阳光能赚钱

阳光能赚钱 : 为什么说太阳能是取之不尽用之不竭的能源
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太阳能将占69% : 芬兰拉普兰塔理工大学(Lappeenranta University of Technology,简称LUT)近日公布的一项研究结果显示,2050年能实现100%可再生能源供电,其中太阳能光伏发电将占69%。既大胆又乐观的数据是怎么预测的?其前提条件是什么?

LUT研究团队负责人Christian Breyer通过撰文介绍了可再生能源发电系统建模过程。他在文章中称,不管政治家或大企业愿不愿意,光伏发电将在不久的未来成为最便宜的替代能源,也是不可忽视的能源,因此太阳能必将成为最大的赢家。

追捧石油并对太阳能持消极态度的人们也认同一个事实:太阳是地球万物的生命之源。然而,这一单纯的事实却让太阳能经过很长一段时间后才得以享受应有的待遇。太阳包容一切,任何人都不可避免,那是天经地义、理所当然的,但正因为如此,反而无人关注。

迄今为止,依靠太阳发展的产业不仅局限于能源领域。所有农家与农业以及粮食生产基本上靠太阳获取能源。不仅如此,服装、足球与化石燃料产业也与太阳有关。太阳为地球上的一切供给能源。仅一小时到达地球表面的太阳能足以供应地球一年所需能源,只要是想在物理学得A的大学生尽皆知。

而也正因如此,光伏发电因未能发挥实质性机遇而以失败告终。光伏发电长期被视为“缝隙”能源,也就是补充煤炭、天然气、核能等主要能源的“替代”能源。在能源领域从事的所有人都深知自己行业所涉及的资源终究是有限的,总有一天在某个时刻,“替代”能源将成为主流。

众口一词的“总有一天”的“某个时刻”就是现在。近几年来,市场与政治界频频指出太阳能的不确定性,天然气与石油供应价格持续走低,太阳能价格起伏波动大,但太阳能持续刷新纪录,不断发展壮大。欧洲太阳能协会Solar Power Europe数据显示,2017年全球新增太阳能装机量达98.9吉瓦(GW),比2016年全球光伏累计安装总量303GW增长29.3%(见表)。包括传统能源与替代能源在内,光伏发电占新增投资规模的34%,占比均高于其他能源,印证了太阳能产业过去十年来持续呈增长态势。

Fig 1 图1:左为2016年全球可再生能源装机总量;右为2010-2014年各类电源的新增装机比重。来源:芬兰拉普兰塔理工大学

尽管许多事实证明,光伏发电成本每年降低,性能日益提升,人气越来越高涨,但定期分析展望未来世界能源供应结构的全球分析师却不断低估太阳能的发展潜力。

为什么如此保守?

国际原子能机构(IEA)作为权威性国际机构,定期发布各种能源发展现状与未来展望的报告。IEA所积累的数据已证明太阳能数十年来保持了增长势头。2017年11月发布的最新报告指出,以2015年全球数据为依据,太阳能的净成长率超越煤炭,与风力和其他可再生能源一同占据2017年新增装机量的三分之二。

IEA通过本身的数据分析,可以展望光伏发电发展前景明朗,但是IEA依旧对太阳能持极度保守的态度。

举例来说,2017年仅一年新增太阳能装机量100GW,因此IEA会预测今年的发展情况与往年相似。尽管多年来太阳能产业持续新高,IEA报告却预测太阳能装机量会同比缩水。近十年来,光伏发电平均年增长率保持在44%,但IEA的前瞻性报告“可持续发展情景(Sustainable Development Scenario)”也只提出每年新增140GW的预测值。可若回顾20年来的太阳能发展走势,应该能够且一定要提出比现在更明朗的展望,这样才能确保太阳能产业的现实性。

朝着更乐观的方向

对太阳能的发展潜力坚持保守态度不仅仅只有IEA。最近,中国政府决定缩小中国境内光伏发电补贴;GTM Research预测光伏电池组件价格将于2018年下半年降低34%。这一预测是否准确还有待观察,而这种负面展望在太阳能领域已是司空见惯。

在这种情况下,芬兰拉普兰塔理工大学研究团队眼看着可再生能源建模结果,连参与研究的研究人员当初也对此怀疑了一下。采用将地球依据时间与空间精密测量的数据建模的结果显示,2050年能实现100%可再生能源供电,其中太阳能光伏发电占69%。

研究人员对数值过高感到了惊讶。验证建模结果就花了六个月的时间,此后还经过了20次的建模更新,但每次得出来的结果都是太阳能将占可再生能源供电的69%。

时至今日,我们明确知道为何得出这种结果。

LUT模型计算的是以最低成本提高新能源供电能力的投资方案。不事先指定投资哪个技术领域,而且结果会取决于要新增装机量之地区的资源质量。比方说,向资源丰富地区建议采用光伏发电技术。

