2024年6月2日发(作者：沈绮南)
OPINIONS
德国2〇50光伏发展情景对我国能源转型的启示
□何继江马钰
在年就提出“2000个光伏屋顶计划”的
德国，是最早让光伏发电走入千家万户的国家
随着德国提出
为助力中国
2030
年前二氧化碳排放达峰、
2060
年前实现碳中和，向清洁低碳、安全高效的
现代能源体系转型势在必行。德国在推广光伏
发电过程中的经验和教训，对于中国光伏行业发
展与能源转型具有一定的借鉴意义。
2(150
年实现確中和及
100%
的电
力来自可再生能源的目标，德国联邦环境署
(UBA)、弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraun
hofer ISE) 、 Agora Energiewende、 德国可再生能
源协会（Bundesverband Neue Energiewirtschaft)
等德国政府和智库都对
德国碳中和目标与欧洲气候行动
欧盟承诺到2050年作仝球范|
li
|内韦先实现
碳中和
为了发展气候友好型经济，欧盟将其应对气
候变化的总体目标及具有约束力的国家气候目
2050
年德国光伏发展情
景进行了研究。其中，在四个有代表性的光伏发
展情景预测中，到
2050
年，德国最低光伏装机规
模为275GW,相当于人均3.8kW;最高装机规模
为1000GW,相当于人均12.5kW。
58 I
2021.07
标作为制定发展路线及各项措施的基本参照。
为落实《巴黎协定》，欧盟在其向联合国提
交的国家自主贡献（
NDC
)方案中承诺，到2030
年，欧盟温室气体排放量较1990年减少至少
40%。2019年12月，新一届欧盟委员会发布了
“欧洲绿色协议
"（European
Green
Deal
)，提出
到2050年欧洲在全球范围内率先实现碳中
和。为了实现这一目标，2020年上半年，欧盟
委员会提议修改其国家自主贡献方案并公开征
询意见，方案提出到2030年，欧盟温室气体排
放量较1990年减少50%〜55%。
此外，2020年3月4曰，欧盟委员会发布
《欧洲气候法
》（European
Climate
Law
)草案，旨
在从法律层面上强制确保欧盟成员国履行气候
承诺，要求欧盟成员国将草案作为制定各领域
2050年政策的依据和指南。这也是欧洲历史
上第一部应对气候变化、明确2050年碳中和目
标的法律。
德国ft欧洲气候行动中发挥积极作用
2020年7月1日起，德国担任欧盟轮值主
席国，为期6个月。在此期间，德国在环境保护
和气候行动中的重中之重是缓解气候变化、保
护生物多样性及推动数字化转型，包括推动欧
盟危机后的绿色复苏、气候立法、提高2030国
家自主贡献目标等。
不仅如此，德国此前也一直致力于引领欧
洲气候行动。德国从本世纪初开始在国内大力
推行能源转型，近年来逐渐将其在能源转型方
面的成果和经验在欧盟成员国中推广。2017
年，德国联邦环境、自然保育及核能安全部
(
BMU
)发起了欧洲气候倡议（
EUKI
)，在气候
政策、能源、建筑、交通、农业、气候融资等领域
支持了一批科学研究及示范性项目，特别关注
中欧、东欧及东南欧国家的气候行动，从而凝聚
欧洲共识、加速欧盟向碳中和目标转型。
德国立法明确2050年碳中和目标
德国的气候政策与欧盟的气候政策紧密相
’
关。德国在设定气候目标时也参照欧盟的气候
目标，但要求比欧盟目标更为严格。2010年9
月28日，德国发布“能源概念
"（Energy
Con
cept
),提出到 2030 年 ，德国温室气体排放量较
1990年减少55%，可再生能源在终端能源消费
总量中占比30%,可再生能源在电力消费总量
中占比50% ;到2050年，德国温室气体排放量
较1990年减少80%〜95% ,可再生能源在终端
能源消费总量中占比60%，可再生能源在电力
消费总量中占比80%。
2016年，德国政府通过了《2050年气候行
动计划
》（Climate
Action
Plan
2050)，重申其
2030年和2050年温室气体减排目标，并将2030
年目标细化至能源、工业、建筑、交通和农业等
各部门，明确了可再生能源和能源效率是未来
投资的重要方向。2019年3月，德国联邦经济
事务与能源部(
BMWI
)公布了能源概念的目标
架构。
2019年12月18日，德国正式出台《联邦气
候变化法案
》（Federal
Climate
Change
Act
)，这
是德国历史上第一部国家层面的气候法案。德
国通过气候立法进一步明确，到2030年，德国
温室气体排放量较1990年减少至少55%，到
2050年实现碳中和的长期战略目标。
德国2050年光伏发展情景
根据德国联邦环境署（
UBA
)发布的《2050
年能源目标
》（Energy
Target
2050)和德国政府
于2019年发布的《2030年气候行动计划》（
Cli
mate
Action
Programme
2030) ， 德国要实现 2050
年碳中和的总体目标，需要大力发展可再生能
源，直至2050年，100%的电力供应来自于可再
生能源；期间，到2030年，可再生能源发电在电
力消费总量中占比65%,光伏累计装机规模达
98
GW
〇
离丨丨标还打多远？
2019年，德国可再生能源发电在电力消费
总量中占比约43%，其中光伏发电在电力消费
EZconomy
Environmental
总第295期
59)
OPINIONS
2021.07
总量中占比8.2%，在可再生能源中的贡献仅为
19%，远低于陆上风电，略低于生物质能发电。
截至2019年，德国光伏累计装机规模达
