2.1 德国可再生能源的发展

德国联邦政府和民众共同的政治目标是大幅度减少温室气体排放。尽管德国联邦政府在可再生能源利用方面取得了可观的成绩，但在进一步发展方面还是面临诸多挑战。德国公众对“末端处理”技术持怀疑态度，包括碳捕获和碳储存（CCS）技术，也在公众接受方面存在问题。虽然碳捕获与利用（CCU）可以减少某些工业过程中的二氧化碳排放，但必须利用可再生能源减少碳的排放，这才是根本的出路（Knoop et al.，2015）。

德国的气候保护计划推出了一项雄心勃勃的“能源转型”战略计划，即可再生能源的大幅增加与工业、私人家庭和交通能源消耗的减少计划。“能源转型”（Energiewende）是指德国计划向低碳、环保、可靠的再生能源转型，提供民众可负担得起的能源供应。这个转型标志着新的电力系统将严重依赖可再生能源（特别是风能、光伏和水力发电）和对再生能源的转换效率和需求进行管理。大多数现有的燃煤发电厂将需要退役，并且到2020年，德国将全面关闭核电设施，这是该计划的关键部分（Buchan，2012）。

2010年底，德国通过了对能源转型的立法支持，其中包括到2050年温室气体（GHG）的排放减少80%～95%（相对于1990年）和到2050年可再生能源占比将达到60%。虽然德国的做法在世界范围内并不独特，但是其能源转型的速度和范围都是特殊的。德国能源转型计划与其他国家的能源转型计划相比，其能源转型的一个特征是，它是由公民而不是大型能源公司和机构推动的。德国向可再生能源的转变伴随着能源供应的民主化，能源转型也伴随着国家能源政策制定方面更大的透明度（Morris，2015）。

最近的调查显示，德国公众对能源转型的支持率仍然很高，80%～90%的公众支持能源转型。德国公民作为私人家庭和土地所有者大力参与能源转型以及能源合作社（Genossenschaft），大约每两个德国人中就有一个会考虑投资社区可再生能源项目。德国几乎一半的可再生能源容量是由公民通过能源合作社和私人共同拥有的，更具体地说，公民拥有所有沼气和太阳能装机容量的近一半，拥有陆上风电装机容量的一半。但是，从2014年德国颁布《可再生能源法》开始，能源政策的变化开始影响公民参与的积极性，公民拥有的可再生能源份额已经下降到42.5%（Morris et al.，2016）。 4k4B/VB4d71CUhyzTjyHun58sg3pYQ4RclbPMTiWc5rQnyO9bd7VdzK+TmJ0Gdg8

2.2 可再生能源与碳排放

德国被称为“世界第一大可再生能源经济体”，德国可再生能源主要以风能、太阳能和生物质能为主。德国在2014年之前拥有世界上最大的光伏装机容量，截至2021年，德国以58GW的光伏装机容量位居世界第三。德国也是世界上第三个风电装机容量达到64GW的国家，第二个海上风电装机容量超过7GW的国家。德国可再生能源的发电量占总用电量的比例从1990年的3.4% 上升到2005年的10% 以上，2011年为20%，2015年为30%，到2017年底达到36.2%，德国全国分布着超过23 000台风力发电机和140万套太阳能光伏系统。根据官方数据，2010年德国可再生能源行业就业人数约为37万人，尤其是中小型企业，与2009年（约33.95万个工作岗位）相比，增长约8%，是2004年（16.05万个工作岗位）的两倍多。对于海上风电场，一个主要的挑战是发展足够的网络容量，将北海产生的电力传输给德国南部的大型工业用户。

德国在温室气体减排方面也取得了重大进展，在1990年至2014年间实现了27%的减排目标。政府仍需要保持每年平均温室气体减排率达到3.5%，以达到其最大的减排目标。截至2013年，德国每年在能源研究上花费15亿欧元，以努力解决转型带来的技术和社会问题。

碳排放、碳存储是工业过程中不能避免的，德国联邦政府早已经意识到，要实现保护环境的目标以及出于对能源安全的考虑，应适当减少化石能源的消费。在保障能源稳定供应、经济上可持续、能源转型目标等因素驱动下，决定进行能源转型（AGORA Energiewende，2015）。

《可再生能源法案》是德国联邦政府促进发展可再生能源，推动能源转型战略的重要工具。自1990年德国联邦政府基于长远考虑进行可再生能源发电装置与电网的建设，并实施上网电价补贴等一系列政策，可再生能源正快速发展壮大。2016年11月，《巴黎协定》正式生效，全球各国逐渐向低碳转型。为落实全球应对气候变化的目标，德国作为全球率先推动能源转型的国家之一，超额实现了2021年的减排目标。通过一系列法案及协定，德国发展可再生能源的消费结构发生变化，供应用电负荷主要以太阳能发电、风电、生物质能发电、水电等可再生能源为主。但是在这一发展过程中也存在问题，德国民众和企业的电力税费与成本增高，影响了消费能力和产品的竞争力。当可再生能源发电量过剩，电网也无法完全存储这些电力，导致德国的可再生能源发电量在大幅领先欧洲的情况下增速开始放缓。可再生能源可享受的市场补贴也逐渐减少，这也是可再生能源增速放缓的另外一个原因。

