特殊的地位。根据当地传说,上帝造物后还剩下一些乐土,于是扔到波罗的海,创造了博恩霍尔姆。中世纪另一个故事说,丹麦国王把他们的情人藏在岛上最大的森林里。现在,欧洲人在夏天都涌向这个小岛,享受美丽的沙滩、明媚的阳光(对丹麦而言),还有森林。

但对雅各布•奥斯特嘉德(Jacob Østergaard)来说,博恩霍尔姆最有吸引力的不是沙滩或阳光,而是海底的那条有些麻烦的电缆。换句话来说,更重要的是这条电缆能够让身为电力工程师的他做些什么。奥斯特嘉德是丹麦技术大学(DTU)的电气工程教授,参与了博恩霍尔姆若干电力项目,包括EcoGrid。他解释说,这些电缆可随意关闭,使博恩霍尔姆电网进入电力行业所谓的“孤岛”状态。他说,这很有意思,因为丰富的风能使博恩霍尔姆电网运营具有挑战性,也更有研究价值。他和同事们甚至在DTU校园复制了Østkraft控制室,以实时监控博恩霍尔姆电网。

在有风的日子,博恩霍尔姆的涡轮机可以提供30兆瓦的电力,超过岛上最大负载55兆瓦的一半。但问题是风不受控制,这种可变性和不可预测性会严重破坏电网的稳定性。例如,风突然停了,电力供应就会急剧下降,无法满足需求,造成电网50赫兹的标称频率同样骤跌。奥斯特嘉德说,超过十分之一赫兹的浮动就会发出警报,如果浮动继续加大,超过正常状态,比如47赫兹,就可能导致停电。

几年前一次关闭海缆进行维修时,类似的情况发生了。为了保持电网平衡,最初还关闭了风力涡轮机。那天上午11时25分,一切都很平静,电网频率稳定地徘徊在50赫兹以上。随后,上午11时26分打开6个涡轮机,在接下来的几分钟,它们在岛上电力供应的份额上升到15%。

但随着风能输出变得不稳定,电网频率也变得不稳定,数次飙升超过0.1赫兹,中午之前又急降到49.8赫兹。Østkraft的工程师们和DTU的研究人员密切监控有关情况,并迅速介入,提升岛上传统发电机的输出量,将风能比例降到10%,才得以恢复了标称频率。

很多经验证实,博恩霍尔姆电网在孤岛模式可以吸收的风力发电量有一个15%左右的上限。风能和太阳能占相当比例的电网或多或少地会采取同样的做法,转而依靠传统的“峰值”发电机,以弥补可再生能源输出电量的差距。一些电力公司也在采用抽水蓄能,压缩空气装置蓄能,或者工业级电池储电,但后者还不够经济,前者只可在某些地方使用。

但假设需求增长时不是提高产出,而是削减需求会怎样?要回答这一基本问题,关键在于EcoGrid。

井然有序的Østkraft总部坐落在岛上主要城镇若纳的郊外。在一间阳光充足的办公室里,本特森解释说智能电网的目标不是证明博恩霍尔姆可以实现能源独立。岛上已经实现了能源独立:目前它的本地产能约为50兆瓦,有传统的煤炭和柴油发电机组,田野上三十多个风力涡轮机星罗棋布,像巨型风车,屋顶有太阳能发电装置,沼气厂,还有几家木屑秸秆发电厂。圣诞夜停电只持续了几个小时,这段时间是用来启动岛上的电厂。

但以这种方式发电成本很高,所以通过连接到瑞典的电缆,博恩霍尔姆可在电价便宜时从北欧电网购入,电价高时卖出。电力市场的交易通常在公用事业公司等层面进行。EcoGrid使个体家庭和小企业也成为市场参与者。

本特森解释说,就是将用电量转移到电力需求和价格低的时段。只要在电价变化时向人们发送一条短信息即可。但很快也开始令人厌倦。

奥斯特嘉德说:“如果人们可直接与市场互动,那么他们的行为当然就会发生改变。例如,电价低时,人人都想给电动车充电。如果大家都这样做,电网中最薄弱的部分就发生拥塞。”

而EcoGrid已在约1200个家庭和近百家企业安装了智能电网控制器,控制器曾不断收到北欧电力市场(其中涵盖了丹麦、芬兰、挪威和瑞典)5分钟电价的连续数据流。控制器与特定家用电器实现无线通信,根据一天中的时间、天气、以及当前、过去和未来的市场价格等因素,用算法来决定电器开关。

起初,项目组织者设想控制一整套的家用电器:洗碗机、洗衣机、冰箱、电视、照明。事实证明,虽然这些智能家电已上市多年,但还没有标准的自动化协议。所以,洗碗机可能用ZigBee,而冰箱用的是KNX,无法轻易地协调统一。

本特森说,标准显然有帮助。她说:“假设去家电商店买一台新的洗碗机,你不仅要考虑尺寸、颜色,用电量、用水量,还要考虑它使用的制式。如果你是一个工程师可能无所谓了,但我们还是需要某种形式的标准,这样公众就不用去操心这些事了。”

同时,EcoGrid一直尽量使问题简单化,其主要客户是有电暖系统和热泵的家庭。在其中的700户家庭,供暖系统由苏黎世IBM研究实验室研究的算法直接控制。苏黎世IBM研究所智能电网项目负责人迪特尔•加藤贝因(Dieter Gantenbein)解释说,已根据用电模式以及窗和墙的尺寸为每家都建立了一个热模型。