49.9
GW
，共安装了 180多万套光伏系统。其
中，超过500
kW
的光伏系统在累计装机规模中
占比36%，只占累计装机数量的1%;而占累计
装机数量61%的光伏系统为10
kW
以下的小型
系统。
以德国目前光伏发展情况来看，要实现
2030年光伏累计装机98
GW
的目标，意味着从
2020年到2030年，德国光伏年均新增装机规模
需达到4.4
GW
。而德国2019年的光伏新增装
机为 3.9
GW
(2018 年为 2.8
GW
) ,2013 〜2018 年
的年均新增装机仅为1.8
GW
，距离2030年光伏
装机目标仍有很长的路要走。
2050年需要多少光伏？
不管是基于之前设定的80%〜95%的减排
目标，还是基于最新的2050碳中和目标，德国
政府和几家研究机构都对2050年光伏发展情
景进行了不同程度的预测。
德国联邦环境署（
UBA
> :275
GW
(人均
3.8
kW
)。2010年，德国联邦环境署在其发布的
《2050年能源目标》（
Energy
Target
2050)报告
中假设，在温室气体减排80%〜95%和可再生
能源发电占比100%的目标之下，如果不考虑用
户行为发生变化，且到2050年，经济和产业发
展仍能至少维持现有水平，应用当前最先进的
技术，能效潜力也可以充分发挥出来，那么，基
于技术和环境等约束条件，德国光伏安装可用
空间为1620
km
2(包括屋顶和建筑立面，不包括
转换用地、农地和草地等开放空间），年有效利
用小时数为900小时，光伏发电效率17%,则到
2050年，德国光伏装机规模将达到275
GW
(人
均装机3.8
kW
，预测德国2050年人口总量为
7220万），年发电量248
TWh
。这只是保守估
计。如果转换用地、农地和草地等开放空间也
可以用来安装光伏系统，则德国2050年光伏装
机规模会远超过275
GW
。
弗劳恩霍夫太阳能系统研究所
（Fraun -
hofer ISE): 530GW
(人均
6.6kW)/800GW
(人
均
10kW)。2020年，德国弗劳恩霍夫太阳能系
统研究所使用其自主开发的可再生能源模型
REMod模拟分析了 2050年德国温室气体减排
95%〜100%目标之下的能源系统发展情景。研
究所认为，在设定边界条件时，除了考虑成本优
化和技术可行性之外，还要考虑用户特定的社
会行为和态度是否会发生明显变化。
其中，截至2019年，德国人口总量约为
8317万。德国联邦统计局、联合国、Statista等机
构都对德国2050年人口总量作出预测，取中位
数8000万进行人均计算。基于此，研究所模拟
了四种基本场景：
一是参考场景:假设电力、交通、建筑供热、
工业过程供热等部门适度发展，考虑成本最优，
并且用户的社会行为没有发生明显变化，则到
2050年，德国光伏装机规模达到530GW(人均
6.6kW)
，
其中，地面光伏电站装机规模
143GW
，
建筑光伏装机规模387GW;
二是持久场景：假设交通和建筑供热部门
保守发展，到2050年，德国光伏装机规模和参
考场景一致；
三是不接受场景：假设由于审批程序复杂
以及用户可能对电网、风电等大型基础设施投
建持一定消极态度，则到2050年，德国光伏装
机规模达到800GW(人均10kW),其中，地面光
伏电站装机规模190GW，建筑光伏装机规模
610GW;
四是充足场景：假设电力、交通、建筑供热、
工业过程供热等部门高度发展，全社会对气候
变化问题的重视引起用户行为发生重大变化，
进而导致终端能源消费减少，到
2050
年，德国
光伏装机规模和参考场景一致。
Agora Energiewende: 355GW
(人均
4.4kW)
〇
2020
年，德国智库
Agora
Ener
-
giewende
在其发布的《迈向气候中和的德国》报
告中假设，在
2050
年碳中和（温室气体减排
100%)和可再生能源发电占比100%的目标之
下，德国保持年均经济增长率1.3%，考虑到成
本优化和技术可行性，到2050年，德国光伏装
机规模需达到355
GW
(人均装机4.4
kW
)，年发
电量 331
TWh
。
德国可再生能源协会（Bundesverband
Neue
Energiewirtschaft
) : 1000
GW
(人均
12.5
kW
)。
2020
年，德国可再生能源协会在其
4
月份发布的白皮书中推算，在
2050
年碳中和
目标之下，到
2050
年，德国的可再生能源需求
大约为
1600
TWh
。
假设陆上风电、海上风电和
生物质能发电以缓慢的速度发展，到
2050
年可
满足
40%
左右的能源需求，那么就为光伏留下
了
lOOOTWh
左右的发展空间。这也意味着，到
2050
年，德国光伏装机规模需达到
1000
GW
(人
均装机
12.5
kW
)。
这
1000
GW
光伏装机规模中，有
500
GW
装
机来自于工业、商业和住宅等建筑光伏，
500
GW
装机来自于地面光伏电站。此外，发展
500
GW
地面光伏电站需要大约
5000
km
2
的土
地，相当于
71
km
x
71
km
的面积。协会建议，考
虑到目前德国约有
24000
km
2
的土地用于种植
能源作物，其中近
10000
km
2
的土地用于生产生
物燃料(主要是小麦和油菜籽），近
14000
km
2
的
土地用于生产沼气（主要是玉米），这些能源作
物仅可以生产
80
TWh
的电力。而如果在种植
能源作物的区域同时发展光伏，则可以生产
2400
TWh
的电力，所提供的能源是单独种植能
源作物的
