丹麦王国方式掀起清洁革命,德意志选取机械学

来源:http://www.revjohnhenson.com 作者:科技展览 人气:198 发布时间:2019-08-30
摘要:丹麦模式掀起清洁革命 “生态电网”项目为其他国家进行能源转型树立典范 德国利用机器学习推动可再生能源革命 在狂风肆虐的天气里,哥本哈根沿岸的风力发电机能产生大量可再生

丹麦模式掀起清洁革命 “生态电网”项目为其他国家进行能源转型树立典范

德国利用机器学习推动可再生能源革命

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在狂风肆虐的天气里,哥本哈根沿岸的风力发电机能产生大量可再生电力。图片来源:FRANCIS JOSEPH DEAN/DEANPICTURES/CORBIS

如今,诸如风力等可再生能源为德国提供了约三分之一的电力。图片来源:Julian Stratenschulte

不久前,Maja Felicia Bendtsen花了大量时间确保事情不会在波罗的海这个受大风侵袭的小岛上失去控制。她的雇主——?覫stkraft电力公司运营着35台风力发电机,帮助向博恩霍尔姆的4.1万居民提供电力。不过,这些旋转的叶片产生的电力有时会供过于求。为此,?覫stkraft的工程师不得不迅速行动——在午夜狂风呼啸时,让涡轮机停止运转,以免过多电量熔化岛上的输电线。这是一件令人沮丧的事情,?覫stkraft正在丢弃大量免费的可再生能源。

一排排高耸的风力发电机和众多闪亮的太阳能电池板遍及德国大地。这一景观象征着该国正在转向非核、低碳能源。不过,尽管德国是全球可再生能源的典型代表,但它的电网尚无法应对风力和太阳能发电不稳定的特性。

如今,这家电力公司变得很节俭。通过一个由Bendtsen和其他人领导的“生态电网”项目,?覫stkraft正采用尖端的智能电网技术,从而更有效地利用当地丰富的风能。比如,当电力需求变低时,?覫stkraft利用多余电力,将住宅热水系统中的水加热到高于正常摄氏度,从而将能量储存起来供日后使用。此类策略意味着,?覫stkraft不得不把关停涡轮机的次数减少80%。

今年6月,德国的气象学家、工程师和电力公司开始测试大数据和机器学习能否让这些电力能源变得对电网更加“友好”。

这或许听上去并不像一项伟大的成就,但它朝实现博恩霍尔姆雄心勃勃的目标——到2025年完全摆脱化石燃料以及朝丹麦更大的目标迈出了重要一步。丹麦是一个拥有550万人口、资源贫乏的小国,但它设置了全球最具雄心的气候目标:到2050年变成一个碳中和经济体。在代表团齐聚法国巴黎制定减缓气候变化的全球协议时,很多人将目光投向了博恩霍尔姆和丹麦,并且想知道他们的国家如何快速改变能源系统。“丹麦模式真的很重要。”美国加州大学伯克利分校能源政策专家Dan Kammen表示,“它是人们能做什么的一个例证。”

“为了更加高效地运行电网并使化石燃料储备维持在最低限度,运营商需要更好地了解任何既定时间内预计消耗多少风力和太阳能发电。”弗劳恩霍夫风能及能源系统技术研究所物理学家、EWeLiNE 项目负责人Malte Siefert表示。

在最近一波气候变化担忧出现很久之前,丹麦便启动了能源转型。上世纪70年代,该国受到阿拉伯石油振荡冲击。同时,由于缺少大量的石油和煤炭储存,该国农民和政治家都呼吁推动新能源电力的发展。尽管丹麦没有用于水力发电的湍急河流或者用于太阳能电池的强烈阳光,但它拥有充足且多风的北海和波罗的海海岸线。

德国的风力发电能力在4.5万兆瓦左右,仅次于中国和美国,位居世界第三。同时,该国的太阳能发电能力仅次于中国。不过,德国转向新能源的步幅及雄心是无可比拟的。目前,可再生能源提供了约三分之一的家庭用电,而政府承诺,到2050年,该国至少80%的电力将来自可再生能源。

2012年,丹麦政治家承诺该国将在电力和交通领域使用100%的可再生能源。如今,可再生能源为丹麦提供了四分之一的能源,同时,该国对煤炭、石油和天然气的使用正在下降。2014年,约2500台风力涡轮机提供了丹麦39.1%的电力,而这一份额有望在未来5年升至50%。曾经燃烧煤炭或石油的发电站,如今正利用可再生的秸秆和木材。同时,通过房屋改造项目和更严格的施工规范,自2007年以来该国的全部耗能减少了12%。

麻烦在于,在平静和多云的日子里,电网运营商仍需要请求传统发电站满足预期的需求。而在阳光和风力异常充足的天气,它们必须即刻命令燃煤和天然气发电站减少电力输出,以免电力的涌入“堵塞”电网并增加断电风险。

自始至终,博恩霍尔姆都在为丹麦其他地方提供着典范。在历史上,这些地面砌着鹅卵石、屋顶铺着红色瓦的别致小镇以农耕和捕鱼为生。但到了上世纪80年代,捕鱼业衰退,年轻人成群结队地离开。这个小岛的人口变得愈发稀少,且年龄更大、更加贫困。为帮助居民寻找省钱的方法,博恩霍尔姆最大城市若纳市的市长在1985年说服5个附近自治市设立区域供热系统。它利用岛上总发电站产生的废弃热量为输送到附近家庭中的水加热。很快,其他绿色能源项目随之而来,包括两个燃烧秸秆的新供热站、1个将发酵的农田废弃物转变为天然气的沼气设备以及第一台风力发电机。2007年,一个博恩霍尔姆居民委员会更进一步,推出了一项到2025年打造一个完全由可再生能源提供电力的“明亮的绿色岛屿”计划。

