2018年3月13日，彭博新能源財(cái)經(jīng)資深撰稿人Michael Liebreich撰文，深度探討了未來全球能源清潔化發(fā)展的趨勢(shì)。他認(rèn)為，到2040年，全球1/3的電力將由風(fēng)電和太陽能發(fā)電提供，1/3的交通工具將使用電力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將從每個(gè)單位能源中獲取總量達(dá)1/3的GDP。但在世界向清潔化發(fā)展邁進(jìn)的進(jìn)程中，仍存在諸多的困難與挑戰(zhàn)，需要世界各國在政策支持、技術(shù)發(fā)展等方面作出更多有益探索。以下為Michael Liebreich所撰文章節(jié)選。

我在稍早前的文章中曾談到過清潔能源和交通運(yùn)輸領(lǐng)域在過去15年中的巨變。曾經(jīng)，可再生能源被認(rèn)為是“可以被替換”的能源類型，而今，其被認(rèn)為是“新型正統(tǒng)能源”類型，并將逐漸占據(jù)能源系統(tǒng)的主要地位。到2040年，全球1/3的電力將由風(fēng)電和太陽能發(fā)電提供，1/3的交通工具將使用電力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，世界經(jīng)濟(jì)將從每個(gè)單位能源中獲取總量達(dá)1/3的GDP。

事實(shí)上，我們也正在以超乎想象的速度步入這樣“三足鼎立”的世界。且這樣的速度似乎是不可阻擋的——風(fēng)電、太陽能發(fā)電及電池成本的下降速度超過任何一家主流預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)的想象，同樣特朗普政府力求復(fù)活煤電的計(jì)劃似乎也難以如愿所償。

但負(fù)面消息是，即便我們正在以極快的速度向2040年“三足鼎立”的能源構(gòu)架邁進(jìn)，但這樣的成效仍難以達(dá)到巴黎協(xié)定所設(shè)定的目標(biāo)。目前，電力僅滿足20%左右的世界終端能源需求。即便是增加乘用車和輕型卡車的燃料供給，電力也僅僅只能解決1/3的終端能源消費(fèi)需求。

最值得引起注意的是，到目前為止，在工業(yè)、航空等交通運(yùn)輸領(lǐng)域，還沒有任何關(guān)于如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)與深度脫碳并行發(fā)展的正式概念被廣泛推行。

熱負(fù)荷

當(dāng)我在3月初坐下來寫這篇文章的時(shí)候，有“東方的野獸”之稱的一股冷空氣從西伯利亞席卷至英國，覆蓋著整個(gè)大不列顛半島的積雪使氣溫遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)。當(dāng)然這種情況并不經(jīng)常發(fā)生，也許每十年發(fā)生1次或2次，但對(duì)于任何一個(gè)思考能源未來發(fā)展的人來說，這無疑是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)——英國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中任何深度脫碳的解決方案都是關(guān)于如何應(yīng)對(duì)這頭來自東方的“野獸”。

即使是在正常年份，英國冬季的熱負(fù)荷(夏季的幾個(gè)月份幾乎為零)都將達(dá)到峰值——這是該國電力負(fù)荷的六倍，并且熱負(fù)荷曲線幾天內(nèi)就能上下循環(huán)三次。

如果計(jì)劃依賴于電氣化實(shí)現(xiàn)零碳供暖，不僅需要考慮更換國內(nèi)所有鍋爐和商業(yè)暖通空調(diào)系統(tǒng)、電暖器和熱泵，所需的巨大成本，同時(shí)，還要考慮到發(fā)電能力、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電力儲(chǔ)存方面所需的投資。在2016年政策交易所估算該筆費(fèi)用將高達(dá)3000億英鎊(按當(dāng)前匯率計(jì)算為4200億美元)。

在陽光明媚的天氣，太陽能加電池的組合基本能夠滿足相當(dāng)大比例的用電和供熱需求(或更有可能是制冷)——太陽能發(fā)電或許只需要幾天的存儲(chǔ)量，并且根據(jù)電池成本的下降曲線，即便是電池化學(xué)在短期內(nèi)還未有突破性進(jìn)展，這樣的組合都更具經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。