30
倍，不仅解决了光伏用地问题，还
可以带来生物多样性和土壤养护的生态效益。
德国是否有足够的空间发展光伏？
计算光伏的技术潜力需要考虑光照条件、
空间和技术等三大基本要素。那么，在光照条
件和技术都保持相对稳定的前提下，无论是保
守估计的275
GW
装机，还是较为激进的
1000
GW
装机，德国是否有足够的空间支撑其
2050年光伏发展情景呢？德国弗劳恩霍夫太
阳能系统研究所认为，答案是肯定的，并且不会
与农业产生显著冲突，这主要得益于光伏系统
⑯
不仅可以安装在空旷的地面，还可以与建筑、农
业、水域、道路、汽车等结合，应用场景十分
广阔。
地面光伏
:226
GW
。
德国联邦交通和数字
化基础设施部的一项研究表明，德国可用于建
设地面光伏电站的无限制开放空间面积约为
3164
km
2,以德国目前平均14
m
2/
kW
的光伏用
地水平计算，该面积可提供的光伏技术潜力为
226
GW
。
农业光伏
：1.7
TW
。
截至2017年，德国农
业用地面积约为167000
km
2(理论潜力）。其
中，约14%的农业用地用于种植能源作物，主要
用于生产生物气、生物柴油/植物油和生物乙
醇。研究表明，光照减少对很大一部分作物来说
不会造成减产，而对一小部分作物来说甚至会带
来增产效益。如果在这两类作物种植的区域安
装光伏系统，则光伏技术潜力可达1.7
TW
(目前
全球农业光伏装机规模已经达到
GW
级别）。
建筑光伏
：800+
GW
。
只考虑在太阳能年
辐射量500
kWh
/
m
2以上的建筑外围（屋顶和立
面)安装光伏系统，则该区域可提供的光伏技术
潜力为800
GW
。此外，光伏组件不仅可以安装
在现有的平坦或倾斜的屋顶，还可以集成到建
筑上，即光伏建筑一体化(
BIPV
)，包括光伏瓦
片屋顶、光伏天棚、光伏幕墙、光伏外墙外保温
系统、光伏窗等。
漂浮式光伏（可利用的采煤塌陷区）：
55
GW
。据估计，德国因褐煤开采已造成
1773
km
2
的土地形成塌陷，面积相当于
3.3
个博
登湖（德语地区最大的淡水湖，每年为当地
450
万居民提供1800万立方米饮用水）。假如其中
四分之一的采煤塌陷区形成了积水区，可以考
虑在其水上发展漂浮式光伏（
FPV
)，其光伏技
术潜力可达
55
GW
。
截至
2020
年
8
月，全球已
有超过35个国家安装了大约350个漂浮式光伏
电站(在运营），累计装机规模近2.6
GW
。
城市光伏及其他
：134+
GW
。
德国联邦环
境署的一项研究估计，德国约有670
km
2的封闭
居住区，包括结构化的居住区，不涵盖建筑和交
e
conomy
vironmental
总第295期 6_
OPINIONS
2021.07
通（公路、铁路等）区域。这一部分区域可以通
过安装光伏组件来遮阳，或者安装特殊的可驱
动的光伏组件，其光伏技术潜力可达134
GW
。
其他像光伏隔音屏障、路侧光伏、光伏建筑
一体化，甚至是在电动汽车的车顶安装光伏等
光伏应用场景，其光伏技术潜力也可以达到
GW
级别。
总体而言，不论是光伏发电一体化集成还
是光伏与农业、水域相结合，其发电成本都会略
高于一般的地面电站。但是，光伏集成解决了
电站建设用地问题，还可以与建筑、交通、农业
等结合产生协同效益，性价比很高。
德国能源系统可以满足未来发展高比例
光伏的需求吗？
目前，德国超过98%的光伏系统分散式接
入低压电网，更加靠近终端负荷，短期内不太需
要扩建输电网。然而，尽管现在还没有硬性规
定要求以经济和技术可行的方式将间歇性的光
伏发电大规模并入能源系统，德国却早已开始
着手研究未来的能源系统如何适应100%可再
生能源/高比例光伏发展的需求了。
保持光伏稳定发电
从技术上来讲，可以通过负荷管理和电池
储能来提高光伏满负荷利用小时数，减少补偿
需求，保持光伏稳定供电。一个最简单的方法
是，在屋顶和地面朝东西方向（与南向相比）安
装光伏组件，运用单轴或双轴跟踪系统助力光
伏发电更加稳定，同时还能够减少因积雪或系
统运行温度升高所造成的发电损耗。另一个方
法是，在垂直立面朝南北方向安装双面光伏组
件，这样上午和下午的发电量就可以大于中午
的发电量。
针对光伏发电的季节性波动，可以朝南以
更大的倾斜角安装光伏组件。不过，这样做的
代价是，虽然更大倾斜角的光伏单位装机发电
量相比更小倾斜角来说更加稳定，且冬季发电
量略微增加，但是夏季发电量却会明显减少，全
年总发电量也相应减少。
电站补偿运行
燃气电站特别适合调度平滑间歇性电源的
发电出力波动。目前，燃气电站主要以天然气
和生物质气为燃料。然而，德国天然气严重依
赖进口（2017年，德国95%的天然气来自进口），
主要来自俄罗斯和挪威。作为能源转型的一部
分，未来燃气电站也要从单一的以天然气为燃
料向以混合气体为燃料过渡，其中要逐步提高
电解制氢气所占的比重。
根据燃料的形态，生物质电厂的燃料可以
分为固体(废木头）、液体(植物油）和气体(来自
农业或者污水处理厂的生物质气）燃料。截至
2019年，德国的生物质发电装机容量约为
8
GW
。以固体和液体为燃料的生物质电厂由
于燃料相对便于储存，所以运行起来比较容易；
而生物质气电厂由于发酵产气量只能在一定程
度上得到控制，且气体无法储存在燃气管网中，
因此运行存在一定局限。从经济性上来说，如
果在用电需求大的时候电价也相应提高，电站
补偿运行模式是可行的。
提高能源效率
提局家庭和工业能效是减少净负荷（需求
负荷减去可再生能源出力）成本最有效的措施
之一，特别是当夜间只能通过储能系统提供光
伏电力时，降低夜间用电量尤其有效。
负荷管理