标准的天气模型能预测特定地区风暴和锋面过境天气的强度及到达时间。不过,它们无法预测涡轮中心处的风力强度,而这决定了涡轮将产生多少电力。耗资700万欧元的EWeLiNE项目包括3家主要电力运营商——50Hertz、Amprion和 TenneT,并且得到联邦经济事务和能源部的资助。该项目于2012年启动,专门针对电力运营商的需求提供负荷预报。

这看起来很有效。如今,风力和其他可再生能源为博恩霍尔姆提供了43.4%的电力。当把被燃烧用于区域供热和发电的沼气加进来后,这一数字大幅上升。与此同时,?覫stkraft继续快速增加新的风力发电机、太阳能电池板和可再生能源的其他来源。明年,公司将把发电厂里的煤炭燃烧器替换成另一台燃烧木屑的设备。不过,燃烧木材仍会产生头号温室气体——二氧化碳。因此,?覫stkraft正试图从木材上转移,进一步发展风能和太阳能。

大多数风力涡轮机装有测量中心处风速的设备,一些太阳能电池板则含有针对阳光强度的传感器。EWeLiNE将这些数据同来自地面气象站、雷达和卫星的其他大气观测数据相结合,同时复杂的计算机模型能预测未来48小时内的发电量。该团队将这些电力预测同实际情况进行核对,随后机器学习会改进预测模型。

怀疑者在早期担心,由于风力和太阳能发电会因天气和一天中的时间而出现波动,因此它们无法提供可靠的电力来源。“据工程师预测,如果在我们的系统中多利用2%~3%的可再生能源,它将会崩溃。”丹麦能源协会常务董事Lars Aagaard回忆说。

从上个月起,EWeLiNE研究人员开始利用整个德国的太阳能电池板和风力涡轮机数据测试该系统。

Bendtsen的“生态电网”研究项目正在证明这一说法是错误的。过去3年里,这个由欧盟资助的项目将博恩霍尔姆变成全球开发智能电网技术的最大实验室之一。这些自动化系统在幕后工作:当可再生电力充足时,最大化利用电力;当不充足时,减缓电力消耗。比如,“生态电网”每隔5分钟向安装在约1200个家庭和100家企业中的智能控制器发送一次电价更新。控制器可被设置成在电价变贵时减少电力使用,在电价便宜时增加电力消耗。这些设备不会关掉必要品,比如灯,但能推迟冰箱的下一次制冷,直到电价下降。“我们的目标是变成隐形。”Bendtsen表示,“消费者不会看到我们,但仍能获得他们需要的一切东西。”

《中国科学报》 (2016-07-15 第3版 国际)

今年早些时候,丹麦技术大学电力工程师Jacob ?覫stergaard和同事分析了“生态电网”在转移电力需求方面取得的成绩。他们发现,这种方法使?覫stkraft将可再生能源的使用增加了8%。尽管一些技术故障发生,并且岛上仅有约6%的家庭参与了该项目,但收益还是有的。Bendtsen表示,如果将其放大,这种方法能产生更高的收益。

博恩霍尔姆试验还提供了其他收益,包括帮助将电力质量稳定在所需的50赫兹频率上。通过在需求激增时开启额外发电机导致频率下降,传统的电力系统避免了会损害电器的频率波动。“生态电网”的智能计量技术能完成同样的事情。它通过控制电力何时被供应给家用电器减少了现场发电的需求。

这当然是好消息。不过,在博恩霍尔姆和丹麦推动其能源转型越过成型阶段时,事情变得更加困难。“我们已经摘取了挂在低处的果实。”Bendtsen说,“现在,我们正朝着开始带来痛苦的地方前进。”

一个很大的挑战将是说服该国的欧洲邻居升级它们的电网,从而允许更加简便地共享可再生能源。分析人士表示,对于丹麦而言,这种广泛的联系对于到2050年变成碳中和经济体至关重要。实现碳中和意味着丹麦将产生足够的零碳能源,以覆盖其整个能源预算,即使它仍在燃烧一些化石燃料。强大的电力联系将使丹麦人在电力短缺时进口低碳能源,从而减少对化石燃料的需求。它们还将使丹麦出口多余绿色电力,帮助抵消来自交通、生产和电力部门的国内碳排放。

丹麦已同其近邻——瑞典、挪威以及德国北部建立起良好的电力联系。比如,当太阳能和风能的国内生产量变低时,它会从挪威庞大的水坝系统中进口水电。不过,丹麦在寻求出口其不断增长的绿色电力供应时,可能面临着瓶颈。

就目前来说,多余电力通常被输送到德国。然而,德国的大部分人口和工业位于同该国北部拥有相对较少电网连接的南部。与此同时,德国北部的居民一直抗拒增加新的输电线路,因为这将使丹麦人或德国南部的同胞受益,而非他们。

除非这些瓶颈被清除,否则“对于丹麦来说,在2020年之后拥有很高的可再生能源目标并没有什么意义”。在哥本哈根管理“生物炼制联盟”的能源分析师Anne Grete Holmsgaard表示。

《中国科学报》 (2015-12-10 第3版 国际)

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