《太阳世纪》

《太阳世纪》《Scientific American》的中文版《环球科学》2008年第2期 美国的太阳能电站到2050年将供应美国69%的电力和35%的总能量 汽油和民用燃料油的价格居高不下。美国发动中东战争的原因之一，就是为了保护美国在进口原油方面的利益。随着中国、印度和其他国家对化石燃料需求的快速增长，未来各国对能源的争夺将更加激烈。但燃煤、燃油、燃气电站和随处可见的交通工具，每年都会向大气排放上百亿吨污染物和温室气体，给地球环境造成严重威胁。 　　科学家、工程师、经济学家和政治家们提出了各种各样的方案，用于减少化石燃料使用量。削减污染物和温室气体的排放。但这些措施还远远不够。美国需要实施一个大胆的计划，来摆脱对化石燃料的依赖。我们的分析表明：大规模利用太阳能是明智的选择。 　　太阳能潜力巨大。40分钟内通过阳光抵达地球的能量，就相当于全世界一年消耗的总能量。幸运的是，美国拥有的太阳能资源极为丰富。单是美国西南地区，就有65万平方千米的土地，适合建造太阳能电站。这片土地每年接收的太阳辐射超过450亿亿英制热量单位(B ritish thermal unit，简称Btu，1 Btu约等于1055焦耳)。将其中2.5％的辐射转化为电力，就能满足2006年美国全国的能量需求。 　　要全面转向太阳能，必须在广阔的土地上覆盖大量光伏电板和太阳能集热槽，还要建设直流电力骨干输送网，将能量高效输往全国各地。 　　技术已经具备，我们因此制订了一个宏大的计划：到2050年。太阳能将为美国提供69％的电力和35％的总能量(包括交通工具耗能在内)。我们预计，这样的电力能以每度5美分的价格出售给消费者，与目前常规电力的电价相当。如果风能、生物质能和地热资源都能得到开发的话，到2100年，美国所有的电力供应和所消耗能量的90％，都将由可再生能源提供。 　　要实现这一计划，美国政府需要在未来40年内投入4,200亿美元。投资是巨大的，但回报会更加丰厚。太阳能电站几乎不需要燃料，每年能节省数十亿美元。这些基础设施将取代300座大型燃煤电站和300多座大型燃气电站，将它们消耗的燃料全部节省下来。这一计划将有效终止美国的所有原油进口，缓解中东紧张局势。 　　由于太阳能技术几乎没有污染，该计划每年将减少17亿吨原本由常规电站排放的温室气体。通过太阳能电网补给燃料的充电式复合动力车也将取代常规汽车，会另外再削减19亿吨温室气体。到2050年，美国二氧化碳排放量将比2005年降低62％，为缓解全球变暖作出巨大贡献。 　　 　　光伏电站 　　 　　到2050年，光伏电池阵列将占地7.77万平方千米，提供将近30亿千瓦的电力。 　　在过去几年里，光伏电池和光伏模块的生产成本大大降低。为光伏产业的大规模发展铺平了道路。在现有的各种光伏电池中，由碲化镉制造的薄膜电池最为便宜。为了让太阳能发电成本在2020年降到每度6美分。碲化镉电池必须能够将14％的太阳辐射转换为电力，系统装机容量的平均成本也必须降到每瓦 1.2美元——目前，光伏模块的电力转换效率只有10％，装机容量平均成本约为每瓦4美元，明显需要进一步改进。不过，这项技术正在迅速发展：仅在过去 12个月里，商业化电池的效率就从9％提高到10％。值得一提的是。随着光伏模块的不断改进，对房屋业主来说，在屋顶架设光伏电池也会越来越划算。这样一来，白天的电力就可以“自给自足”，大大减轻对电网供电的需求。 　　按照我们的计划，到2050年，光伏技术将提供将近30亿千瓦的电力。为此，美国必须建造大约7.77万平方千米的光伏电池阵列。虽然这个数字听起来十分庞大，但我们不妨换一种思路：如果把煤矿的面积也计算在内。燃煤电站产生100万度电力所需的土地。其实比美国西南地区太阳能产生相同电力所需的土地更大。