能源的未来

太阳能将改写应对气候变化的游戏规则

去年,太阳能发电的总装机量首次超过1太瓦(1000千兆瓦)。 Image: Pexels/Trinh Trần

Andrew Blakers
Professor of Engineering, Australian National University
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能源的未来

  • 太阳能技术的增长速度比历史上其他任何能源技术都要快。预计到2050年,太阳能技术将彻底取代化石燃料,成为全球主要能源来源。
  • 日益可负担的太阳能,为我们提供了缓解气候危机的巨大机会。
  • 从长远来看,太阳能的大规模部署几乎没有任何限制。

去年,全球新建太阳能发电设施的发电能力,比其他所有电力来源的总和发电能力还要多。

如今,太阳能增长速度比历史上任何其他能源技术都快。到底有多快呢?按照此速度,太阳能足以在2050年之前完全取代化石燃料,成为支撑全球经济发展的主要能源。

廉价太阳能的崛起,是我们快速缓解气候变化最有希望的解决方案。

去年,太阳能总装机量首次超过了1兆瓦(1,000吉瓦)。太阳能行业的年增长率约为20%。如果保持这种增长率,到2031年我们将达到6兆瓦的太阳能总装机容量。在装机容量方面,这将比煤、天然气、核电和水电的总和还要大。

如图所示,廉价的太阳能正在超过所有其他发电方式。 Image: 世界经济论坛

现在新建的化学燃料发电站越来越少。随着全球其他此类发电厂逐渐老化,它们中的大多数将在本世纪中叶迎来退役。

澳大利亚正在领衔太阳能发电

您可能会惊讶地发现,澳大利亚是全球可再生能源的开拓者。例如,大多数太阳能电池板都使用澳大利亚开发的PERC技术。使用PERC技术制造的太阳能电池板可以捕获更多的阳光并将其转化为电能,从而使PERC电池比传统电池更高效。

在人均太阳能和风力发电方面,澳大利亚是唯一在全球范围内处于领先地位的非欧洲国家。由于成本低廉,在澳大利亚,99%的新增发电量都来自于太阳能和风能。

2022年太阳能和风能的人均发电量最高的国家。 Image: 世界经济论坛;Ember

但与欧洲国家不同,澳大利亚无法进行跨越国界的电力共享。

相反,澳大利亚需要通过跨州的太阳能和风能发电共享来应对其国内快速增长的发电水平。这一措施被证明是相对简单的。澳大利亚的太阳能和风能发电已经占据了全国电力市场的31%,而全国电网仍然保持稳定。

澳大利亚已经有三个州或地区的可再生能源渗透率达到了非常高的水平。澳大利亚首都特区已自建或购买了足够多的可再生能源以覆盖其100%的能源用途。得益于水力和风力,塔斯马尼亚州也实现了100%的可再生能源覆盖,并计划将其翻倍出口到其他州。南澳大利亚州很快将成为世界上第一个以千兆瓦级别运行可再生能源网络的地区。目前,南澳大利亚州约70%的电力来自太阳能和风能。

澳大利亚发展可再生能源的经验很重要,因为澳大利亚位于低纬度至中等纬度地区之间,在冬季也享有充足的阳光供应,而这和世界80%的人口所居住的地方一样。这意味着澳大利亚所开创或测试可行的方法,几乎可以被所有国家所借鉴。

太阳能普及化的时代将带领我们走向何方?

几十年来,太阳能发电的装机量每年都保持着20%的增长率

从全球经济中淘汰化石燃料似乎很简单。我们只需要把一切都“电气化”,并且只使用来自太阳能和风力发电的清洁电力就可以了。这些措施包括:

  • 用电动汽车替换传统内燃机汽车
  • 在家庭和企业中用电热泵替换天然气站和热水器
  • 在工厂中用电炉替换天然气燃炉
  • 通过水的电解生产绿色的氢能源,用于化工行业实现氨、金属、和塑料的清洁生产,并合成航空燃料

为了以纯电力驱动我们的家庭、工业和交通工具,我们需要将目前的发电量增加一倍。为什么不需要增加更多呢?因为通常情况下,相比于其他形式的能源输出, 以发电方式输出的能源利用率会高效得多。例如,在你加油时装进油箱的汽油的85%,都会被浪费掉,成为废热。

那些以化工为支柱产业的国家则可能能需要将发电量增加三倍以上。

如果这一趋势持续下去,到本世纪中叶,我们将进入一个非常不同的、同时也是更好的能源世界。

许多发展中国家,包括印度尼西亚、印度、中国和尼日利亚等人口大国,可以赶上欧洲或澳大利亚的人均能源消费水平。鉴于电力消耗水平与富裕程度密切相关,获得廉价电力将成为许多国家的重要福音。

这一愿景将会是虚构还是现实?