负荷管理（或者需求侧管理）的灵活性资源
类型众多，如配备储热装置的电热泵、配备电池
的电动汽车、可以灵活启动的家用电器（洗衣
机、烘干机、洗碗机)等。
为了激活负荷管理的巨大潜力，还需要更
多技术改进和经济激励的措施，其中差别电价
和智能电表尤显重要。例如，电价可以实时反
映当前的净负荷水平，在白天光伏发电量高的
时候固定降低一部分电价（“阳光电价”），鼓励
®£
nvironmental
conomy
自发自用。另外，利用可再生能源生产的绿氢
也可以作为冶金原料，比如氢气可以直接用于
还原铁矿石。
热电联产
随着能源转型的推进，热电联产要从传统
的化石燃料向氢燃料和生物质气燃料转变。热
电联产也要因地制宜，靠近热用户和现有的供
热管网。
储能
一是储热。低温储热系统可以提高光伏自
发自用比例。富余的光伏电力可以非常有效地
转化成高温热能（最高储热温度可达650
C
)，
并用于工业过程或驱动常规蒸汽轮机。目前，
德国首个钢储热系统正在测试阶段，据该系统
的供应商德国储热技术公司
Lumenion
介绍，其
供热发电效率高达95%。
二是电池储能。大力发展电池储能系统可
以提高未来光伏装机规模。截至2019年，德国
的电池储能容量仅有1.1
GW
,未来仍需探索大
规模电池储能项目落地。
此外，电动汽车也可以作为灵活负荷和储
能设施参与负荷管理，与电网实现双向互动。
假设电动汽车的平均电池容量为40〜6()
kWh
，
可作为灵活负荷的可用电池容量为20
kWh
,那
么1000万辆电动汽车就可以提供200
GWh
的
灵活储能。2030年以后，随着燃油车的逐步退
出，电动汽车会迎来大发展，可以提供的灵活负
荷储能规模巨大。
三是机械储能。抽水蓄能以及配备储能设
施的径流式电站可以与光伏发电补偿运行。此
外，绝热压缩空气储能（
CAES
)技术目前也已在
测试阶段。
四是氢储能和电力多元化转换。2020年6
月，德国通过《国家氢能战略》，明确提出未来要
大力支持以可再生能源为基础的氢气(绿氢)及
氢基合成燃料(合成甲烷、甲醇、氨）的技术研发
及应用，并建立氢价值链。这样，富余的光伏电
力可以通过电解水制成氢气/可储存的气体
(
Power
-
to
-
X
)
，
氢气可以作为原料用于化学和
钢铁工业中，也可以作为燃料用于交通部门。
在储氢方面，氢气可以和天然气混合储存在燃
气管网中。
电网升级改造
电网的升级改造包括扩建本国电网和加强
欧洲电网互联两方面。德国电网的升级改造主
要包括扩建光伏系统并入的低压电网，其中，光
伏系统还需要能够提供系统服务，比如光伏系
统加装无功补偿装置，可以对系统中并网点的
电压进行控制。作为欧洲电网的一部分，德国
电网可以通过欧洲电力市场交易和与周边国家
的跨境电网互联（利用储能电站和抽水蓄能），
更好地补偿光伏发电的波动性。
德国阶段性发展任务及配套政策
如此看来，基于100%可再生能源的能源系
统无论在技术上还是在经济上都是可行的。图
1展示了从一次可再生能源到并入电网，再到
转化、储存，最后到消费的整个过程和其中涉及
的主要元素。
基于100%可再生能源的能源系统发展可
分为两个阶段：
第一阶段是到2025年，专注于灵活性。光
伏装机规模达到80-90
GW
,通过调整光伏组
件安装朝向或者配置跟踪系统以及使用电网兼
容的逆变器，保证光伏稳定发电；所有部门提高
能源效率；通过负荷管理/需求侧管理，引导家
庭、工业和电动汽车用电适应光伏发电；推进储
热技术应用和发展，扩建本地及区域供热管网；
对现有燃煤电厂进行灵活性改造，否则关停;加
强同周边国家的电网互联。
第二阶段是到2050年，专注于储能。光伏
装机规模约400
GW
(人均5
kW
)
，
年发电量
350〜400
TWh
;供热完全来自于可再生能源，
优化供热能源结构；交通完全电气化或者使
用基于可再生能源的合成燃料；大规模发展
总第295期
63)
OPINIONS
2021.07
可再生能源制气和电池储能；停止使用化石
均5〜10
kWc
燃料。第三，积极开展2050年、2060年中国光伏
为了低成本实现上述目标，德国需要配套
发展或高比例可再生能源发展所需的土地资源
推出一系列激励措施，包括制定可再生能源法，
分析、电力系统灵活性资源分析、电网建设分
投资激励抽水蓄能电站等项目，通过碳市场和
析、电力市场建设分析等，并为此设计配套的技
碳税的调节手段减少对煤电的隐性补贴等。
术和经济解决方案。
第四，推动全民光伏的理念和实践，关键是
对我国的启示
研究推动光伏与建筑、农业、交通等领域结合的
第一，从目标承诺到路径设计，再到配套政
光伏一体化多场景应用实践，既可以解决光伏
策制定，最后传导到落地执行，欧洲的气候行动
用地问题，又可以实现光伏和产业间的经济、环
一直走在世界前列，而德国又走在欧洲前列。
境、社会协同效应，还可以引导解决未来能源系
作为负责任的大国，中国应积极谋求成为世界
统高比例可再生能源情景下的灵活性资源配置
能源转型的引领者。在承诺2060碳中和之后，
问题。光伏还能够与城乡规划和景观设计相结
应继续加紧研究2060碳中和情景、实现路径及
合，成为城市及乡村景观中的新亮点。0
配套政策措施，展望光伏远期发展情景。
(作者何继江系清华大学社科学院能源转
第二，从资源禀赋来看，在2060碳中和目
型与社会发展研究中心常务主任，北京能源发
标下，中国的光伏装机所占比例应当高于德国，
展研究基地研究员；马钰系北京能源发展研究
人均装机规模也会高于德国，粗略估算约为人
基地助理研究员）
使用
制冷
照明
ICT
技术
供热
过程水
过程热
图1基于100%的电力来自可再生能源的能源系统