美国国家可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory。位于科罗拉多州戈尔登市)的研究显示，美国西南地区可利用的土地资源非常充足，无须征用环境敏感、人口密集或地形复杂的地区。亚利桑那州水力资源部新闻发言人杰克·拉韦尔(Jack Lavelle)指出，该州超过80％的土地为公有土地，他们很有兴趣开发该州的太阳能潜力。光伏电站特有的优势(比如不需要水)，可以把人们对环境问题的担忧减至最轻。 　　实现上述目标所需的最重要技术改进。就是将光伏模块的光电转换效率提高到14％。在美国国家可再生能源实验室，碲化镉光伏电池的效率已经达到16.5％，并且仍在升高，不过商业化电池的效率还达不到实验室电池的水平。至少有一家生产商——位于俄亥俄州佩里斯堡市的First Solar公司，已经将光电转换效率从2005年的6％提高到2007年的10％，并预计在2010年达到11.5％。 　　 　　压缩储能 　　 　　白天用太阳能电力把空气压缩到地下，晚上再释放出来发电，就能实现不间断电力供应。 　　众所周知，太阳能的一大局限就是，阴天和夜晚几乎发不了电。因此，阳光明媚时生产出来的多余电力。必须储存起来以供夜晚使用。然而，电池之类的大多数储能系统都十分昂贵，而且效率低下。 　　压缩空气储能方式是一种相当成功的替代方案。用光伏电站产生的电力压缩空气。把空气泵入地下空洞、废弃矿坑、含水土层和资源耗竭的天然气井中。需要时，再将压缩空气释放出来，通过燃烧少量天然气加以辅助，便能推动涡轮生产电力。德国亨托夫市(Huntorf)的压缩空气储能站早在1978年就开始运行，直到今天仍然安全可靠地提供电力；美国阿拉巴马州麦金托什市(McIntosh)的同类电站也从1991年起运行至今。压缩空气储能站消耗的天然气，只有传统燃气电站的40％。如果采用更好的余热回收技术，这一数字还可降低到30％。 　　美国电力研究所(Electric PowerResearch Institute。位于加利福尼亚州帕洛阿尔托市)的研究显示，现有压缩空气储能成本大约是铅蓄电池的一半。研究还指出，这些设施的成本分摊到电价上，将使2020年时美国的太阳能电价上涨3～4美分，达到每度8～9美分。 　　美国西南地区光伏电站生产的电力，将通过高压直流输电线输送到全国各地的压缩空气储能站，那里的涡轮发电机再不分昼夜地生产电力。问题的关键是要找到合适的地点。美国电力研究所和天然气业界共同绘制的地图显示。地质构造适合建造压缩空气储能站的地区占美国国土面积的75％，而且往往靠近大都市。事实上，压缩空气储能系统与美国的天然气存储系统非常类似。天然气业界在400个地下贮存库中存储的天然气总量达2,300亿立方米。预计到2050 年，美国将需要150亿立方米的贮存空间，来容纳压强为75个标准大气压的压缩空气。尽管技术开发仍有难度，但可供选择的地下贮存库数量丰富，天然气业界投资压缩空气储能网络也是理所当然的事情。 　　 　　聚光太阳能发电 　　 　　把阳光聚集起来加热液体，产生蒸汽推动涡轮，是另一种可行的太阳能发电方案。 　　在我们的计划中，太阳能电力中有1/5将由另一项技术提供，这就是所谓的“聚光太阳能发电”(concentrated solar power)技术。在这一技术中。长长的金属反射镜槽将阳光聚焦在一根充满液体的管道上，像一个巨大的放大镜那样加热液体。被加热的液体穿过一个热交换器，产生蒸汽推动涡轮旋转。 　　为了储存能量，被加热的液体将沿着管道。流经一个巨大的隔热容器。容器中充斥着熔化盐——它们可以有效保持热量。这些热量在夜晚被提取出来，产生蒸汽。不过，熔化盐会缓慢冷却，因此储存的热量必须在一天内提取出来。 　　在美国，9座聚光太阳能电站已安全运转多年，总装机容量达35.4万千瓦。2007年3月，内华达州一座6.4万千瓦的新电站投入使用。