德國碳中和目標能否實現的關鍵因素
2021/11/29 6:57:44 新聞來源：騰訊
德國碳中和目標能否實現的關鍵因素
文 | 郭欣
在英國格拉斯哥舉行的第26屆聯合國氣候變化大會（COP26）之後，碳中和在各個國家受到的關注越來越多，德國亦是如此。按照修訂後的法律，德國政府為自己設定的目標是：到2030年，溫室氣體排放量與1990年相比要減少65%，原來的減排目標是55%；到2040年，溫室氣體排放量必須減少88%；到2045年，實現溫室氣體中和，比原定的目標時間提前5年，排放減少量從80-95%提高到100%。
自1990年以來，德國溫室氣體排放已經大大減少，2019年總排放量下降了35%，2020年下降了41%，但今年又有回升，預計降幅為37%。盡管今年前三季度有疫情之後排放暫時反彈的原因，但仍然讓人擔心德國的碳中和目標未來是否能夠順利實現。
一、碳中和目標能否實現取決於能源轉型能否成功
發電和供熱等能源轉換過程會產生溫室氣體和空氣汙染物排放。德國能源利用過程產生的溫室氣體排放占德國總排放量的85%左右。德國碳中和目標是否能夠成功實現主要看德國的能源轉型能否成功實現。
德國能源轉型的概念是1980年提出的，背景是1973年和1979/80年的兩次石油危機，德國當時提出的目標是追求沒有石油和鈾的增長和繁榮。後來環境保護成為德國能源轉型的主要目標。從2010年開始，德國能源轉型又逐漸地過渡為以碳中和為目標。在很長一段時間裏德國能源轉型和電力轉型幾乎是同一個概念，隻要談起能源轉型基本上都是有關風能和太陽能的內容。德國專家最初認為隻有風電和光伏發電可以規模化，所以德國一開始幾乎是隻專注這兩個技術。生物製氣發電被認為是電力係統平衡所需要的可控製源。後來才慢慢地意識到能源轉型還應包括供熱轉型，因為發電和供熱占德國最終能源消費總量的50%以上，進而開始關注電轉熱和地熱的發展。電轉氣再發電的效率低下使人們的眼光又轉向交通轉型，發現能源在交通領域的需求竟占德國最終能源消費總量的30%左右，認為電轉氣直接用於交通更經濟。不過德國能源轉型以可再生能源為主的戰略一直沒有改變。
二、電力轉型
相對於供熱轉型和交通轉型，德國的電力轉型比較樂觀，可再生能源在電力消費中的比例一直在穩步地增長。從2000年的6%到2020年的46%，超額完成了原定2020年35%的目標。德國是一個多風少陽光的國家，風能一直是德國排名第一的可再生能源。不過德國岸上風能的發展潛力已經受到保護居民區域行政規定的限製，今後主要以發展海上風能為主（圖一）。德國生物質發電受到了和糧食競爭的限製。光伏發電需要的土地麵積很大，私人和企業的可利用土地麵積也同樣受到了一定程度的限製。
從圖二可以看出，按照2021年的發電成本，光伏發電和風電的成本都已經低於化石能源，光伏和電池組合發電也已經與化石能源的價格相當。當然這還不是真正的市場價格，而是一種理論上的估算。在估算時，對於光伏考慮了單位麵積的太陽輻射，對於其他發電技術，考慮了每台發電裝置年全負荷小時數。每種技術的最小值和最大值都考慮到了特定的係統成本。
盡管可再生能源價格已經比化石能源便宜，但可再生能源的全負荷小時數低於化石能源發電（圖三），尤其是光伏發電，德國全年光伏發電負荷小時數隻有不到1000小時，遠低於非洲的2500小時。