2024年6月2日发(作者：沈绮南)
OPINIONS
德国2〇50光伏发展情景对我国能源转型的启示
□何继江马钰
在年就提出“2000个光伏屋顶计划”的
德国，是最早让光伏发电走入千家万户的国家
随着德国提出
为助力中国
2030
年前二氧化碳排放达峰、
2060
年前实现碳中和，向清洁低碳、安全高效的
现代能源体系转型势在必行。德国在推广光伏
发电过程中的经验和教训，对于中国光伏行业发
展与能源转型具有一定的借鉴意义。
2(150
年实现確中和及
100%
的电
力来自可再生能源的目标，德国联邦环境署
(UBA)、弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraun
hofer ISE) 、 Agora Energiewende、 德国可再生能
源协会（Bundesverband Neue Energiewirtschaft)
等德国政府和智库都对
德国碳中和目标与欧洲气候行动
欧盟承诺到2050年作仝球范|
li
|内韦先实现
碳中和
为了发展气候友好型经济，欧盟将其应对气
候变化的总体目标及具有约束力的国家气候目
2050
年德国光伏发展情
景进行了研究。其中，在四个有代表性的光伏发
展情景预测中，到
2050
年，德国最低光伏装机规
模为275GW,相当于人均3.8kW;最高装机规模
为1000GW,相当于人均12.5kW。
58 I
2021.07
标作为制定发展路线及各项措施的基本参照。
为落实《巴黎协定》，欧盟在其向联合国提
交的国家自主贡献（
NDC
)方案中承诺，到2030
年，欧盟温室气体排放量较1990年减少至少
40%。2019年12月，新一届欧盟委员会发布了
“欧洲绿色协议
"（European
Green
Deal
)，提出
到2050年欧洲在全球范围内率先实现碳中
和。为了实现这一目标，2020年上半年，欧盟
委员会提议修改其国家自主贡献方案并公开征
询意见，方案提出到2030年，欧盟温室气体排
放量较1990年减少50%〜55%。
此外，2020年3月4曰，欧盟委员会发布
《欧洲气候法
》（European
Climate
Law
)草案，旨
在从法律层面上强制确保欧盟成员国履行气候
承诺，要求欧盟成员国将草案作为制定各领域
2050年政策的依据和指南。这也是欧洲历史
上第一部应对气候变化、明确2050年碳中和目
标的法律。
德国ft欧洲气候行动中发挥积极作用
2020年7月1日起，德国担任欧盟轮值主
席国，为期6个月。在此期间，德国在环境保护
和气候行动中的重中之重是缓解气候变化、保
护生物多样性及推动数字化转型，包括推动欧
盟危机后的绿色复苏、气候立法、提高2030国
家自主贡献目标等。
不仅如此，德国此前也一直致力于引领欧
洲气候行动。德国从本世纪初开始在国内大力
推行能源转型，近年来逐渐将其在能源转型方
面的成果和经验在欧盟成员国中推广。2017
年，德国联邦环境、自然保育及核能安全部
(
BMU
)发起了欧洲气候倡议（
EUKI
)，在气候
政策、能源、建筑、交通、农业、气候融资等领域
支持了一批科学研究及示范性项目，特别关注
中欧、东欧及东南欧国家的气候行动，从而凝聚
欧洲共识、加速欧盟向碳中和目标转型。
德国立法明确2050年碳中和目标
德国的气候政策与欧盟的气候政策紧密相
’
关。德国在设定气候目标时也参照欧盟的气候
目标，但要求比欧盟目标更为严格。2010年9
月28日，德国发布“能源概念
"（Energy
Con
cept
),提出到 2030 年 ，德国温室气体排放量较
1990年减少55%，可再生能源在终端能源消费
总量中占比30%,可再生能源在电力消费总量
中占比50% ;到2050年，德国温室气体排放量
较1990年减少80%〜95% ,可再生能源在终端
能源消费总量中占比60%，可再生能源在电力
消费总量中占比80%。
2016年，德国政府通过了《2050年气候行
动计划
》（Climate
Action
Plan
2050)，重申其
2030年和2050年温室气体减排目标，并将2030
年目标细化至能源、工业、建筑、交通和农业等
各部门，明确了可再生能源和能源效率是未来
投资的重要方向。2019年3月，德国联邦经济
事务与能源部(
BMWI
)公布了能源概念的目标
架构。
2019年12月18日，德国正式出台《联邦气
候变化法案
》（Federal
Climate
Change
Act
)，这
是德国历史上第一部国家层面的气候法案。德
国通过气候立法进一步明确，到2030年，德国
温室气体排放量较1990年减少至少55%，到
2050年实现碳中和的长期战略目标。
德国2050年光伏发展情景
根据德国联邦环境署（
UBA
)发布的《2050
年能源目标
》（Energy
Target
2050)和德国政府
于2019年发布的《2030年气候行动计划》（
Cli
mate
Action
Programme
2030) ， 德国要实现 2050
年碳中和的总体目标，需要大力发展可再生能
源，直至2050年，100%的电力供应来自于可再
生能源；期间，到2030年，可再生能源发电在电
力消费总量中占比65%,光伏累计装机规模达
98
GW
〇
离丨丨标还打多远？
2019年，德国可再生能源发电在电力消费
总量中占比约43%，其中光伏发电在电力消费
EZconomy
Environmental
总第295期
59)
OPINIONS
2021.07
总量中占比8.2%，在可再生能源中的贡献仅为
19%，远低于陆上风电，略低于生物质能发电。
截至2019年，德国光伏累计装机规模达
