能源變革的下一步,為什么一定是太陽能?
能源變革的下一步,為什么一定是太陽能? 2022-08-26 11:01:27 能源變革的下一步,為什么一定是太陽能? 0

文章轉(zhuǎn)載來源觀察未來科技

過去的一百年,是“輕松能源”的一百年——即用技術(shù)勘探、挖掘和利用這些礦產(chǎn)能源都很容易,因為它們不需要多么先進的創(chuàng)新。然而,地球的資源卻是有限的,到2030年人們對能源的需求還將增加兩到三倍。但不論是從氣候角度,還是能源開采方面,傳統(tǒng)能源的困境都不可忽視。

石油、天然氣和煤炭是不可再生能源,它們雖然可靠卻很昂貴,人類社會需要一個新的能源計劃。以應(yīng)對全球經(jīng)濟的人口和生產(chǎn)力需求——經(jīng)濟增長需要能源來支撐。而從源頭上更新我們所需要的能源,使之與生命系統(tǒng)相協(xié)調(diào),比如太陽能和風(fēng)能以及其他提到的能源,則是在能源領(lǐng)域擁有未來智慧的表現(xiàn)。

正在改變的能源格局

實際上,人類文明在利用能源方面一直不夠智慧且不顧未來。千百年來,人類把能源從土地或海洋里開采出來,破壞風(fēng)景以攫取煤炭,燃燒石油為我們的汽車和城市提供動力,而在這個過程中,也引起了氣候變化、污染。

一直以來,人們使用的能源,主要是化石燃料已變得越來越稀缺,成本高昂,而且對氣候的影響程度到了威脅人類生存的水平。

至于如何改變這一糟糕的現(xiàn)狀,看起來最簡單的答案就是停止燃燒石化燃料,但是,但要做到這一點非常困難。石化燃料已經(jīng)與現(xiàn)代人的生活畫上等號,它確實在為現(xiàn)代人們的生活“加油”。另一個方法則是用“更聰明”的方式經(jīng)營能源系統(tǒng)。多數(shù)能源系統(tǒng)的運作基礎(chǔ)是讓能源供給跟隨能源需求,讓供需維持穩(wěn)定平衡,電力尤其如此。

不過,想要真正解決能源危機,最重要的,還是尋找石化燃料的替代能源。就發(fā)電來說,我們可以選用低碳能源來取代石化燃料,比如可再生能源、風(fēng)力、太陽能與生質(zhì)能源,當(dāng)然還有核能。開發(fā)可以代替化石燃料的新能源也是近年來能源領(lǐng)域的趨勢所指。

從 2014 年開始推廣的國際倡議行動“RE100”就是其中一個例子。RE100 為“再生能源 (Renewable Energy)100%”的縮寫,是全球非營利組織“氣候組織”和全球環(huán)境管理認證機構(gòu)“碳揭露計劃”(Carbon Disclosure Project)主導(dǎo)的倡議,其目標(biāo)是在 2050 年之前讓企業(yè)用電 100%轉(zhuǎn)換成使用再生能源。

當(dāng)然,這個過程涉及到各種利益關(guān)系。為了掌握新及再生能源時代的霸權(quán),各國之間的爭奪戰(zhàn)和各大企業(yè)的策略時時刻刻都在發(fā)生變化。但無庸置疑的是,人類若再不實現(xiàn)碳中和及再生能源的轉(zhuǎn)換,終將面臨能源大災(zāi)難。也就是說,轉(zhuǎn)向再生能源依然是人類面臨的首要課題。

2017 年,斯坦福大學(xué)的馬克·雅各布森教授提出了一個促進包括美國在內(nèi)的139個國家在 2050 年之前100%使用再生能源的藍圖。他利用計算機建模證明了再生能源發(fā)電優(yōu)于傳統(tǒng)能源發(fā)電,其秘訣就在于電力的儲能方式。若將儲電、儲熱、低溫儲能、儲氫設(shè)備與再生能源發(fā)電設(shè)備結(jié)合在一起,便能以干凈的再生能源供應(yīng)所有的電能。

聯(lián)合國提出的2016至2030年的永續(xù)發(fā)展目標(biāo)中,第七項目標(biāo)就是使用再生資源和能源。彭博新能源財經(jīng)的《2020新能源展望》(NEO2020)預(yù)測,在接下來的三十年,將投資于新發(fā)電設(shè)備的15萬億美元中,有80%會是太陽能、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)(ESS)等新及再生能源。此外,到了2050年,新及再生能源將為全世界提供56%的電力。