不过，这些电站都不具备储热功能。 　　第一座具备储热功能的商业化电站正在西班牙建造，这座装机容量5万千瓦的电站配有可持续放热7小时的熔化盐储能装置。世界各地都在设计建造类似的电站。在我们的计划中，这样电站需要配备可以维持16小时的储能装置，让电站能够24小时不间断发电。 　　现有的电站证明，聚光太阳能电站是可行的，但成本必须降低。规模经济和进一步的改进研究都会有所帮助。2006年，美国西部地区州长联合会 (Western Gove rnors’Association)太阳能特别评估组发布的一份报告中指出：如果400万千瓦的电站能够建成，到2015年，聚光太阳能电站的发电成本就有可能低于每度10美分。提高热交换液体的温度，可提高发电效率；工程师们还在研究如何将熔化盐本身用作热交换液体，来减小热量流失，也可以降低资本成本。不过盐具有腐蚀性，因此需要更加耐腐蚀的管道系统。 　　聚光太阳能电站和光伏发电代表了两条不同的技术路线。两种技术都没有发展成熟，因此我们计划在2020年以前，对它们同时进行大规模开发。多种太阳能技术的组合使用也许更符合经济学要求，随着建造规模的扩大，工程师和会计师们可以评估各种技术的优缺点，投资者也会作出决定，偏向于某一种技术。 高压直流输电 　　 　　将太阳能电力从美国西南地区输往全国各地，需要建造一个新型高压直流电力骨干输送网。 　　太阳能电站的地理位置分布。显然会不同于美国现有的电力供应分布图。今天，燃煤、燃油、燃气电站和核电站在美国版图上星罗棋布，哪里有电力需求，哪里就会就近建造发电厂。而美国的太阳能电站大部分将集中在西南地区。现有的交流输电线无法将电力从太阳能发电中心输送到全国各地，而且在长途输送中会损失太多能量。建造一个新型高压直流电力骨干输送网必不可少。 　　美国橡树岭国家实验室的研究显示，长距离高压直流输电线传输损失的能量，远低于交流输电线在相同距离上的损耗。这种骨干网将从西南地区向美国各地辐射。直流输电线将在换流站(converter station)抵达终点，直流电在这里被转换成交流电，再沿着现有的地区性输电网络传送给消费者。 　　容量不够是交流电输送系统的又一不足之处，这已让美国加利福尼亚州及其他地区饱受电力短缺之苦。相对而言，直流输电线的架设成本更低，所需的占地面积也比容量相当的交流输电线更小。美国大约有800千米的高压直流输电线正在使用，事实证明它们不仅可靠，而且高效。这项技术似乎不存在技术难题，但更多的实践经验将有助于优化操作流程。美国得克萨斯州的西南联合电力系统(Southwest Power P001）。正在设计把直流和交流传输结合起来的系统——有了这套系统。得克萨斯西部才有可能建造1,000万千瓦的风力电站。泛加拿大公司 (TransCanada)则提议建造3,500千米的高压直流输电线，将蒙大拿州和怀俄明州南部的风能传送到拉斯韦加斯，甚至更远。 　　 　　第一阶段，从现在到2020年 　　 　　到2020年，太阳能技术将完全依靠自身优势参与竞争。 　　对于如何实施这项宏大的太阳能计划，我们作了充分考虑。我们预期整个计划会分为两大阶段。第一阶段，从现在到2020年，使太阳能实现大规模量产，具有竞争力。这一阶段需要政府提供30年的贷款，并同意购买电力、提供电价补贴。从201 1年到2020年，政府每年的资助金额将稳步上升。从2020年起，太阳能技术将完全依靠自身优势参与竞争。累计资助总金额将达到4,200亿美元(我们将在后文中介绍谁来为此埋单)。 　　到2020年，美国将建起8,400万千瓦的光伏电站和聚光太阳能电站。与此同时，直流电力传输系统也将架设起来。它将沿着州际公路走廊现有的公共设施保留地扩展延伸，最大限度地减少土地征购和审批障碍。这条骨干输送网向西将通往菲尼克斯、拉斯韦加斯、洛杉矶和圣迭戈。