盡管享受著非常低成本的頁巖氣，陽光明媚的美國各個(gè)州正在上演著太陽能發(fā)電與電池組合和天然氣發(fā)電之間的競爭——盡管目前太陽能發(fā)電投資設(shè)有稅收抵免，但補(bǔ)貼的缺失仍是光伏發(fā)電發(fā)展的一個(gè)制約因素。

然而，在北緯40度左右的地方，太陽能發(fā)電可能在夏天生產(chǎn)極具經(jīng)濟(jì)性的電力，而其產(chǎn)量卻在冬季急劇下降。以位于倫敦某住宅區(qū)屋頂光伏為例，其冬季的電力生產(chǎn)能力僅為夏季的1/13。

盡管太陽能發(fā)電有諸多的優(yōu)勢(shì)，但其卻并不能完全承擔(dān)英國全境的供暖需求。當(dāng)然，特高壓直流輸電技術(shù)使得從南歐或非洲等地遠(yuǎn)距離輸送電力到英國得以實(shí)現(xiàn)，但特高壓直流線路的成本，以及伴生的可能存在的風(fēng)險(xiǎn)等都需要審慎考慮。

那么改用風(fēng)電?其輸出功率在冬季明顯提升，符合供暖需求曲線，但風(fēng)電的間歇期有可能會(huì)持續(xù)幾天甚至幾周，并通常出現(xiàn)在低溫天氣。因此風(fēng)電配儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)要求顯然與光伏配儲(chǔ)能不可相提并論。

盡管彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)測(cè)，全球的電池安裝量都在迅速增長，但到2030年，所有與電網(wǎng)相連的電池總?cè)萘績H可滿足全球7.5分鐘的電力需求;即便將每輛電動(dòng)汽車和輕型卡車的電池容量都算在內(nèi)，也僅可以滿足幾個(gè)小時(shí)的電力供應(yīng)——不是幾天，不是幾周，更不是幾個(gè)月。然而，這僅僅是與用電負(fù)荷作比較，而英國的熱負(fù)荷是電負(fù)荷的6倍。

當(dāng)然，將不同的可再生能源有機(jī)結(jié)合將對(duì)深度脫碳提供很大幫助。從理論上講，可以建立一個(gè)充分利用任何可調(diào)度的可再生能源的系統(tǒng)，主要以生物質(zhì)發(fā)電和水電來為風(fēng)能和太陽能的間歇作補(bǔ)充，這其中也包含有電儲(chǔ)能，以此來滿足英國在所有天氣條件下的能源需求。

但與此同時(shí)，發(fā)電成本也會(huì)隨著可再生能源滲透率的增加而以驚人的速度上升，甚至可以增長60%。即使是美國這樣享有多樣化可再生能源的國家，目前也正在探尋如何更好地利用和統(tǒng)籌多種可再生能源發(fā)電的路徑。

近期美國一位100%推崇可再生能源發(fā)電的學(xué)者指出，由21位專家學(xué)者提出的，將美國現(xiàn)有的水電資源利用率提升15倍，作為低風(fēng)速和低光照時(shí)期的備用電力，其不菲的成本將大大降低此項(xiàng)舉措的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

但這是否意味著，供暖需求將使我們背離脫碳之路?也是否意味著我們離“三足鼎立”的“理想國”越來越遠(yuǎn)?并不全然，即便我們將所有的希望都寄托于可再生能源，這里仍存在很多的可能性促使我們實(shí)現(xiàn)深度脫碳。

建筑能效

首先，我們都需要開始認(rèn)真考慮建筑物的能效。這里所指的能效主要包括絕緣性，氣密性，以及良好周到的建筑物設(shè)計(jì)。提高能效并不需要給建筑增加太多的建設(shè)成本，甚至在有些情況下，不需要任何的額外成本支出。

十年前，我從來沒有聽說過被動(dòng)式(PassivHaus)房屋建筑標(biāo)準(zhǔn)，然而十年后，幾乎所有的新建建筑都在通用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，使建筑物生產(chǎn)更多的能源，來抵消其所消耗的能源，以公共事業(yè)收入平衡其支出的能源消耗成本是完全可行的。這只需要應(yīng)用我們所熟知的技術(shù)和技巧。

