太阳能,为什么是能源变革的主力? -2022世界杯买球

文/观察未来科技

过去的一百年,是“轻松能源”的一百年——即用技术勘探、挖掘和利用这些矿产能源都很容易,因为它们不需要多么先进的创新。然而,地球的资源却是有限的,到2030年人们对能源的需求还将增加两到三倍。但不论是从气候角度,还是能源开采方面,传统能源的困境都不可忽视。

石油、天然气和煤炭是不可再生能源,它们虽然可靠却很昂贵,人类社会需要一个新的能源计划。以应对全球经济的人口和生产力需求——经济增长需要能源来支撑。而从源头上更新我们所需要的能源,使之与生命系统相协调,比如太阳能和风能以及其他提到的能源,则是在能源领域拥有未来智慧的表现。

正在改变的能源格局

实际上,人类文明在利用能源方面一直不够智慧且不顾未来。千百年来,人类把能源从土地或海洋里开采出来,破坏风景以攫取煤炭,燃烧石油为我们的汽车和城市提供动力,而在这个过程中,也引起了气候变化、污染。

一直以来,人们使用的能源,主要是化石燃料已变得越来越稀缺,成本高昂,而且对气候的影响程度到了威胁人类生存的水平。

至于如何改变这一糟糕的现状,看起来最简单的答案就是停止燃烧石化燃料,但是,但要做到这一点非常困难。石化燃料已经与现代人的生活画上等号,它确实在为现代人们的生活“加油”。另一个方法则是用“更聪明”的方式经营能源系统。多数能源系统的运作基础是让能源供给跟随能源需求,让供需维持稳定平衡,电力尤其如此。

不过,想要真正解决能源危机,最重要的,还是寻找石化燃料的替代能源。就发电来说,我们可以选用低碳能源来取代石化燃料,比如可再生能源、风力、太阳能与生质能源,当然还有核能。开发可以代替化石燃料的新能源也是近年来能源领域的趋势所指。

从 2014 年开始推广的国际倡议行动“re100”就是其中一个例子。re100 为“再生能源 (renewable energy)100%”的缩写,是全球非营利组织“气候组织”和全球环境管理认证机构“碳揭露计划”(carbon disclosure project)主导的倡议,其目标是在 2050 年之前让企业用电 100%转换成使用再生能源。

当然,这个过程涉及到各种利益关系。为了掌握新及再生能源时代的霸权,各国之间的争夺战和各大企业的策略时时刻刻都在发生变化。但无庸置疑的是,人类若再不实现碳中和及再生能源的转换,终将面临能源大灾难。也就是说,转向再生能源依然是人类面临的首要课题。

2017 年,斯坦福大学的马克·雅各布森教授提出了一个促进包括美国在内的139个国家在 2050 年之前100%使用再生能源的蓝图。他利用计算机建模证明了再生能源发电优于传统能源发电,其秘诀就在于电力的储能方式。若将储电、储热、低温储能、储氢设备与再生能源发电设备结合在一起,便能以干净的再生能源供应所有的电能。

联合国提出的2016至2030年的永续发展目标中,第七项目标就是使用再生资源和能源。彭博新能源财经的《2020新能源展望》(neo2020)预测,在接下来的三十年,将投资于新发电设备的15万亿美元中,有80%会是太阳能、风能、储能系统(ess)等新及再生能源。此外,到了2050年,新及再生能源将为全世界提供56%的电力。

托尼·塞巴教授在《能源革命 2030》 中写道,“石器时代会结束,并不是因为人类用尽了石头,而是因为更优良的技术‘青铜器’取代了石器”,当今的能源现状也是如此。除了关乎化石燃料是否枯竭,随着再生能源的发电成本在先进技术的发展下逐渐下降,全球能源资源也必然发生变化。

能源变革的主力军

在新及再生能源中,最值得人们关注的就是“太阳能”。

几千年来,人类文明一直渴望利用太阳这个取之不尽、用之不竭的火球。为了摆脱化石燃料,世界也需要利用更多的太阳能。我们的这颗恒星产生的能量是最终到达地球的光束能量(阳光)的20亿倍。然而,那些光束所提供的能量却是世界所需能量的1万倍以上。这意味着,从理论上讲,对美国来说,仅仅覆盖得克萨斯州1%面积的太阳能电池板就可以满足全美所有的电力需求。换言之,太阳可以让世界能源增长成千上万倍。

实际上,太阳能市场自2000年起几乎每年都成长40%以上。如果这种趋势持续发展下去,太阳能很快就会在全球能源生产量中占100%。太阳能的持续增长,终将逐步取代化石燃料的市场份额。

如果中国和美国保持稳定的需求,且发展中国家重启因新冠疫情而被推延的太阳能计划,2021年全球太阳光电装置量将比前一年增加20%以上。彭博新能源财经估算,2021年全球太阳光电装置量规模为151吉瓦到194吉瓦。若装置量达到194吉瓦,将有望较前一年成长45%以上。

韩国也将从新万金的大规模计划开始推动太阳能发电事业。为了成为碳中和国家,韩国将制订具体目标并付诸行动其太阳能市场规模将逐渐扩大。2020年,韩国的太阳能市场规模只有3.8吉瓦,但2021年将成长到超过4吉瓦。