到2050年,地球上将有约100亿人口。为了让每个人能够享有足够的电力资源以过上优质生活,我们需要大约2000亿兆瓦时的电力(相当于每年200,000万兆瓦时)。

假设太阳能在脱碳方面能承担重任,并完成三分之二的总发电任务,那么剩下三分之一的发电任务将会留给风能、水能和其他所有形式的可再生能源。这一愿景是可能实现的吗?

我们的答案是,这一愿景是可能的。如果太阳能装机量继续保持20%的年增长率,那么太阳能发电量足以在2050年达到80兆瓦容量。这相当于到2050年,太阳能可以提供130,000万兆瓦小时/年的发电量,并且(在风力发电帮助下)帮助富裕国家实现完全脱碳。

这将使全球用电量达到人均20兆瓦时/年。

除摆脱大部分的温室气体排放外,我们还将摒弃汽车尾气、工厂排放、城市雾霾、煤矿、灰渣堆放场、油污泄漏、与石油相关的战争,以及天然气压裂(译者注:利用高压将水、化学物质和沙打到地下以获取天然气的方法,这样做会污染地下水,从而导致雨水也受影响)等问题。

实现这一愿景的近期挑战,可能是要建造足够多输电线路,并确保我们有足够多的的工程师和安装人员完成施工和维护任务。

根据世界经济论坛《2023年未来就业报告》,太阳能安装和太阳能系统工程师的岗位增长将显著受绿色转型趋势推动。 Image: 世界经济论坛

我们有足够的空间和原材料实现太阳能发电

从长远来看,太阳能的大规模部署几乎没有任何限制。

太阳将继续照耀数十亿年,为人类提供源源不断的太阳能。而用于制造太阳能电池板的原材料储备也相当丰富,最重要的原材料硅就来自沙子和像钢这样的常见金属。它们中没有有毒金属或放射性材料(如钴),并且可以被很好地回收利用。除此之外,电力能源储存也是一个已经解决了的问题。

大多数国家拥有比实现自给自足所需还要多的太阳能和风力资源。反过来,这将增强这些国家在面对战争、流行病和气候变化时的韧性。

人口密集但土地不多的地区,如日本、欧洲和美国东北部,拥有巨大的离岸风力资源。而印度尼西亚和西非则拥有巨大的离岸太阳能资源,能够建造大量漂浮在平静热带海洋上的太阳能发电厂。

我们也有足够的空间来发展太阳能。80太瓦的太阳能总发电量相当于每人8千瓦。这是一个典型的屋顶太阳能系统的大小,通常由一整个家庭共享而不是由个人来负担。

太阳能电池板所需的面积约为每千瓦五平方米(8千瓦总共40平方米)。其中一些面板将被安装在房屋屋顶上,其他则将安装在地面太阳能跟踪器上,并与农业一起运行。有些农作物和草会喜欢电池板所提供的阴影。其他选项包括将太阳能电池板安装在湖泊和海洋的漂浮平台上。

对于居民的高耗能生活来说,每人可能会需要15千瓦的太阳能和风力发电,这些设备将会可靠运行30年,并在30年后被拆卸并加以回收利用。

20世纪50年代,核能倡导者认为能源价格将因核能发展而变得非常便宜,但这一未来并没有最终实现。不过如今,太阳能将能为我们提供廉价、无限制、永久可用,且资源、环境和社会约束最小化的清洁能源解决方案。

本文作者:

Andrew Blakers,澳大利亚国立大学工程教授

本文由世界经济论坛与The Conversation合作发布,原载于世界经济论坛Agenda博客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:陈达铿

编辑:江颂贤

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