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德国利用机器学习推动可再生能源革命

2020-03-01 15:48

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。

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