49.9
GW
，共安装了 180多万套光伏系统。其
中，超过500
kW
的光伏系统在累计装机规模中
占比36%，只占累计装机数量的1%;而占累计
装机数量61%的光伏系统为10
kW
以下的小型
系统。
以德国目前光伏发展情况来看，要实现
2030年光伏累计装机98
GW
的目标，意味着从
2020年到2030年，德国光伏年均新增装机规模
需达到4.4
GW
。而德国2019年的光伏新增装
机为 3.9
GW
(2018 年为 2.8
GW
) ,2013 〜2018 年
的年均新增装机仅为1.8
GW
，距离2030年光伏
装机目标仍有很长的路要走。
2050年需要多少光伏？
不管是基于之前设定的80%〜95%的减排
目标，还是基于最新的2050碳中和目标，德国
政府和几家研究机构都对2050年光伏发展情
景进行了不同程度的预测。
德国联邦环境署（
UBA
> :275
GW
(人均
3.8
kW
)。2010年，德国联邦环境署在其发布的
《2050年能源目标》（
Energy
Target
2050)报告
中假设，在温室气体减排80%〜95%和可再生
能源发电占比100%的目标之下，如果不考虑用
户行为发生变化，且到2050年，经济和产业发
展仍能至少维持现有水平，应用当前最先进的
技术，能效潜力也可以充分发挥出来，那么，基
于技术和环境等约束条件，德国光伏安装可用
空间为1620
km
2(包括屋顶和建筑立面，不包括
转换用地、农地和草地等开放空间），年有效利
用小时数为900小时，光伏发电效率17%,则到
2050年，德国光伏装机规模将达到275
GW
(人
均装机3.8
kW
，预测德国2050年人口总量为
7220万），年发电量248
TWh
。这只是保守估
计。如果转换用地、农地和草地等开放空间也
可以用来安装光伏系统，则德国2050年光伏装
机规模会远超过275
GW
。
弗劳恩霍夫太阳能系统研究所
（Fraun -
hofer ISE): 530GW
(人均
6.6kW)/800GW
(人
均
10kW)。2020年，德国弗劳恩霍夫太阳能系
统研究所使用其自主开发的可再生能源模型
REMod模拟分析了 2050年德国温室气体减排
95%〜100%目标之下的能源系统发展情景。研
究所认为，在设定边界条件时，除了考虑成本优
化和技术可行性之外，还要考虑用户特定的社
会行为和态度是否会发生明显变化。
其中，截至2019年，德国人口总量约为
8317万。德国联邦统计局、联合国、Statista等机
构都对德国2050年人口总量作出预测，取中位
数8000万进行人均计算。基于此，研究所模拟
了四种基本场景：
一是参考场景:假设电力、交通、建筑供热、
工业过程供热等部门适度发展，考虑成本最优，
并且用户的社会行为没有发生明显变化，则到
2050年，德国光伏装机规模达到530GW(人均
6.6kW)
，
其中，地面光伏电站装机规模
143GW
，
建筑光伏装机规模387GW;
二是持久场景：假设交通和建筑供热部门
保守发展，到2050年，德国光伏装机规模和参
考场景一致；
三是不接受场景：假设由于审批程序复杂
以及用户可能对电网、风电等大型基础设施投
建持一定消极态度，则到2050年，德国光伏装
机规模达到800GW(人均10kW),其中，地面光
伏电站装机规模190GW，建筑光伏装机规模
610GW;
四是充足场景：假设电力、交通、建筑供热、
工业过程供热等部门高度发展，全社会对气候
变化问题的重视引起用户行为发生重大变化，
进而导致终端能源消费减少，到
2050
年，德国
光伏装机规模和参考场景一致。
Agora Energiewende: 355GW
(人均
4.4kW)
〇
2020
年，德国智库
Agora
Ener
-
giewende
在其发布的《迈向气候中和的德国》报
告中假设，在
2050
年碳中和（温室气体减排
100%)和可再生能源发电占比100%的目标之
下，德国保持年均经济增长率1.3%，考虑到成
本优化和技术可行性，到2050年，德国光伏装
机规模需达到355
GW
(人均装机4.4
kW
)，年发
电量 331
TWh
。
德国可再生能源协会（Bundesverband
Neue
Energiewirtschaft
) : 1000
GW
(人均
12.5
kW
)。
2020
年，德国可再生能源协会在其
4
月份发布的白皮书中推算，在
2050
年碳中和
目标之下，到
2050
年，德国的可再生能源需求
大约为
1600
TWh
。
假设陆上风电、海上风电和
生物质能发电以缓慢的速度发展，到
2050
年可
满足
40%
左右的能源需求，那么就为光伏留下
了
lOOOTWh
左右的发展空间。这也意味着，到
2050
年，德国光伏装机规模需达到
1000
GW
(人
均装机
12.5
kW
)。
这
1000
GW
光伏装机规模中，有
500
GW
装
机来自于工业、商业和住宅等建筑光伏，
500
GW
装机来自于地面光伏电站。此外，发展
500
GW
地面光伏电站需要大约
5000
km
2
的土
地，相当于
71
km
x
71
km
的面积。协会建议，考
虑到目前德国约有
24000
km
2
的土地用于种植
能源作物，其中近
10000
km
2
的土地用于生产生
物燃料(主要是小麦和油菜籽），近
14000
km
2
的
土地用于生产沼气（主要是玉米），这些能源作
物仅可以生产
80
TWh
的电力。而如果在种植
能源作物的区域同时发展光伏，则可以生产
2400
TWh
的电力，所提供的能源是单独种植能
源作物的