從圖四中可以看出，化石能源發電需要的安裝功率相對較少，尤其是核能隻需要三分之一的安裝功率就能達到可再生能源 同 比例的發電量，但是德國很難實現可再生能源加核能的雙戰略，因為德國反對核能的人實在是 太多了。 多數人的主要論據是高放射性的核廢料處置問題無法得到解決。 少數人對放棄核能的激進做法有所反省，認為棄核和棄煤的次序搞反了。 歐盟 最近 正在 考慮把核能歸為“綠色“能源 ， 這對於德國尤其是 德國 綠黨 來說將 是一個打擊 ， 但在德國重啟核能投資幾乎是不可想象的事情。 最可能發生的情況 是，德國由於雙棄會引起短期能源供應 明顯不足，也許會把棄核放到棄煤之後，從而使電力 轉型變得更為現實可行 。 對於熱聚變和冷聚變兩個熱門話題，德國業界大多數專家認為，這些都是50年以後可能實現的技術，對於完成德國能源轉型目標的時間來說是遠水不解近渴，所以應該繼續堅持發展可再生能源的方向。
為了突破私人和企業土地利用麵積的限製，進一步地增加光伏的發電量，德國正在考慮建設高速公路兩側的光伏發電或者高速公路棚頂式的光伏發電。 據估計，兩者理論上可以增加72吉瓦的發電功率。 不過比起需要的146吉瓦可再生能源發電功率還是差了一大截，所以有專家認為降低能源消費有可能是唯一的出路。 按照專家們的建議，為了達到碳中和的目標，德國的能源消費必須降低一半，電氣化程度必須達到80%才行（圖五）。
可再生能源依賴氣候條件，要實現德國2045年碳中和的目標，還要考慮氣候的長期變化的影響，尤其是氣候對於作為德國可再生能源第一主力風能的影響。德國科學家對2071-2100年歐洲全年平均風力發電量變化做了預測。按照這個預測，德國的風力發電2071以後會受到一定程度上的影響，但不會直接影響到德國2045年碳中和的目標。
雖然德國的可再生能源發電量持續增加，電網也一直比較安全，但是擴建電網一直嚴重滯後。 在計劃建設的7700公裏電力線中，迄今為止隻有大約1500公裏已經完成。 德國北部的風電過剩，但計劃建設的3條高壓直流輸電線路一條也沒有建成。 其中一條線路因為沿途民眾反對，由架空線改為地下電纜，費用增加了數倍。 德國政府早預料到會有民眾反對，提前頒布了輸電線路法，但法律並沒有確定線路的具體路徑，所以盡管德國政府已經加強了輸電建設的法律措施，電網公司也向德國政府上報了到2030年的輸電線路的具體計劃，仍然有很多專家擔心這些計劃會因為民眾的反對不能按時完成。
為此，德國的電網公司很早以前就製定了一個12點計劃，希望通過加強電網控製措施完成2030年的目標，使可再生能源用電比例能達到65%。 其中包括利用電轉熱，實現架空線監測擴大電網容量，建設高溫輸電線路，通過治愈性電網控製措施實現自動調度（自動駕駛）等措施。 目前，德國正在實施分布式可再生能源的現貨市場（再調度2.0現貨市場），提高發電設備的靈活性，更好地利用電轉熱等有效的措施。 按照德國各黨派的共識，德國將逐漸取消對可再生能源的補貼，爭取在2026年完全取消對可再生能源的補貼【 能源轉型嚴重影響德國工業？談德國電價與能源轉型的關係 】。 加上負電價效效應【 德國能源轉型中的電力係統平衡和負電價問題 】，電轉熱儲能措施有望實現商業化。 從電網的角度來看，德國2030年的電力轉型目標應該是可以達到的，可以為德國實現2045年的目標打下一個很好的基礎。
2020年德國電網發電功率為82吉瓦，要實現能源轉型，2050年要提高到216吉瓦，其中105吉瓦用於交通運輸的電氣化，41吉瓦用於供熱的電氣化。 所以要完成能源轉型僅僅靠電力 轉型還是遠遠不夠的，還要看能不能達到運輸和供熱的電氣化需要的發電量。
三、供熱和交通轉型
按照德國能源消費的統計，每個人每天大約平均消費100千瓦時左右的能源。一個人騎自行車10小時大概隻能發1千瓦時的電，可以洗一次衣服、吃一頓飯、衝3分鍾的淋浴、用10小時白熾燈或者用60小時的LED燈。這種能源消費在目前使用化石能源的條件下不成問題，但改用可再生能源就要困難得多，因為化石能源是高能源密度，是經過上億年的壓縮形成的，挖出來就能用，比可再生能源要便宜得多。因此，德國的能源消費要降低一半不是一件容易的事情，不僅需要耗能極少的被動房，加強現有住房的保暖措施，充分發揮德國現有供熱網絡的作用，還需要繼續改油為氣和大量使用熱泵等措施。不過德國的舊房改造占了整個建築中的90%，迄今為止還沒有詳細的改造計劃，能不能實現供熱轉型還是一個問號。