托尼·塞巴教授在《能源革命 2030》 中寫道,“石器時代會結(jié)束,并不是因為人類用盡了石頭,而是因為更優(yōu)良的技術(shù)‘青銅器’取代了石器”,當(dāng)今的能源現(xiàn)狀也是如此。除了關(guān)乎化石燃料是否枯竭,隨著再生能源的發(fā)電成本在先進技術(shù)的發(fā)展下逐漸下降,全球能源資源也必然發(fā)生變化。

能源變革的主力軍

在新的再生能源中,最值得人們關(guān)注的就是“太陽能”。

幾千年來,人類文明一直渴望利用太陽這個取之不盡、用之不竭的火球。為了擺脫化石燃料,世界也需要利用更多的太陽能。我們的這顆恒星產(chǎn)生的能量是最終到達地球的光束能量(陽光)的20億倍。然而,那些光束所提供的能量卻是世界所需能量的1萬倍以上。這意味著,從理論上講,對美國來說,僅僅覆蓋得克薩斯州1%面積的太陽能電池板就可以滿足全美所有的電力需求。換言之,太陽可以讓世界能源增長成千上萬倍。

實際上,太陽能市場自2000年起幾乎每年都成長40%以上。如果這種趨勢持續(xù)發(fā)展下去,太陽能很快就會在全球能源生產(chǎn)量中占100%。太陽能持續(xù)增長,終將逐步取代化石燃料的市場份額。

如果中國和美國保持穩(wěn)定的需求,且發(fā)展中國家重啟因新冠疫情而被推延的太陽能計劃,2021年全球太陽光電裝置量將比前一年增加20%以上。彭博新能源財經(jīng)估算,2021年全球太陽光電裝置量規(guī)模為151吉瓦到194吉瓦。若裝置量達到194吉瓦,將有望較前一年成長45%以上。

韓國也將從新萬金的大規(guī)模計劃開始推動太陽能發(fā)電事業(yè)。為了成為碳中和國家,韓國將制訂具體目標(biāo)并付諸行動其太陽能市場規(guī)模將逐漸擴大。2020年,韓國的太陽能市場規(guī)模只有3.8吉瓦,但2021年將成長到超過4吉瓦。

如果全球經(jīng)濟能夠穩(wěn)定下來,2022年將會出現(xiàn)高達200吉瓦的太陽能需求。與2017年的需求相比,這會是五年來首次增加將近2倍。

當(dāng)前,太陽能提供了全球1/3的電力能源。到21世紀(jì)結(jié)束之前,將陽光轉(zhuǎn)化為電能、熱能和便攜式燃料可以滿足世界上大部分的能源需求。到那時,21世紀(jì)將作為人類最終馴服太陽的時代而被歷史銘記。

并且,未來的太陽能技術(shù)也將不同于在當(dāng)前的硅基太陽能光伏電池板。不可否認,如今這些光伏電池板確實在確立太陽能技術(shù)為可行能源方面發(fā)揮了重要作用,它們的成功也讓全球的投資者堅信投資清潔能源項目是安全的。當(dāng)前,這些光伏電池板,正在從最初的笨重、外形簡陋、性能極差,逐漸進化為如今的輕巧、新穎美觀,并且具備更高的光電轉(zhuǎn)化效率。到2030年,工業(yè)打印機將開始大量生產(chǎn)各種顏色和不同透明度的太陽能光伏涂層。10年后,給人們的房子涂上太陽能涂層或許將會和涂油漆一樣便宜。

雖然太陽能已經(jīng)成為能源革命的主角,但這個舞臺仍然需要配角。在21世紀(jì),風(fēng)能呈穩(wěn)步上升的趨勢,成為太陽能的有力補充。過去十年,風(fēng)力發(fā)電推動了海洋再生能源領(lǐng)域的發(fā)展,風(fēng)能也因此被認為是能源格局的重要變革因素之一。此外,隨著各大企業(yè)加強最近成為熱門話題的ESG管理,風(fēng)能也被人們認為是生產(chǎn)綠氫的主要能源,備受人們關(guān)注。綠氫就是利用風(fēng)能電解水后產(chǎn)生的能源。

2020年,全球風(fēng)力發(fā)電安裝量較前一年增加了59.2%,以96.8吉瓦創(chuàng)下歷史新高。雖然彼時,預(yù)估風(fēng)力發(fā)電的需求會因為受到新冠疫情的影響而下降,但占全球需求60%的中國風(fēng)力發(fā)電安裝量較前一年增加了93.3%,全球風(fēng)力發(fā)電安裝量因此大幅增加。