30
倍，不仅解决了光伏用地问题，还
可以带来生物多样性和土壤养护的生态效益。
德国是否有足够的空间发展光伏？
计算光伏的技术潜力需要考虑光照条件、
空间和技术等三大基本要素。那么，在光照条
件和技术都保持相对稳定的前提下，无论是保
守估计的275
GW
装机，还是较为激进的
1000
GW
装机，德国是否有足够的空间支撑其
2050年光伏发展情景呢？德国弗劳恩霍夫太
阳能系统研究所认为，答案是肯定的，并且不会
与农业产生显著冲突，这主要得益于光伏系统
⑯
不仅可以安装在空旷的地面，还可以与建筑、农
业、水域、道路、汽车等结合，应用场景十分
广阔。
地面光伏
:226
GW
。
德国联邦交通和数字
化基础设施部的一项研究表明，德国可用于建
设地面光伏电站的无限制开放空间面积约为
3164
km
2,以德国目前平均14
m
2/
kW
的光伏用
地水平计算，该面积可提供的光伏技术潜力为
226
GW
。
农业光伏
：1.7
TW
。
截至2017年，德国农
业用地面积约为167000
km
2(理论潜力）。其
中，约14%的农业用地用于种植能源作物，主要
用于生产生物气、生物柴油/植物油和生物乙
醇。研究表明，光照减少对很大一部分作物来说
不会造成减产，而对一小部分作物来说甚至会带
来增产效益。如果在这两类作物种植的区域安
装光伏系统，则光伏技术潜力可达1.7
TW
(目前
全球农业光伏装机规模已经达到
GW
级别）。
建筑光伏
：800+
GW
。
只考虑在太阳能年
辐射量500
kWh
/
m
2以上的建筑外围（屋顶和立
面)安装光伏系统，则该区域可提供的光伏技术
潜力为800
GW
。此外，光伏组件不仅可以安装
在现有的平坦或倾斜的屋顶，还可以集成到建
筑上，即光伏建筑一体化(
BIPV
)，包括光伏瓦
片屋顶、光伏天棚、光伏幕墙、光伏外墙外保温
系统、光伏窗等。
漂浮式光伏（可利用的采煤塌陷区）：
55
GW
。据估计，德国因褐煤开采已造成
1773
km
2
的土地形成塌陷，面积相当于
3.3
个博
登湖（德语地区最大的淡水湖，每年为当地
450
万居民提供1800万立方米饮用水）。假如其中
四分之一的采煤塌陷区形成了积水区，可以考
虑在其水上发展漂浮式光伏（
FPV
)，其光伏技
术潜力可达
55
GW
。
截至
2020
年
8
月，全球已
有超过35个国家安装了大约350个漂浮式光伏
电站(在运营），累计装机规模近2.6
GW
。
城市光伏及其他
：134+
GW
。
德国联邦环
境署的一项研究估计，德国约有670
km
2的封闭
居住区，包括结构化的居住区，不涵盖建筑和交
e
conomy
vironmental
总第295期 6_
OPINIONS
2021.07
通（公路、铁路等）区域。这一部分区域可以通
过安装光伏组件来遮阳，或者安装特殊的可驱
动的光伏组件，其光伏技术潜力可达134
GW
。
其他像光伏隔音屏障、路侧光伏、光伏建筑
一体化，甚至是在电动汽车的车顶安装光伏等
光伏应用场景，其光伏技术潜力也可以达到
GW
级别。
总体而言，不论是光伏发电一体化集成还
是光伏与农业、水域相结合，其发电成本都会略
高于一般的地面电站。但是，光伏集成解决了
电站建设用地问题，还可以与建筑、交通、农业
等结合产生协同效益，性价比很高。
德国能源系统可以满足未来发展高比例
光伏的需求吗？
目前，德国超过98%的光伏系统分散式接
入低压电网，更加靠近终端负荷，短期内不太需
要扩建输电网。然而，尽管现在还没有硬性规
定要求以经济和技术可行的方式将间歇性的光
伏发电大规模并入能源系统，德国却早已开始
着手研究未来的能源系统如何适应100%可再
生能源/高比例光伏发展的需求了。
保持光伏稳定发电
从技术上来讲，可以通过负荷管理和电池
储能来提高光伏满负荷利用小时数，减少补偿
需求，保持光伏稳定供电。一个最简单的方法
是，在屋顶和地面朝东西方向（与南向相比）安
装光伏组件，运用单轴或双轴跟踪系统助力光
伏发电更加稳定，同时还能够减少因积雪或系
统运行温度升高所造成的发电损耗。另一个方
法是，在垂直立面朝南北方向安装双面光伏组
件，这样上午和下午的发电量就可以大于中午
的发电量。
针对光伏发电的季节性波动，可以朝南以
更大的倾斜角安装光伏组件。不过，这样做的
代价是，虽然更大倾斜角的光伏单位装机发电
量相比更小倾斜角来说更加稳定，且冬季发电
量略微增加，但是夏季发电量却会明显减少，全
年总发电量也相应减少。
电站补偿运行
燃气电站特别适合调度平滑间歇性电源的
发电出力波动。目前，燃气电站主要以天然气
和生物质气为燃料。然而，德国天然气严重依
赖进口（2017年，德国95%的天然气来自进口），
主要来自俄罗斯和挪威。作为能源转型的一部
分，未来燃气电站也要从单一的以天然气为燃
料向以混合气体为燃料过渡，其中要逐步提高
电解制氢气所占的比重。
根据燃料的形态，生物质电厂的燃料可以
分为固体(废木头）、液体(植物油）和气体(来自
农业或者污水处理厂的生物质气）燃料。截至
2019年，德国的生物质发电装机容量约为
8
GW
。以固体和液体为燃料的生物质电厂由
于燃料相对便于储存，所以运行起来比较容易；
而生物质气电厂由于发酵产气量只能在一定程
度上得到控制，且气体无法储存在燃气管网中，
因此运行存在一定局限。从经济性上来说，如
果在用电需求大的时候电价也相应提高，电站
补偿运行模式是可行的。
提高能源效率
提局家庭和工业能效是减少净负荷（需求
负荷减去可再生能源出力）成本最有效的措施
之一，特别是当夜间只能通过储能系统提供光
伏电力时，降低夜间用电量尤其有效。
负荷管理