要實現德國的供 熱 轉型和交通轉型，德國還需要加強立法措施，把電力 轉型中立法的經驗推廣到熱能轉型和交通轉型中去。 在德國的電力 轉型中，政府首先建立了可再生能源法，依靠立法保障長期投資者的利益，用電源饋入法和用輸電線建設法保障電網的安全，用可再生能源的零 原料成本 作為現貨市場的框架來保障可再生能源的持續發展，用可再生能源必須參與電力現貨市場來保障電力係統的平衡，用啟動再調度市場來緩解電網的擁塞。
綜合上述，德國的電力轉型、供熱轉型以及交通轉型的實質就是以可再生能源電氣化為目標的綜合能源轉型。德國要實現能源轉型，不但要使電轉熱儲能措施商業化，還要解決電轉氣儲能措施的經濟性問題，尤其是電轉氣後再發電的經濟性。另外，德國的能源消費能不能降低一半也很關鍵。所以德國的碳中和到底能不能夠成功還要看上述措施具體的實施情況。
【作者簡介：郭欣，博士， 1984 年赴德國讀博，畢業後一直在德國從事網絡控製工作，主管過德國 BTC 商業技術谘詢公司的“智能網絡”業務，擔任過 BTC 公司上海分公司能源部總經理，現任德國 PSI 軟件公司高級業務發展經理】
文 | 郭欣
在英國格拉斯哥舉行的第26屆聯合國氣候變化大會（COP26）之後，碳中和在各個國家受到的關注越來越多，德國亦是如此。按照修訂後的法律，德國政府為自己設定的目標是：到2030年，溫室氣體排放量與1990年相比要減少65%，原來的減排目標是55%；到2040年，溫室氣體排放量必須減少88%；到2045年，實現溫室氣體中和，比原定的目標時間提前5年，排放減少量從80-95%提高到100%。
自1990年以來，德國溫室氣體排放已經大大減少，2019年總排放量下降了35%，2020年下降了41%，但今年又有回升，預計降幅為37%。盡管今年前三季度有疫情之後排放暫時反彈的原因，但仍然讓人擔心德國的碳中和目標未來是否能夠順利實現。
一、碳中和目標能否實現取決於能源轉型能否成功
發電和供熱等能源轉換過程會產生溫室氣體和空氣汙染物排放。德國能源利用過程產生的溫室氣體排放占德國總排放量的85%左右。德國碳中和目標是否能夠成功實現主要看德國的能源轉型能否成功實現。
德國能源轉型的概念是1980年提出的，背景是1973年和1979/80年的兩次石油危機，德國當時提出的目標是追求沒有石油和鈾的增長和繁榮。後來環境保護成為德國能源轉型的主要目標。從2010年開始，德國能源轉型又逐漸地過渡為以碳中和為目標。在很長一段時間裏德國能源轉型和電力轉型幾乎是同一個概念，隻要談起能源轉型基本上都是有關風能和太陽能的內容。德國專家最初認為隻有風電和光伏發電可以規模化，所以德國一開始幾乎是隻專注這兩個技術。生物製氣發電被認為是電力係統平衡所需要的可控製源。後來才慢慢地意識到能源轉型還應包括供熱轉型，因為發電和供熱占德國最終能源消費總量的50%以上，進而開始關注電轉熱和地熱的發展。電轉氣再發電的效率低下使人們的眼光又轉向交通轉型，發現能源在交通領域的需求竟占德國最終能源消費總量的30%左右，認為電轉氣直接用於交通更經濟。不過德國能源轉型以可再生能源為主的戰略一直沒有改變。
二、電力轉型