向东则通往圣安东尼奥、达拉斯、休斯敦、新奥尔良、亚拉巴马州的伯明翰、佛罗里达州的坦帕和亚特兰大，将太阳能电力输送到各大电力市场。 　　在第一个5年里，每年建造150万千瓦的光伏电站和150万千瓦的聚光太阳能电站，将刺激许多厂商扩大规模。在下一个5年中，每种电站每年新增的装机容量将提高到500万千瓦，帮助各企业优化生产线。至此，太阳能电价将下跌到每度6美分。这张时间表的实施是有实例可循的：从1972年到 1987年，美国每年都要建造超过500万千瓦的核电站。此外，太阳能电站的建造速度将比常规电站迅速得多，因为它们设计简单，环境和安全问题也相对较少。 　　 　　到2050年，美国69％的电力和35％的能量将由太阳能电站提供 　　 　　让市场主要激励机制的有效性一直保持到2020年，对于开启随后的自我持续性增长阶段极为重要。在把计划扩展到2050年时，我们采取了保守策略：2020年以后的计划中。我们不再考虑任何技术改进和成本降低我们还假设，美国能源需求会以每年1％的速度递增。根据这些假设，到2050年，美国 69％的电力和35％的能量将由太阳能电站提供。这些电力足够为3，44亿辆充电式复合动力车提供动力，这些车将取代单纯使用汽油的汽车。成为减轻进口原油依赖、降低温室气体排放的关键所在。太阳能计划还将为美国人创造300万个就业岗位。主要集中于太阳能零件制造业——这一数字将比到时候因化石燃料产业萎缩而失去的工作岗位多得多。 　　假设原油价格为60美元／桶(2007年的平均价格高于这一水平)，原油进口量的大幅下降，每年可以减少3,000亿美元的贸易支付差额。太阳能电站一旦建成，就必须进行维修和养护，但阳光永远是免费的，因此节省燃料的效益会年复一年地持续下去。此外，投资太阳能还能增强能源安全性，减少军费开支等财政负担。大大减少污染和全球变暖带来的社会成本，改善从人类健康到海岸线及农场的生态恶化等多方面问题。 　　具有讽刺意味的是，宏大的太阳能计划反而会将降低能量消耗。即使能源需求量每年递增1％，能量消耗也将从2006年的10亿亿Btu降低到 2050年的9.3亿亿Btu。这种不升反降的异常现象之所以出现，是因为精炼和处理化石燃料的过程会消耗大量能量，而燃料燃烧和排放物控制又会耗费更多能量。 　　为了实现2050年的远景目标，美国必须在12万平方千米的土地上建造光伏电站和聚光太阳能电站。占地面积虽然巨大。但只覆盖了美国西南地区适宜土地的19％。这些土地大多相当贫瘠，没有其他利用价值。而且建造太阳能电站也不会污染这些土地。到2050年，只有10％的太阳能电力来自于分散式光伏发电设备，它们将分布在全国各地的屋顶和商业地段。不过随着价格的下跌，这些光伏电池将扮演越来越重要的角色。 　　 　　2050年以后 　　 　　到2100年，美国所有的电力供应和所消耗能量的90％，都将由可再生能源提供。 　　尽管不太可能精确规划50年以后的遥远未来。但是为了充分展示太阳能的潜力，我们还是设想了2100年的场景。按照我们的计划，包含交通耗能在内的全国能量总需求，到那时将达到14亿亿Btu，发电装机容量将是目前的7倍。 　　我们再一次采取了保守策略。在估算太阳能电站的发电容量时。我们采用了美国西南地区历史上条件最差的太阳辐射数据。根据美国国家太阳辐射数据库1961年到2005年的记录，太阳辐射的最差纪录出现在1982年～1983年冬天，以及皮纳图博火山喷发后的1992年和1993年。而且我们假设，从2020年到2100年，没有出现任何技术改进和成本降低。尽管在长达80年的持续研究中，太阳能转换效率、成本和能量储存方式没有改进。几乎是不可能的。 　　根据这些假设条件，美国将用以下方式满足能量需求：光伏电站产生的电力，29亿千瓦直接并入电网，另外75亿千瓦用于压缩空气储能；聚光太阳能电站产生23亿千瓦的电力；分散式光伏发电设备还将输出13亿千瓦的电力。