他说:“如果为了方便猫进出而常常开窗,那么这些用户与窗户始终关着的用户相比,参数会有所不同。”他补充说,从热模型分析,“就可以确定这所房子的电灵活性,我们制定了如何调节热泵的战略。战略目标就是不降低生活质量。”博恩霍尔姆约100家企业正在配备同样的设备。

另有约500个家庭被视为一个个单一的用电单位,西门子丹麦子公司负责协调智能电网的这一部分。参加这个项目的1900个家庭(大概是岛上家庭的十分之一)中剩下的那些,正在安装智能电表,这种智能电表可为其提供详细的用电和市场价格信息,但无法控制用电量。

有趣的是,EcoGrid并不意味着电费会下降。这在一定程度上也是一种管理预期的方法,但也非常现实:丹麦和其他国家的大量研究表明,通过节能而累计节省的金钱通常无法改变人们的行为。加藤贝因指出,这就是说博恩霍尔姆一直不缺乏志愿者。

他说:“丹麦人非常注重环保,这就像一项运动。他们用暖气更加节省,记住需要关门,使用不同的技术,非常热情地参与到这样一个雄心勃勃的项目中来。”

马丁•库克-汉森(Martin Kok-Hansen)就是这样的狂热者。他和家人住在若纳北部边缘的单层砖房里,他是博恩霍尔姆首批签署智能电网的住户之一。库克-汉森是一名房产经纪人,他说决定参与智能电网项目与他几年前将大切诺基吉普换成大众高尔夫的原因相同。他说:“在未来,我们不会有那么多能源。我儿子可能也会有孩子。他们要去哪里弄电呢?”

库克-汉森车库的墙上有一个Landis+Gyr智能电表,洗衣房有一个继电读数器,可以控制电热器开关,在客厅有一个数字温控器;所有这些电器以无线方式与“网关”控制器和路由器连接,控制器和路由器又通过互联网与公用事业公司连接。网关和大多数其他硬件以及家庭通信和终端用户的网络服务均由总部设在加利福尼亚州欧文市的GreenWave Reality公司设计。

像其他参与者一样,库克-汉森可以设置家庭温度限值。他说:“如果温度是21°C,需要用电时就可以关掉暖气,让温度降到18°C”。这比正常情况低两三度,但他认为可以应付。“也许可以暂时穿件毛衣。”

他站在刚刚装修的厨房里,笔记本电脑放在黑色花岗岩台面上,登录Østkraft网站的帐户。他几乎可以实时查看用电情况。至少可以这么说,这是具有启示性的。

他指着屏幕上的图表说:“现在我家的用电功率是1200瓦。”他走向一个墙壁开关,打开头顶上隐藏式的卤素灯,“但打开这个灯后,就会看到用电功率上升。”果然,在几秒钟内,图表上的值几乎翻倍。这是因为每个卤素灯泡为50瓦,厨房里有16个。以目前的电费计算,1千瓦时约2丹麦克朗,或35美分。他算到,如果每天只开4小时,那么一年就是500美元。他打算尽快把这些灯换成节能灯泡或LED灯。

他说:“我一定会换掉这些灯泡,这是一种全新的生活方式。”

一个星期六的下午,若纳主广场旁边的SuperBest超市熙熙攘攘。一名年轻男子走到冰箱前,拿出几瓶啤酒放在购物车里。他并没有去阅读冰箱玻璃门上贴的说明,也没看冷藏柜上鞋盒大小的设备。那么他可能并不知道这台冰箱以及博恩霍尔姆约200个类似装置的特别之处:像EcoGrid的热泵一样,冷藏柜有助于平衡电网。

奥斯特嘉德说,几年前DTU的研究人员将每个冷藏柜都进行了改装,以便可以直接监控电网频率。在一系列的实验中,他的研究小组展示可以为冷藏柜编程,频率下降超过十分之一时,冷藏柜自动关闭,频率稳定后则自动重新开启。他说“如果频率变化很小,那么只有少量的冷藏柜有反应,但如果变化较大,所有的冷藏柜都会作出反应。”

奥斯特嘉德说,如此利用冷藏柜、泵和其他设备的概念已经存在一段时间了,但仅在过去十几年才成为一种经济可行的方式。他说:“现在每个冷藏柜都有一个恒温器、微控制器和处理器,所以可以通过编程实现这个概念。”而连接到EcoGrid的供暖系统根据市场价格作出反应,这是对电力供需的一种间接测量方法,博恩霍尔姆的冷藏柜则是检测电网本身的情况。

奥斯特嘉德说,这两种方法非常有用:“从分秒到天和年,在所有时间尺度上平衡电网是非常重要的。”通过使用信息技术战略性地压制需求,而不是加大供应,智能电网可以创建更高效的网络。他说:“改变比特和字节比改变安培便宜多了。”

对于丹麦和欧洲其他地区是否能满足其崇高的能源目标,奥斯特嘉德未发表意见。但他说:“有目标很好,我不知道能否成功。但如果没有这样的项目,也就没有任何成功的机会。” 

收藏

相关话题
文章来源专栏

评论(0)

加载更多评论

参与评论

相关文章

分享到

QQ空间 QQ好友 微博
取消