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对新能源热潮的“冷”思考

(文/VACLAV SMIL)2004年6月,一家能源期刊的编辑打来电话,说最近发布了一份建造世界上最大的太阳能发电站的计划,想听听我的看法。“准备建在哪儿?” 我问道,“亚利桑那、西班牙、还是北非?”其实都不对,它将位于纽伦堡的东南方,横跨巴伐利亚乡间的三个地区。

我说,这肯定是搞错了。我的故乡就在国境对面的捷克,离那儿不远。直到今天,我都还清楚地记得,那里的夏季阴雨绵绵,我们每天都只能在屋里度过。巴伐利亚的天气,就像是美国的西雅图,或者中国的四川。那里根本不适合修建太阳能发电站,可德国人却偏偏反其道而行之。这座输出峰值为10兆瓦的发电站已于2005年6月投入使用。

促使这一切发生的,是政治背后的最大推手:金钱。在新的可再生能源的地盘上,政府补贴是王道,而消费者却要为此买单。

除去水力和地热发电之外,其它可再生能源还无法在不依靠政府补贴的情况下与传统能源竞争。原因是多方面的,其中之一是较低的容量系数(即发电站的最大发电量和装机容量的比值)。一般情况下,核电站的容量系数为90%以上,火电站的容量系数在65%到70%之间;然而,即使在晴朗的西班牙,太阳能发电站的容量系数也达不到20%;安装在干燥陆地上的风力发电机,有25%到30%的容量系数,而安装在近海可以达到40%。如果要利用太阳能或风力发电,就需要在相应资源充沛的地区铺设整套电力线;同时,由于太阳能和风力的不稳定性,我们还得应对变化多端的电网负载。

虽然这些缺点人所周知,却被新能源的拥趸和各种媒体轻易地抛诸脑后。最糟糕的是,这些鼓吹者并没有意识到,即使新能源的优势再显著,推广它们也是需要时间的。

比如,美国前副总统阿尔·戈尔在2008年提出了一项计划,要在十年内,用新能源取代美国所有使用化石燃料的发电站。Google也有自己的计划,那就是在2030年以前,削减掉美国的全部火电站;这项计划提出于2008年,而在2011年宣布放弃。另一项更具野心的计划,来自一篇2009年发布于《科学美国人》的文章,作者马克·雅各布森(Mark Jacobson)和马克·德鲁奇(Mark Delucchi)分别是斯坦福大学的土木工程学教授和加州大学戴维斯分校研究运输系统的学者。两人提出,要在2030年以前,将世界上的全部能源替换为新能源。

从历史和技术的角度来看,他们大大低估了新能源带来的诸多问题。

 

发展新能源,全靠政府补贴?

德国政府在2004年提出,要在未来20年内,向太阳能发电的投资者提供每千瓦时0.57欧元的补贴(即“上网电价补贴”)。真不知道他们到底是怎么想的——当时使用其他能源的电力价格是每千瓦时0.20欧元;而美国2004年的平均电价是7.6美分,也就是每千瓦时0.06欧元。可以想象,在补贴的刺激下,巴伐利亚的太阳能发电站只是个开始。到2011年底时,德国的太阳能发电站的总装机容量达到了25兆瓦,比全球总量的三分之一还多。当一种能源刚开始得到巨额补贴时,一切都会显得无比顺利,不过它最终还是要面对现实。今年三月,当德国国会得知本国电费在欧洲排名第二时,他们通过投票,削减了各种太阳能发电补贴,最高幅度达29%。

针对新能源的大手笔补贴,并非只在德国才有,这是全世界的常态。西班牙也曾经对风能和太阳能发电站进行过补贴,到2010年才把对大型发电站的补贴额减少了一半。2010年12月,美国因中国向风力发电机制造商提供的高额补贴,向世界贸易组织提起了诉讼。而在美国,得到最高政府补贴的能源产业既不是风电,也不是太阳能,而是生物燃料;具体地说,是用玉米提炼的乙醇。