负荷管理（或者需求侧管理）的灵活性资源
类型众多，如配备储热装置的电热泵、配备电池
的电动汽车、可以灵活启动的家用电器（洗衣
机、烘干机、洗碗机)等。
为了激活负荷管理的巨大潜力，还需要更
多技术改进和经济激励的措施，其中差别电价
和智能电表尤显重要。例如，电价可以实时反
映当前的净负荷水平，在白天光伏发电量高的
时候固定降低一部分电价（“阳光电价”），鼓励
®£
nvironmental
conomy
自发自用。另外，利用可再生能源生产的绿氢
也可以作为冶金原料，比如氢气可以直接用于
还原铁矿石。
热电联产
随着能源转型的推进，热电联产要从传统
的化石燃料向氢燃料和生物质气燃料转变。热
电联产也要因地制宜，靠近热用户和现有的供
热管网。
储能
一是储热。低温储热系统可以提高光伏自
发自用比例。富余的光伏电力可以非常有效地
转化成高温热能（最高储热温度可达650
C
)，
并用于工业过程或驱动常规蒸汽轮机。目前，
德国首个钢储热系统正在测试阶段，据该系统
的供应商德国储热技术公司
Lumenion
介绍，其
供热发电效率高达95%。
二是电池储能。大力发展电池储能系统可
以提高未来光伏装机规模。截至2019年，德国
的电池储能容量仅有1.1
GW
,未来仍需探索大
规模电池储能项目落地。
此外，电动汽车也可以作为灵活负荷和储
能设施参与负荷管理，与电网实现双向互动。
假设电动汽车的平均电池容量为40〜6()
kWh
，
可作为灵活负荷的可用电池容量为20
kWh
,那
么1000万辆电动汽车就可以提供200
GWh
的
灵活储能。2030年以后，随着燃油车的逐步退
出，电动汽车会迎来大发展，可以提供的灵活负
荷储能规模巨大。
三是机械储能。抽水蓄能以及配备储能设
施的径流式电站可以与光伏发电补偿运行。此
外，绝热压缩空气储能（
CAES
)技术目前也已在
测试阶段。
四是氢储能和电力多元化转换。2020年6
月，德国通过《国家氢能战略》，明确提出未来要
大力支持以可再生能源为基础的氢气(绿氢)及
氢基合成燃料(合成甲烷、甲醇、氨）的技术研发
及应用，并建立氢价值链。这样，富余的光伏电
力可以通过电解水制成氢气/可储存的气体
(
Power
-
to
-
X
)
，
氢气可以作为原料用于化学和
钢铁工业中，也可以作为燃料用于交通部门。
在储氢方面，氢气可以和天然气混合储存在燃
气管网中。
电网升级改造
电网的升级改造包括扩建本国电网和加强
欧洲电网互联两方面。德国电网的升级改造主
要包括扩建光伏系统并入的低压电网，其中，光
伏系统还需要能够提供系统服务，比如光伏系
统加装无功补偿装置，可以对系统中并网点的
电压进行控制。作为欧洲电网的一部分，德国
电网可以通过欧洲电力市场交易和与周边国家
的跨境电网互联（利用储能电站和抽水蓄能），
更好地补偿光伏发电的波动性。
德国阶段性发展任务及配套政策
如此看来，基于100%可再生能源的能源系
统无论在技术上还是在经济上都是可行的。图
1展示了从一次可再生能源到并入电网，再到
转化、储存，最后到消费的整个过程和其中涉及
的主要元素。
基于100%可再生能源的能源系统发展可
分为两个阶段：
第一阶段是到2025年，专注于灵活性。光
伏装机规模达到80-90
GW
,通过调整光伏组
件安装朝向或者配置跟踪系统以及使用电网兼
容的逆变器，保证光伏稳定发电；所有部门提高
能源效率；通过负荷管理/需求侧管理，引导家
庭、工业和电动汽车用电适应光伏发电；推进储
热技术应用和发展，扩建本地及区域供热管网；
对现有燃煤电厂进行灵活性改造，否则关停;加
强同周边国家的电网互联。
第二阶段是到2050年，专注于储能。光伏
装机规模约400
GW
(人均5
kW
)
，
年发电量
350〜400
TWh
;供热完全来自于可再生能源，
优化供热能源结构；交通完全电气化或者使
用基于可再生能源的合成燃料；大规模发展
总第295期
63)
OPINIONS
2021.07
可再生能源制气和电池储能；停止使用化石
均5〜10
kWc
燃料。第三，积极开展2050年、2060年中国光伏
为了低成本实现上述目标，德国需要配套
发展或高比例可再生能源发展所需的土地资源
推出一系列激励措施，包括制定可再生能源法，
分析、电力系统灵活性资源分析、电网建设分
投资激励抽水蓄能电站等项目，通过碳市场和
析、电力市场建设分析等，并为此设计配套的技
碳税的调节手段减少对煤电的隐性补贴等。
术和经济解决方案。
第四，推动全民光伏的理念和实践，关键是
对我国的启示
研究推动光伏与建筑、农业、交通等领域结合的
第一，从目标承诺到路径设计，再到配套政
光伏一体化多场景应用实践，既可以解决光伏
策制定，最后传导到落地执行，欧洲的气候行动
用地问题，又可以实现光伏和产业间的经济、环
一直走在世界前列，而德国又走在欧洲前列。
境、社会协同效应，还可以引导解决未来能源系
作为负责任的大国，中国应积极谋求成为世界
统高比例可再生能源情景下的灵活性资源配置
能源转型的引领者。在承诺2060碳中和之后，
问题。光伏还能够与城乡规划和景观设计相结
应继续加紧研究2060碳中和情景、实现路径及
合，成为城市及乡村景观中的新亮点。0
配套政策措施，展望光伏远期发展情景。
(作者何继江系清华大学社科学院能源转
第二，从资源禀赋来看，在2060碳中和目
型与社会发展研究中心常务主任，北京能源发
标下，中国的光伏装机所占比例应当高于德国，
展研究基地研究员；马钰系北京能源发展研究
人均装机规模也会高于德国，粗略估算约为人
基地助理研究员）
使用
制冷
照明
ICT
技术
供热
过程水
过程热
图1基于100%的电力来自可再生能源的能源系统