雖然老房翻新困難重重，但重要的是，任何時(shí)候一個(gè)建筑物進(jìn)行深度改造，都是力求將其能效提高到最高水平。一旦所有的新建筑物和深度改造都恰好完成，那么近20年內(nèi)的供暖挑戰(zhàn)將被削弱近半——更多的供熱負(fù)荷將能夠以電能替代的方式來滿足，主要包括使用空氣源和地源熱泵。這已經(jīng)在挪威和日本等國的低溫地區(qū)普遍施行。

同時(shí)還有其他新技術(shù)——很多創(chuàng)新型新技術(shù)研發(fā)公司正在致力于熱電池、相變材料的使用、鹽的利用，以及智慧熱力學(xué)等技術(shù)的研發(fā)，甚至是混凝土保溫水箱。Drake’s 太陽能社區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了冬季95%的供暖需求由夏季采集的太陽能進(jìn)行供給。

也因此，使用固體、氣體甚至是液體能源滿足世界絕大部分供熱需求，具有重要意義。因?yàn)檫@些物質(zhì)比電力更容易大規(guī)模地儲(chǔ)存，以應(yīng)對(duì)季節(jié)性和彈性需求。電力總是需要借助工業(yè)技術(shù)達(dá)到一定周期內(nèi)的實(shí)時(shí)平衡，但關(guān)鍵問題是如何使它們成為真正的零碳排放。

地處溫帶氣候的國家和地區(qū)，如英國、北歐、新英格蘭、加拿大、前蘇聯(lián)和北亞，很大一部分供暖負(fù)荷是通過沼氣或生物質(zhì)來滿足，而實(shí)踐證明，最有效的方式是熱電聯(lián)產(chǎn)。

雖然在現(xiàn)有的社區(qū)很難增設(shè)區(qū)域供暖，但是該項(xiàng)技術(shù)在瑞典已經(jīng)普及。自1960年以來，每十年就有10%的新增瑞典家庭使用區(qū)域供暖，到目前為止，已有超過半數(shù)的家庭接通區(qū)域供暖。

因此我有這樣的想法——既然我們不得不增加本地電網(wǎng)的容量來為所有的電動(dòng)汽車充電，那么，結(jié)合新的基于生物質(zhì)的熱電聯(lián)產(chǎn)，配以大容量的電池儲(chǔ)能滿足本地的供熱需求，以提供電網(wǎng)服務(wù)和提高能源密集型行業(yè)的恢復(fù)能力為目標(biāo)，同時(shí)減少對(duì)配電網(wǎng)的投資需求，是否會(huì)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)呢?

氫能利用

當(dāng)沒有充足的沼氣供應(yīng)，化石能源仍是運(yùn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的不二選擇，它的效率可高達(dá)85%，但不是“零”碳。

若想達(dá)到化石能源零碳排放，則需要使用碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)。但需要明確的是，在沒有碳價(jià)格的制約下其是不可行的。在不考慮資金成本的前提下，微型熱電聯(lián)產(chǎn)具有強(qiáng)大的吸引力，即使是在有碳價(jià)格的制度存在下，對(duì)于如何捕捉來自分布式排放源的排放仍然存在一定困難。這就引出了氫能的使用——在不造成任何污染物排放的前提下提供所需能量。

根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的預(yù)測(cè)，電池電動(dòng)汽車可以在有充足電力供應(yīng)的條件下，滿足用戶對(duì)于出行的任何需求，并且在未來五六年沒有補(bǔ)貼的情況下，其對(duì)于用戶而言，在市場上仍然具有與大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)交通工具相比極佳的成本競爭優(yōu)勢(shì)。

那么又為什么要浪費(fèi)一半的電力來進(jìn)行電解氫，壓縮并儲(chǔ)存，用以氫燃料汽車的用能呢?如果只關(guān)心充電的時(shí)長，那么對(duì)于習(xí)慣于長途駕駛，并利用夜間充電的美國人來說，這基本上不算是個(gè)問題。因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都不想每隔幾天去一趟氫站，以此來避免在長途跋涉期間可能會(huì)出現(xiàn)的為時(shí)僅20分鐘一次的充電過程。

因此，通常行駛里程超過300英里的商用車輛，基本均采用電來驅(qū)動(dòng)。在船舶、跨大陸列車、長途卡車以及叉車等交通工具類型，氫能才能顯現(xiàn)出其所具有的價(jià)值和意義。