根据美国审计总署的数据,2011年美国对乙醇制造业的税务补贴,一共花去了纳税人61亿美元。除此之外,乙醇制造业还带来了三项隐性支出:第一,水土流失;第二,化肥中多余的硝酸盐会随河流进入墨西哥湾,在沿岸形成“死亡区”;第三,作为世界上最大的粮食出口国,美国把40%的玉米收成用于乙醇生产。而最大的浪费在于,用其制造出的乙醇燃料,大多数都用于低效能的乙醇动力汽车。

也许你会说,政府补贴的出发点是好的;的确,用补贴刺激新能源发展的做法早已有之。为鼓励勘探,政府已向石油和天然气产业提供了数十年的减税。核电的发展完全依赖于政府提供的巨额研发经费。从1948年到2007年,核电的研发补贴几乎占到了美国联邦科研总支出的54%。在法国,核电获得了国家电力公司的全力资助。没有这些经费支持,核电在法国绝不可能发展到今天75%的占有率。但我们必须思索,对新能源的经济补贴,是否能起到其支持者承诺的效果?

不要被这些新能源的支持者夸下的海口冲昏头脑。他们说,只需短短几十年的时间,这些新能源就能彻底取代化石燃料,创造出一个可靠并绿色的无碳能源系统,而且价格不会高于目前最廉价的火电系统。这样,我们就能及时阻止大气中二氧化碳浓度从394ppm上升到450ppm。据气象学家预测,当二氧化碳浓度达到450ppm时,全球平均气温将会升高 2℃。我当然希望他们的承诺都能兑现,但我更愿意相信清晰准确的科学分析。

被大力推动的核电。核电是第一种高度依赖政府投资和补贴发展的主要能源形式,它在美国、日本和法国不同的发展轨迹证明了这一点。

被大力推动的核电。核电是第一种高度依赖政府投资和补贴发展的主要能源形式,它在美国、日本和法国不同的发展轨迹证明了这一点。

 

新能源产业的困境

成本与规模

多年以来,种类繁多的补贴和投机取巧的商业运作推动了新能源的发展。也正因为如此,很难判断新能源的价格到底是否已经降至合理范围。欧洲风能协会和美国风能协会都声称,风电的价格已经低于火电;而太阳能的支持者根据光伏电池成本迅速降低的走势预测,未来太阳能电力的价格会非常低廉。

不过,另外一些分析并不支持廉价风电的说法;同时,一些研究者考虑到,要建造太阳能发电站,不仅需要光伏电池,还需要支架、换流器、电池,以及人力。这些相关物资的费用并没有大幅降低;因此,从2000年至今,美国的太阳能电力价格并未发生显著改变:2000年时,太阳能电力的平均价格为每千瓦时40美分;太阳能研究机构Solarbuzz的数据显示,2012年,太阳能电力均价为:晴朗天气每千瓦时28.91美分,多云天气每千瓦时63.60美分。相比之下,2011年美国化石燃料发电的均价是每千瓦时11到12美分——太阳能发电还是贵得多。大规模、广泛普及的太阳能发电时代,离我们还是有一段距离的。

再看看发电规模。从商业应用上看,风力发电比太阳能发电更成熟,可是,截至2011年底,美国的风电装机容量为47兆瓦,只占到夏季装机总容量的4%。由于美国风力发电的容量系数很小,2011年美国总发电量中,风电的比例只有3%。

从上世纪80年代的小型风力发电机至今,风电花了30年时间才取得了如此微小的占有率。与此相比,核电自从1957年投入使用以来,在30年内占据了美国总发电量的20%;燃气发电机出现于上世纪60年代初期,30年后,它也拥有了10%的份额。

人们对风电的发展速度抱有一种错误的乐观心态——这是因为,现有的增长率是从一个极小的基数算起的。从2001年到2011年,全球风力发电的总装机量翻了6番,可是这说明不了太多问题。这种高增长率是系统早期发展时的典型状态,尤其对于风电这种主要靠补贴来刺激发展的系统来说,情况更是如此。风力和太阳能发电的前景,还面临着另一个变数:利用新的水力压裂法,我们能够从页岩中开采出大量天然气。目前,在美国和加拿大之外,这种采钻技术还尚未被广泛使用。不过,在欧洲、亚洲和拉丁美洲的许多国家,页岩天然气储量都非常丰富,水力压裂法的潜力可观。法、德等国家禁止用这种方式开采天然气,因为它可能会破坏环境。然而,任何新能源都会引发这种担忧,甚至那些标榜着“绿色”的能源也是如此。此外,天然气发电非常的高效。以燃气轮机联合循环发电站为例,它利用燃气机散发的热能来产生蒸汽,并用它来驱动一台蒸汽发电机。而且,60兆瓦容量以内的燃气发电机组,仅用一个月的时间就能完成安装并投入使用;同时,它们选址灵活,可以方便地接入现有的输电网络。