除此之外，风力电站将提供10亿千瓦电力，地热电站提供2亿千瓦，生物质燃料提供的能量相当于2.5亿千瓦电力。这个模型中还包括5亿千瓦地热泵，直接给建筑物加热或者冷却。所有的太阳能设备将占地50.5万平方千米，仍然小于美国西南地区适宜开发太阳能的土地面积。 　　到2100年，美国所有的电力供应和所消耗能量的90％，都将由可再生能源提供。在春季和夏季。太阳能基础设施将生产足够的氢，除了满足 90％的交通燃料需求以外，还将取代在压缩空气涡轮中起到辅助作用的少量天然气。此外，480亿加仑的生物质燃料将补足余下10％的交通能量需求。与能量有关的二氧化碳排放量将比2005年减少92％。 　　 　　谁来埋单 　　 　　只须对每度电征收0.5美分碳税。就可以筹臻到4,200亿美元，把太阳能计划变成实现。 　　我们的计划并不要求人们在能源使用方面“节衣缩食”：每年它都留出了1％的能量需求增长——如果能量的生产和使用效率能按照预期得到改善的话，这些能量足以维持我们所习惯的日常生活。或许最大的问题在于，彻底改造能源基础设施需要4,200亿美元。如此巨额的账单应该由谁来支付。碳税是最常见的办法。国际能源机构建议，为了促使电力行业采用碳捕集封存技术，减少二氧化碳排放量，必须对每吨煤征收40～90美元的碳税。这样的碳税相当于电价上涨每度1～2美分。相对而言，我们的计划更加便宜。只须对每度电征收0.5美分碳税。就可以筹集4,200亿美元。美国目前的电价通常为每度6～10美分，在此基础上增加0.5美分似乎是可以接受的。 　　为了建立这套财政激励机制，美国国会可以施行一个全国性可再生能源计划。该计划应该参考美国农产品价格支持计划(FarmPrice Support)——就国家安全而言，后者已被证明是正确的，制订类似的太阳能价格支持计划，将确保美国未来的能源安全。太阳能补贴将从201 1年到2020年逐年发放。高压直流电力传输公司可以不必得到补贴，因为它们可以像今天出资建造交流输电线一样，出资建造直流输电线和换流站，通过输送电力赚取收入。 　　尽管4,200亿美元数额巨大，但每年的开销并不比目前正在实施的美国农产品价格支持计划高。这一总数额也比不上过去35年来，美国为建设全国高速通信基础设施而减免的税收补贴金额。此外，太阳能计划还能使美国从国际能源战争引发的政策和财政困境中摆脱出来。 　　如果没有补贴，宏大的太阳能计划就不可能实现。其他国家已经展开了类似行动：日本正在建设由政府补贴的大型太阳能基础设施。德国也在着手实施一项全国性太阳能计划。 　　虽然投资巨大，但是作为能源的阳光是免费的，这一点同样重要。太阳能电站不像燃煤、燃油或核电站那样，每年需要支出燃料成本或者污染控制成本，只有空气压缩系统需要使用少量天然气，而且这些天然气也可以用氢或生物质燃料代替。如果把节省下来的燃料计算在内，未来几十年内太阳能的成本将变得相当便宜。但是，我们不能等到那个时候再开始扩大规模。 　　批评方提出了其他一些问题，比如原材料紧缺是否会限制大规模生产。随着太阳能电站的迅速建造，短期原材料短缺有可能出现。但是现有的多种光伏电池，可以用不同的原材料制作。更好的加工和回收技术，同样可以减少光伏电池所需的原材料。从长远的角度来看，废旧太阳能电池大都可以回收制成新电池，我们的能源供应方式也将从不可再生燃料，全面转向可以回收的材料。 　　要想实现可再生能源系统，我们面临的最大障碍，既不是技术，也不是金钱，而是公众对太阳能技术的一无所知：他们不知道太阳能是一种切实可行的替代能源。也不知道太阳能可以为交通工具提供动力。高瞻远瞩的思想家应该努力激发公众和政治、科学领袖，让他们认识到太阳能发电令人难以置信的潜力。我们相信，一旦人们了解了上述事实，对能源独立的渴望和对削减碳排放的需求，将促使他们采纳这个宏大的太阳能计划。