相對於供熱轉型和交通轉型，德國的電力轉型比較樂觀，可再生能源在電力消費中的比例一直在穩步地增長。從2000年的6%到2020年的46%，超額完成了原定2020年35%的目標。德國是一個多風少陽光的國家，風能一直是德國排名第一的可再生能源。不過德國岸上風能的發展潛力已經受到保護居民區域行政規定的限製，今後主要以發展海上風能為主（圖一）。德國生物質發電受到了和糧食競爭的限製。光伏發電需要的土地麵積很大，私人和企業的可利用土地麵積也同樣受到了一定程度的限製。
（注：圖一是按照德國政府2011年的計劃繪製的，沒有考慮德國政府已決定將於2045年提前完成碳中和的願景。）
雖然海上風電比岸上風電的價格高出一倍，但是相比化石能源理論上已經具備了競爭的能力(圖二)。德國的經濟學家指出，德國政府用於放棄化石能源的補貼過多，僅僅棄煤措施幾乎每個下崗人員平均花費了100萬歐元，每年補貼化石能源近700億歐元，應該把這些錢都用到發展可再生能源上去，尤其是在可再生能源的價格目前已經可以和化石能源競爭的情況下。
圖二：2021年不同電源的發電成本範圍
從圖二可以看出，按照2021年的發電成本，光伏發電和風電的成本都已經低於化石能源，光伏和電池組合發電也已經與化石能源的價格相當。當然這還不是真正的市場價格，而是一種理論上的估算。在估算時，對於光伏考慮了單位麵積的太陽輻射，對於其他發電技術，考慮了每台發電裝置年全負荷小時數。每種技術的最小值和最大值都考慮到了特定的係統成本。
盡管可再生能源價格已經比化石能源便宜，但可再生能源的全負荷小時數低於化石能源發電（圖三），尤其是光伏發電，德國全年光伏發電負荷小時數隻有不到1000小時，遠低於非洲的2500小時。
從圖四中可以看出，化石能源發電需要的安裝功率相對較少，尤其是核能隻需要三分之一的安裝功率就能達到可再生能源 同 比例的發電量，但是德國很難實現可再生能源加核能的雙戰略，因為德國反對核能的人實在是 太多了。 多數人的主要論據是高放射性的核廢料處置問題無法得到解決。 少數人對放棄核能的激進做法有所反省，認為棄核和棄煤的次序搞反了。 歐盟 最近 正在 考慮把核能歸為“綠色“能源 ， 這對於德國尤其是 德國 綠黨 來說將 是一個打擊 ， 但在德國重啟核能投資幾乎是不可想象的事情。 最可能發生的情況 是，德國由於雙棄會引起短期能源供應 明顯不足，也許會把棄核放到棄煤之後，從而使電力 轉型變得更為現實可行 。 對於熱聚變和冷聚變兩個熱門話題，德國業界大多數專家認為，這些都是50年以後可能實現的技術，對於完成德國能源轉型目標的時間來說是遠水不解近渴，所以應該繼續堅持發展可再生能源的方向。
為了突破私人和企業土地利用麵積的限製，進一步地增加光伏的發電量，德國正在考慮建設高速公路兩側的光伏發電或者高速公路棚頂式的光伏發電。 據估計，兩者理論上可以增加72吉瓦的發電功率。 不過比起需要的146吉瓦可再生能源發電功率還是差了一大截，所以有專家認為降低能源消費有可能是唯一的出路。 按照專家們的建議，為了達到碳中和的目標，德國的能源消費必須降低一半，電氣化程度必須達到80%才行（圖五）。
可再生能源依賴氣候條件，要實現德國2045年碳中和的目標，還要考慮氣候的長期變化的影響，尤其是氣候對於作為德國可再生能源第一主力風能的影響。德國科學家對2071-2100年歐洲全年平均風力發電量變化做了預測。按照這個預測，德國的風力發電2071以後會受到一定程度上的影響，但不會直接影響到德國2045年碳中和的目標。
雖然德國的可再生能源發電量持續增加，電網也一直比較安全，但是擴建電網一直嚴重滯後。 在計劃建設的7700公裏電力線中，迄今為止隻有大約1500公裏已經完成。 德國北部的風電過剩，但計劃建設的3條高壓直流輸電線路一條也沒有建成。 其中一條線路因為沿途民眾反對，由架空線改為地下電纜，費用增加了數倍。 德國政府早預料到會有民眾反對，提前頒布了輸電線路法，但法律並沒有確定線路的具體路徑，所以盡管德國政府已經加強了輸電建設的法律措施，電網公司也向德國政府上報了到2030年的輸電線路的具體計劃，仍然有很多專家擔心這些計劃會因為民眾的反對不能按時完成。