作为碳排放两大巨头,中国和印度的碳排放量超过了美国。图片:Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

作为碳排放两大巨头,中国和印度的碳排放量超过了美国。图片:Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

选址与维护

大型风电场的选址常常会引起争议。许多人要么不喜欢风电机的外形,要么讨厌它们的噪音,要么担心它们对迁徙鸟群和蝙蝠的不良影响。而有些选址在近海的风电项目也出现了这个问题。比如说,在马萨诸塞州的马萨葡萄园岛,原计划建造美国第一座近海风力发电场,然而由于当地居民的反对,这个项目被搁置了数年。风能的不连续性,使人们难以预估它在几天内的发电量,而大型风电机组运作经验的不足,又给项目带来了更大的不确定性。我们还需要一些时间,来了解风力发电机在20到30年寿命里的稳定性,以及维修费用。

另外,要利用风力发电场的电能,我们还得铺设大量的高压输电线,把它们接入电网。这可是一项既昂贵,又存在法律风险的工作。

设想一下,如果大型风力发电场都分布在风能充足,土地辽阔的美国中部大平原,那么我们还需要铺设几千公里的输电线,把电能送到东西海岸用电量大的地区。当然,对于面积不大,和邻国联系紧密的国家来说,这并不算什么大问题;这也是丹麦在风电领域领先的原因之一。

而对于美国来说,要发展风能,不仅需要铺设新的输电线,还要将它们接入本就不堪重负、供不应求的电网。美国土木工程师协会(American Society of Civil Engineers)在《2009年美国基础设施现状报告》中,对美国的能源系统给出了D+的评级。如此差评最主要的原因在于,夏季用电高峰的电力负荷,常常让老旧的电网濒临崩溃。想要着手提高这个评级,需要解决的不仅仅是诸多的技术难题----基础设施的改造项目还常会面临政客的反对,或是遭遇“踢皮球”的尴尬局面。

欧洲各国内部的电网联系比较紧密,但在推广风能和太阳能时,他们也有着自己的问题。不甚乐观的经济前景制约了欧洲国家对新科技投资的力度。德国是欧盟最强的经济体,也是新能源的大力支持者,可他们面对的也绝非一片坦途。在日本福岛灾难之后,德国决定逐步放弃核电,这意味着他们需要找到取代核电的新能源。在风能和太阳能的补贴日渐减少,国内经济也日益萧条的背景下,这个问题可不是那么容易解决的。

新能源的加速发展离不开政府的主导,个人或企业的力量通常都远远不足以能够推广能源产业。然而,当建设关键的基础设施时,就连那些经济实力雄厚的政府,也在日益增加的债务面前显得有些力不从心。他们还同时需要解决医疗保险、贸易逆差、缺乏竞争力的制造业、税收收入不足等等问题;而且,无论是欧盟还是美国政府,他们在补贴新能源的研发时,并没有兑现他们经常挂在嘴上的承诺:创造稳定、优质的就业机会。

 

新旧交替的缓慢进程

新能源的最终目标在于缓解全球气候变暖;使用风能、太阳能和生物能源,可以减少温室气体的排放量。不过,由于温室气体具有全球效应,新能源的实际效果也要从全球角度来考察。我们会发现,西方国家利用风能和太阳能减少的二氧化碳排放量,远远比不上中国和印度与日俱增的煤炭燃烧量。

风电在美国发展迅猛。但从历史上科技的发展规律看,真正的挑战还未到来。图片:Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

风电在美国发展迅猛。但从历史上科技的发展规律看,真正的挑战还未到来。图片:Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