德国联邦政府制定了到2021年的减排目标，可再生能源的电力负荷减少温室气体排放的目标是35%，热能减少温室气体排放的目标是14%，交通方面减少温室气体排放的目标是10%，目前来看，热能减排与交通方面减排的目标还未实现（图2.1）。

核电厂与煤电厂的装机容量虽然比可再生能源中风能与太阳能等装机容量要高几个量级，但德国联邦政府与环保人士等希望减少温室气体的排放，同时也是削减对化石能源的依赖，这导致核能与煤炭电厂发电量占比保持一定速率下降，但保留了基础供应应对波谷期间调峰作用。随着可再生能源的电力供应量超过了核能供电量，德国甚至可以将富裕的电力输出到欧盟邻国（BMWi et al.，2010）。目前看来，经过技术改进，可再生能源输出的电力可以覆盖日常用电负荷（图2.2）。

总而言之，如果想使碳排放达到可持续水平，就必须对电力系统进行脱碳。在过去的十年里，德国向前迈出了重要的一步，在降低可再生能源成本的同时，显著提高了可再生能源在欧洲电力系统中的份额。这仅仅是一个开始，未来有必要大幅提高可再生能源发电能力的份额。一个关键的挑战是整合大量且不断增长的间歇发电的风能和太阳能发电厂进入电力系统。研究表明，北欧水电系统的连接更紧密，需求侧的灵活性、电池储能解决方案和电动汽车的智能充电可以共同发挥作用，它减少了将化石燃料储能作为备用的需求，从而降低了成本和排放。分析表明，如果加强可再生能源方案的灵活性，允许廉价可再生能源取代更昂贵的化石解决方案，到2040年，全球可再生能源份额有希望达到70%（Acatech et al.，2016）。 U8+gip2R/PqmtxQ4X3m4zUbDMswPtUzQKRjUk4tBIvx1ud5oWlwZbXjdvm4Y4Ynt

2.3 可再生能源的选择

由于地理与区位优势，德国海岸与陆地拥有丰富的风能资源，境内日照时长较长，促使风电、太阳能发电成为德国可再生能源电力两大支柱。德国的风力发电在可再生能源中贡献最大，受政策影响，根据风电厂发电规模优先就近接入各种电压等级电网。区分不同地区补贴时长，使德国陆地上北部风能资源较丰富的地区和南部风能资源较弱的地区均能有效开发风能资源，保证陆上风电厂健康发展（图2.3）。随着技术发展，逐渐将初期安装的容量小、效率低的风电机组——容量大概为1.5 MW更换为容量大、效率高的现代机组，最高容量可达6 MW。德国也拥有优质的海上风能源，海上风电厂会选址在海上空间巨大、风速较陆地风速快且稳定、可利用海域水深较浅、没有地震及台风等地质灾害影响的海域，未来海上风力发电潜力十分巨大（图2.4）。

太阳能发电可直接将太阳能辐射转换为电能，且在转化过程中不排放温室气体，作为可再生能源被企业和居民青睐。太阳能光伏发电的发展虽然晚于风力发电，但通过“屋顶计划”与《可再生能源法》等一系列举措，德国太阳能发电产业得到了迅猛发展，现在已经成为德国最重要的可再生能源产业之一（Latsch et al.，2014）。

采集太阳能发电的场地主要分为大型地面光伏电站和分布式屋顶光伏发电两大类。相对于地面集中光伏电站，分布式屋顶发电拥有就近分配入网、发电量大小灵活、费用相对较低等优点，在民众中应用广泛。随着技术发展，太阳能采集成本也会逐渐降低，在晴朗的天气下，境内的太阳能发电量可提供超过三分之一的总体电力供应。德国联邦政府也通过早期立法与后期对法条的修正保障了光伏发电从业者的利益。德国的太阳能发电发展趋势良好，装机量逐渐增高。尽管德国民众承担的电价成本相对于欧洲其他国家较高，但德国联邦政府会找到切实的方法实现合理补贴分配，让太阳能发电产业更具有活力（图2.5）。

由于太阳能发电与风力发电易受到季节和天气的影响，因此供电量容易产生浮动。在德国，可再生能源的装置设备比例比其他国家要高，有大量的水力电厂、陆地风力电厂、海岸风力电厂、太阳能电厂、沼气工程等电力资源用于调峰（图2.6）。在晴天或者风力资源充沛的时候，太阳能发电或者风能发电就能满足德国所有电力供应，甚至可以通过电网向邻国输出富余的电力，但因季节和天气不确定性的影响，还是保留了一些传统的电厂进行最小负荷运行，以应对波谷期间调峰作用，因此要区分不同的情况以应对电力需求（图2.7）。