與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電的安裝量仍然不夠,發(fā)電成本和安裝成本也比較高,因此仍處于市場初期。此外,中國和美國的安裝量占全球的82.4%,風(fēng)電安裝則集中在部分地區(qū)。并且,從長期來看,風(fēng)力發(fā)電的需求仍將持續(xù)增加。彭博新能源財經(jīng)預(yù)測,全球海上風(fēng)電市場規(guī)模還將從2019年的29.1吉瓦擴大到2030年的177吉瓦。

地球上最豐富的能源來源

在能源變革的背景下,想要完全脫離化石燃料,首先就是增加對太陽能的直接利用,即增加太陽能的發(fā)電量。

研究限制氣候變化潛在方法的科學(xué)家也一致認為,到21世紀(jì)中葉,電力行業(yè)的碳排放量必須減少80%~100%。這一目標(biāo)被稱為電力行業(yè)的“深度脫碳”??紤]到經(jīng)濟和政治因素,可再生的太陽能和風(fēng)能顯然是完成這一重任的核心選擇。

電力行業(yè)脫碳當(dāng)然也包括其他原因。一方面,清潔電力的經(jīng)濟來源已經(jīng)存在,但是如果想要取代支撐其他行業(yè)的化石燃料卻是極其困難的。比如,在工業(yè)部門,可以替代為工廠和精煉廠供熱的煤炭和天然氣,同時又價格合理的選項非常有限。在交通運輸領(lǐng)域,石油制品占據(jù)著核心地位,支配著各種出行工具能源消耗90%以上的份額。這些領(lǐng)域很少有替代燃料在商業(yè)上具備可行性。

電動汽車行業(yè)規(guī)模雖小,但一直保持持續(xù)增長的態(tài)勢,這說明,電力對運輸行業(yè)來說可能是一種可行的替代燃料。因此,電力脫碳不僅是開始減少全球能源排放的最便捷的方法,也可能是減少其他使用非電力的部門的排放量的一種方法。

另一方面,未來,電力需求還將會迅速增長。如今,世界各地已經(jīng)開始將電力應(yīng)用于過去一直依賴于其他能源載體的項目。

比如,電動發(fā)動機在車輛驅(qū)動方面取代了石油燃料;電動熱泵取代天然氣用于家庭和企業(yè)供暖;在鋼鐵生產(chǎn)中,電弧爐取代了鋼鐵生產(chǎn)過程中使用的煤炭。此外,人口增長和城市化將導(dǎo)致更多的人需要獲得現(xiàn)代能源。國際能源機構(gòu)預(yù)測,到21世紀(jì)中葉,電力需求可能會翻倍。即使在最理想的情況下,即全世界大幅度提高能源效率,電力需求也會增長80%。

到2050年,全球日益增長的電力需求將全部或幾乎全部需要零碳能源。而其中,太陽能能提供的能源多少就顯得非常關(guān)鍵。當(dāng)然,不管到21世紀(jì)中葉時,太陽能能滿足世界上多少電力供應(yīng),一個顯而易見的事實是,太陽能滿足人類能源需求的最終潛力都不容小覷,因為它是地球上最豐富的能源來源。

當(dāng)我們預(yù)測太陽能的技術(shù)潛力,或者有多少陽光可以轉(zhuǎn)化為能量時,受環(huán)境、地理和技術(shù)限制的影響,我們可以有100多個不同的預(yù)測結(jié)果。但是即便如此,太陽能還是獨樹一幟,其技術(shù)能力足以供應(yīng)世界所需電力。

因此,在21世紀(jì)下半葉,最合理的目標(biāo)是讓太陽能成為世界上的主要能源來源,滿足世界上大部分能源需求。要達到這一目標(biāo),需要的不僅僅是將陽光轉(zhuǎn)化為能源的太陽能光伏板,還需要將陽光轉(zhuǎn)化為便攜式燃料和熱能的方法。另外,要實現(xiàn)這一目標(biāo)還需要重新設(shè)計能源系統(tǒng),將太陽能與世界能源需求連接起來。

實現(xiàn)這一愿景聽起來雖然遙遠而艱巨,但馬斯克對世界將實現(xiàn)這一目標(biāo)卻充滿了信心。他預(yù)言:“生產(chǎn)能源的主要方式將會是太陽能。至少太陽能會占據(jù)一個比較高的比例,從長遠來看可能會略高于50%?!?/span>

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