能源變革的下一步,為什麼一定是太陽能?

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文 | 觀察未來科技

過去的一百年,是“輕鬆能源”的一百年——即用技術勘探、挖掘和利用這些礦產能源都很容易,因為它們不需要多麼先進的創新。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,還是能源開採方面,傳統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。以應對全球經濟的人口和生產力需求——經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,使之與生命系統相協調,比如太陽能和風能以及其他提到的能源,則是在能源領域擁有未來智慧的表現。

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裡開採出來,破壞風景以攫取煤炭,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、汙染。

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。

至於如何改變這一糟糕的現狀,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。石化燃料已經與現代人的生活畫上等號,它確實在為現代人們的生活“加油”。另一個方法則是用“更聰明”的方式經營能源系統。多數能源系統的運作基礎是讓能源供給跟隨能源需求,讓供需維持穩定平衡,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、風力、太陽能與生質能源,當然還有核能。開發可以代替化石燃料的新能源也是近年來能源領域的趨勢所指。

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”和全球環境管理認證機構“碳揭露計劃”(Carbon Disclosure Project)主導的倡議,其目標是在 2050 年之前讓企業用電 100%轉換成使用再生能源。

當然,這個過程涉及到各種利益關係。為了掌握新及再生能源時代的霸權,各國之間的爭奪戰和各大企業的策略時時刻刻都在發生變化。但無庸置疑的是,人類若再不實現碳中和及再生能源的轉換,終將面臨能源大災難。 也就是說,轉向再生能源 依然 是人類面臨的首要課題。

2017 年,斯坦福大學的馬克·雅各布森教授提出了一個促進包括美國在內的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電優於傳統能源發電,其祕訣就在於電力的儲能方式。 若將儲電、儲熱、低溫儲能、儲氫裝置與再生能源發電裝置結合在一起,便能以乾淨的再生能源供應所有的電能。

聯合國提出的2016至2030年的永續發展目標中,第七專案標就是使用再生資源和能源。彭博新能源財經的《2020新能源展望》(NEO2020)預測, 在接下來的三十年,將投資於新發電裝置的 15萬 億美元中,有80%會是太陽能、風能、儲能系統(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。

託尼·塞巴教授在《能源革命 2030》 中寫道,“石器時代會結束,並不是因為人類用盡了石頭,而是因為更優良的技術‘青銅器’取代了石器”,當今的能源現狀也是如此。除了關乎化石燃料是否枯竭,隨著再生能源的發電成本在先進技術的發展下逐漸下降,全球能源資源也必然發生變化。

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。我們的這顆恆星產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。如果這種趨勢持續發展下去,太陽能很快就會在全球能源生產量中佔100%。 太陽能 持續增長, 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定的需求,且發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。彭博新能源財經估算,2021年全球太陽光電裝置量規模為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模計劃開始推動太陽能發電事業。為了成為碳中和國家,韓國將制訂具體目標並付諸行動其太陽能市場規模將逐漸擴大。2020年,韓國的太陽能市場規模只有3.8吉瓦,但2021年將成長到超過4吉瓦。

如果全球經濟能夠穩定下來,2022年將會出現高達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。

當前 ,太陽能提供了全球1/3的電力能源。到21世紀結束之前,將陽光轉化為電能、熱能和行動式燃料可以滿足世界上大部分的能源需求 。到那時,21世紀將作為人類最終馴服太陽的時代而被歷史銘記。

並且,未來 的太陽能技術 也將 不同於在 當前 的矽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為可行能源方面發揮了重要作用,它們的成功也讓全球的投資者堅信投資清潔能源專案是安全的。 當前,這些 光伏電池板, 正在 從最初的笨重、外形簡陋、效能極差,逐漸進化為 如今的 輕巧、新穎美觀,並且具備更高的光電轉化效率 。到2030年,工業印表機將開始大量生產各種顏色和不同透明度的太陽能光伏塗層。10年後,給人們的房子塗上太陽能塗層或許將會和塗油漆一樣便宜。

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

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

與陸上風電相比,海上風電的安裝量仍然不夠,發電成本和安裝成本也比較高,因此仍處於市場初期。此外,中國和美國的安裝量佔全球的82.4%,風電安裝則集中在部分地區。並且,從長期來看,風力發電的需求仍將持續增加。彭博新能源財經預測,全球海上風電市場規模還將從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,即增加太陽能的發電量。

研究限制氣候變化潛在方法的科學家也一致認為,到21世紀中葉,電力行業的碳排放量必須減少80%~100%。這一目標被稱為電力行業的“深度脫碳”。考慮到經濟和政治因素,可再生的太陽能和風能顯然是完成這一重任的核心選擇。

電力行業脫碳當然也包括其他原因。一方面,清潔電力的經濟來源已經存在,但是如果想要取代支撐其他行業的化石燃料卻是極其困難的。比如,在工業部門,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。在交通運輸領域,石油製品佔據著核心地位,支配著各種出行工具能源消耗90%以上的份額。這些領域很少有替代燃料在商業上具備可行性。

電動汽車行業規模雖小,但一直保持持續增長的態勢,這說明,電力對運輸行業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,世界各地已經開始將電力應用於過去一直依賴於其他能源載體的專案。

比如,電動發動機在車輛驅動方面取代了石油燃料;電動熱泵取代天然氣用於家庭和企業供暖;在鋼鐵生產中,電弧爐取代了鋼鐵生產過程中使用的煤炭。此外,人口增長和城市化將導致更多的人需要獲得現代能源。國際能源機構預測,到21世紀中葉,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鍵。當然,不管到21世紀中葉時,太陽能能滿足世界上多少電力供應,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。

當我們預測太陽能的技術潛力,或者有多少陽光可以轉化為能量時,受環境、地理和技術限制的影響,我們可以有100多個不同的預測結果。但是即便如此,太陽能還是獨樹一幟,其技術能力足以供應世界所需電力。

因此,在21世紀下半葉,最合理的目標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,需要的不僅僅是將陽光轉化為能源的太陽能光伏板,還需要將陽光轉化為行動式燃料和熱能的方法。另外,要實現這一目標還需要重新設計能源系統,將太陽能與世界能源需求連線起來。

實現這一願景聽起來雖然遙遠而艱鉅,但馬斯克對世界將實現這一目標卻充滿了信心。他預言:“生產能源的主要方式將會是太陽能。至少太陽能會佔據一個比較高的比例,從長遠來看可能會略高於50%。”

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