如果全球经济能够稳定下来,2022年将会出现高达200吉瓦的太阳能需求。与2017年的需求相比,这会是五年来首次增加将近2倍。

当前,太阳能提供了全球1/3的电力能源。到21世纪结束之前,将阳光转化为电能、热能和便携式燃料可以满足世界上大部分的能源需求。到那时,21世纪将作为人类最终驯服太阳的时代而被历史铭记。

并且,未来的太阳能技术也将不同于在当前的硅基太阳能光伏电池板。不可否认,如今这些光伏电池板确实在确立太阳能技术为可行能源方面发挥了重要作用,它们的成功也让全球的投资者坚信投资清洁能源项目是安全的。当前,这些光伏电池板,正在从最初的笨重、外形简陋、性能极差,逐渐进化为如今的轻巧、新颖美观,并且具备更高的光电转化效率。到2030年,工业打印机将开始大量生产各种颜色和不同透明度的太阳能光伏涂层。10年后,给人们的房子涂上太阳能涂层或许将会和涂油漆一样便宜。

虽然太阳能已经成为能源革命的主角,但这个舞台仍然需要配角。在21世纪,风能呈稳步上升的趋势,成为太阳能的有力补充。过去十年,风力发电推动了海洋再生能源领域的发展,风能也因此被认为是能源格局的重要变革因素之一。此外,随着各大企业加强最近成为热门话题的esg管理,风能也被人们认为是生产绿氢的主要能源,备受人们关注。绿氢就是利用风能电解水后产生的能源。

2020年,全球风力发电安装量较前一年增加了59.2%,以96.8吉瓦创下历史新高。虽然彼时,预估风力发电的需求会因为受到新冠疫情的影响而下降,但占全球需求60%的中国风力发电安装量较前一年增加了93.3%,全球风力发电安装量因此大幅增加。

与陆上风电相比,海上风电的安装量仍然不够,发电成本和安装成本也比较高,因此仍处于市场初期。此外,中国和美国的安装量占全球的82.4%,风电安装则集中在部分地区。并且,从长期来看,风力发电的需求仍将持续增加。彭博新能源财经预测,全球海上风电市场规模还将从2019年的29.1吉瓦扩大到2030年的177吉瓦。

地球上最丰富的能源来源

在能源变革的背景下,想要完全脱离化石燃料,首先就是增加对太阳能的直接利用,即增加太阳能的发电量。

研究限制气候变化潜在方法的科学家也一致认为,到21世纪中叶,电力行业的碳排放量必须减少80%~100%。这一目标被称为电力行业的“深度脱碳”。考虑到经济和政治因素,可再生的太阳能和风能显然是完成这一重任的核心选择。

电力行业脱碳当然也包括其他原因。一方面,清洁电力的经济来源已经存在,但是如果想要取代支撑其他行业的化石燃料却是极其困难的。比如,在工业部门,可以替代为工厂和精炼厂供热的煤炭和天然气,同时又价格合理的选项非常有限。在交通运输领域,石油制品占据着核心地位,支配着各种出行工具能源消耗90%以上的份额。这些领域很少有替代燃料在商业上具备可行性。

电动汽车行业规模虽小,但一直保持持续增长的态势,这说明,电力对运输行业来说可能是一种可行的替代燃料。因此,电力脱碳不仅是开始减少全球能源排放的最便捷的方法,也可能是减少其他使用非电力的部门的排放量的一种方法。

另一方面,未来,电力需求还将会迅速增长。如今,世界各地已经开始将电力应用于过去一直依赖于其他能源载体的项目。

比如,电动发动机在车辆驱动方面取代了石油燃料;电动热泵取代天然气用于家庭和企业供暖;在钢铁生产中,电弧炉取代了钢铁生产过程中使用的煤炭。此外,人口增长和城市化将导致更多的人需要获得现代能源。国际能源机构预测,到21世纪中叶,电力需求可能会翻倍。即使在最理想的情况下,即全世界大幅度提高能源效率,电力需求也会增长80%。

到2050年,全球日益增长的电力需求将全部或几乎全部需要零碳能源。而其中,太阳能能提供的能源多少就显得非常关键。当然,不管到21世纪中叶时,太阳能能满足世界上多少电力供应,一个显而易见的事实是,太阳能满足人类能源需求的最终潜力都不容小觑,因为它是地球上最丰富的能源来源。

当我们预测太阳能的技术潜力,或者有多少阳光可以转化为能量时,受环境、地理和技术限制的影响,我们可以有100多个不同的预测结果。但是即便如此,太阳能还是独树一帜,其技术能力足以供应世界所需电力。

因此,在21世纪下半叶,最合理的目标是让太阳能成为世界上的主要能源来源,满足世界上大部分能源需求。要达到这一目标,需要的不仅仅是将阳光转化为能源的太阳能光伏板,还需要将阳光转化为便携式燃料和热能的方法。另外,要实现这一目标还需要重新设计能源系统,将太阳能与世界能源需求连接起来。

实现这一愿景听起来虽然遥远而艰巨,但马斯克对世界将实现这一目标却充满了信心。他预言:“生产能源的主要方式将会是太阳能。至少太阳能会占据一个比较高的比例,从长远来看可能会略高于50%。”

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