看看这些令人震惊的数据吧:从2004到2009年,美国一共增加了28兆瓦的风电装机量,由于容量系数不同,这相当于不到10兆瓦的火电装机量。与此同时,中国新增的大型火电站装机容量,是这个数字的30倍。这些新火电站的预期寿命至少为30年之久。仅在2010年一年里,中国的二氧化碳排放量就增加了8亿吨,这几乎是美国总排放量的15%;而在这一年里,美国的风电总发电量为950亿千瓦时,按照理论推算,这只减少了6500万吨的二氧化碳排放。另外,到2015年时,中国火电装机容量还将增加200兆瓦,而美国的风电装机量将增加30兆瓦,换算为火电装机容量则仅有15兆瓦。当然,亚洲的煤炭消耗速度终将减缓,但即便如此,大气中的二氧化碳浓度也不太可能控制在450ppm以下。

对于新旧能源的更迭,最被人误解的也许就是它的速度。新能源取代旧能源是一个非常缓慢的过程----在美国,核电用了23年的时间取得了总发电量中10%的比例,而在1995年,也就是它诞生38年后,才达到了20%的份额。燃气发电更是花了45年时间,才取得了20%的份额。

到2025年,风力发电机将迎来30岁生日。到那时,假如它在美国的发电份额能达到15%,就已经算是了不起的成功了。而对于太阳能的市场份额,即使是最乐观的预测,也达不到这个比例的一半。寻找无碳能源是一项值得努力的目标;有朝一日,某些新能源终将占领市场。但是,想要达到这个目标,决策者不能头脑发热,好高骛远。举个不太恰当,却非常形象的例子:让一辆巨大的油罐车掉头,可不是那么容易的事。

改变当今世界基于化石燃料的能源系统,是一项极其艰巨的任务。这个能源系统每年生产70亿吨的硬煤和褐煤、40亿吨的原油,以及3万亿立方米的天然气,然后将它们转化为1.4万亿瓦(※此处已更改)的电能。无数煤矿、油田和气田、炼油厂、输油管、各种运油车、加油站、发电厂、变压器、输电线,还有几亿部消耗着汽油、煤油、柴油,或是其他燃料油的引擎——共同组成了世界上最庞大、最昂贵的系统。这一系统的建设,花费了几代人的时间,也消耗了数十万亿美元的金钱。

因此,无论是在10年、20年还是50年的时间里,这个系统都不可能被彻底取代。要想建设一个具有同样规模和可靠性的新能源系统,不仅需耗时数十年,还要付出巨额的开支。这将需要未来几代工程师的共同努力。

 

科学松鼠 @橡树村 评论此文说:

新能源热了有几年了,这个技术热点吸引了很多科研、媒体和投资人的关注,政府也非常重视。不过很容易看到一种过分乐观的情绪,特别是一些极端环保主义者,认为目前的新能源已经完全准备好了,已经到了停建甚至关闭化石能源的时候了。实际情况并不这么乐观。本文分析了在发达国家推广新能源所面临的困难。中国的情况与这些发达国家并不同。在发达国家,能源消费增长缓慢,新能源的推广是在替代传统能源。中国仍然处于高速发展期,新能源的推广实际上提供了传统能源之外的能源补充方案,是对传统能源的补充。并且,中国的能源网络仍然处在建设期,新能源建设所需要的特殊的基础设施完全可能在能源网络扩充的时候就考虑进去,可能更加有利于新能源的推广。

(橡树村从事替代能源领域研究,关注替代能源问题,气候变化问题,以及南非、非洲问题。)

 
 
编译自: A Skeptic Looks at Alternative Energy
刊发信息: IEEE《科技纵览》7月刊
作者简介: 瓦茨拉夫·斯米尔(Vaclav Smil)是加拿大曼尼托巴大学环境地理系的著名教授。他表示,本文的灵感来自于50多年前,那时他还是布拉格大学的一名学生。他说:“人们往往以为科技瞬息万变,其实并非如此。科技的发展循序渐进,需要很长的时间才能造成真正的改变。因此,我认为任何复杂的系统都不可能在一朝一夕发生变化”。
图片来源: spectrum.ieee.org
The End

发布于2012-11-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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苏格拉呆

光伏能源专业,果壳译者

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