為此，德國的電網公司很早以前就製定了一個12點計劃，希望通過加強電網控製措施完成2030年的目標，使可再生能源用電比例能達到65%。 其中包括利用電轉熱，實現架空線監測擴大電網容量，建設高溫輸電線路，通過治愈性電網控製措施實現自動調度（自動駕駛）等措施。 目前，德國正在實施分布式可再生能源的現貨市場（再調度2.0現貨市場），提高發電設備的靈活性，更好地利用電轉熱等有效的措施。 按照德國各黨派的共識，德國將逐漸取消對可再生能源的補貼，爭取在2026年完全取消對可再生能源的補貼【 能源轉型嚴重影響德國工業？談德國電價與能源轉型的關係 】。 加上負電價效效應【 德國能源轉型中的電力係統平衡和負電價問題 】，電轉熱儲能措施有望實現商業化。 從電網的角度來看，德國2030年的電力轉型目標應該是可以達到的，可以為德國實現2045年的目標打下一個很好的基礎。
2020年德國電網發電功率為82吉瓦，要實現能源轉型，2050年要提高到216吉瓦，其中105吉瓦用於交通運輸的電氣化，41吉瓦用於供熱的電氣化。 所以要完成能源轉型僅僅靠電力 轉型還是遠遠不夠的，還要看能不能達到運輸和供熱的電氣化需要的發電量。
三、供熱和交通轉型
按照德國能源消費的統計，每個人每天大約平均消費100千瓦時左右的能源。一個人騎自行車10小時大概隻能發1千瓦時的電，可以洗一次衣服、吃一頓飯、衝3分鍾的淋浴、用10小時白熾燈或者用60小時的LED燈。這種能源消費在目前使用化石能源的條件下不成問題，但改用可再生能源就要困難得多，因為化石能源是高能源密度，是經過上億年的壓縮形成的，挖出來就能用，比可再生能源要便宜得多。因此，德國的能源消費要降低一半不是一件容易的事情，不僅需要耗能極少的被動房，加強現有住房的保暖措施，充分發揮德國現有供熱網絡的作用，還需要繼續改油為氣和大量使用熱泵等措施。不過德國的舊房改造占了整個建築中的90%，迄今為止還沒有詳細的改造計劃，能不能實現供熱轉型還是一個問號。
德國專家對2030年交通轉型的期望也是有條件的，他們認為隻有越來越多的人改開汽車為坐公共汽車和或動力機車，才能完成交通轉型。他們對電動車是否能達到預期的數量也持有保留態度，但對於電動車用於短途運輸，氫燃料卡車用於長途運輸已經達成了共識，並且已經有汽車廠商開始實施計劃，不過廠家對利用氫燃料的理由是預計市場上充電站的數量會嚴重不足。
要實現德國的供 熱 轉型和交通轉型，德國還需要加強立法措施，把電力 轉型中立法的經驗推廣到熱能轉型和交通轉型中去。 在德國的電力 轉型中，政府首先建立了可再生能源法，依靠立法保障長期投資者的利益，用電源饋入法和用輸電線建設法保障電網的安全，用可再生能源的零 原料成本 作為現貨市場的框架來保障可再生能源的持續發展，用可再生能源必須參與電力現貨市場來保障電力係統的平衡，用啟動再調度市場來緩解電網的擁塞。
綜合上述，德國的電力轉型、供熱轉型以及交通轉型的實質就是以可再生能源電氣化為目標的綜合能源轉型。德國要實現能源轉型，不但要使電轉熱儲能措施商業化，還要解決電轉氣儲能措施的經濟性問題，尤其是電轉氣後再發電的經濟性。另外，德國的能源消費能不能降低一半也很關鍵。所以德國的碳中和到底能不能夠成功還要看上述措施具體的實施情況。
【作者簡介：郭欣，博士， 1984 年赴德國讀博，畢業後一直在德國從事網絡控製工作，主管過德國 BTC 商業技術谘詢公司的“智能網絡”業務，擔任過 BTC 公司上海分公司能源部總經理，現任德國 PSI 軟件公司高級業務發展經理】