模型适用方式

LUT所适用的模型将全世界划分成145个地区,采用了自2005年起积累的实际气象数据。在各地区50公里处每小时测量一次,并套用能够满足各地区、各时段最大电力生产量的发电量数据。此外还考虑了电力线、电能存储、生物质能及水力发电等调度式发电(dispatchable generation)等选项。

当然,模型还考虑了技术效应、收益率以及财务指标。换言之,考虑发电设备全寿命周期的资本开支与运营成本后,寻找了能以最低成本满足电力需求的解决方案。现有的发电设备直到寿命耗尽,会照常运转,执行任务直到能源转换结束。

太阳能占能源供应总量69%的数据是在145个地区反复多次分析模型后得出的结果。普及率达69%,易言之,使用光伏发电最经济、最有效的地区最多。光伏发电在能源领域占上风还需要走很长的路,但随着相关成本降低,对光伏发电的学习加速,生产电力后的存储技术持续进步,普及率有望呈现井喷式增长。预计到2030年,光伏装机容量一年超过500GW,远远高于目前的100GW,与之相反,煤炭相关的累计装机容量将逐年减少,预计到2030年降至1293GW。燃气轮机将在未来十年内持续增长后,随着可再生能源装机容量增加而呈现下降趋势(见下表)。

Fig 2 图2:各发电燃料的全球累计装机容量与净发电量;2010-2050年能源转型期间,以5年为单位的装机容量与各能源存储方式的净产量。燃气轮机燃料从2015年的化石燃料转换到2050年的生物甲烷及电制气(power-to-gas)。来源:芬兰拉普兰塔理工大学

模型所定的成本最低起70欧元/MWh,成本涵盖投资、折旧、资本、存储费用以及发输电削减(curtailment)等相关费用亏损。依据2015年数据所定的成本持续降低,2050年的光伏发电成本会降到52欧元/MWh。也就是说,到2050年随着光伏发电设备增多,全球能源系统成本将会下降。

该模型采用了每个时段的测定值,因此最终得出的数据也非常稳定。这意味着该模型根据全年按每个时段测出的电力需求,提出了足够以最低成本供应电力的方法,而且最终得出2050年光伏发电装机总量将达22太瓦(TW)的数据(参见地图)。

Fig 3 图3:2050年主要可再生能源装机容量:为启动能源系统,掌握各地区各时段的天气状况也非常重要。来源:芬兰拉普兰塔理工大学

仅看数据,目前每年新增100GW的光伏发电设备,而只有逐年增加并到2050年达2TW,才能如地图所示,光伏发电覆盖整体的69%,满足全世界发电及运输领域的能源需求。

能源存储技术的关键角色

想坚信光伏发电会以失败告终的人们可能会一直提出疑问:没有太阳的时候怎么办?而且他们即使听完“因为有价格合理的存储技术,因此不成问题”的回答,也会充耳不闻。价格合理的能源存储技术确实已成大势所趋。因为没有存储设备的支持,难以提高光伏发电的普及率。因此,确保低成本存储技术可谓提高光伏发电普及率的首要课题。首要课题若得不到解决,光伏发电普及率最多只会停留在20-30%左右,但采用电池方式的存储技术,普及率能提高至70%。

如今,锂离子电池技术同光伏技术发展速度不断加大学习力度,取得快速发展。如同其他所有技术,市场本身的发展以及顺应潮流不断加大的技术学习力度,带动成本急剧下降。而两者之间的区别在于,太阳能没有原材料供需问题;锂离子电池在原材料供需方面会遇到一点点困难。锂离子电池一般使用钴作为材料,而目前全球大部分的钴来自刚果(金)。但问题在于刚果的政治形势和社会治安非常不稳定。

全球锂资源储量约可使用20至30年。LUT模型还考虑存储介质的增长率,因此需在转型期的某一时刻寻找用于电池生产的替代物质。与此同时,该模型还以再利用相当部分的锂电池作为前提条件,因此电池回收利用必不可少,所有人万万不可忘记。

既有发展也有演进

光伏发电已在主要发达国家的可再生能源产业占有重要比重,但普及率仍低于天然气。在德国,光伏发电供应年均电力需求的7%,意大利为10%,美国加州与夏威夷的光伏发电各占20%和25%。

顺应逐渐增加的消费趋势,利用太阳能发电、存储和消费的方式也不断升级。如前所述,为确保能源供应网的灵活性,电池是关键。据预测,太阳能还有可能影响到采暖能源。供暖需求大部分集中在寒冷的冬天,而冬天太阳的辐射较弱。24小时不间断需要取暖的绝对需求大部分发生在工业领域,这一需求不分季节存在一整年。因此依托合适的存储技术,太阳能在供暖方面做出贡献的空间应该会很大。目前正藉由模型展开研究,而供暖方面的光伏发电有望增长到太瓦规模。

太阳能势不可挡

在光伏产业发展方面,曲折与逆转是非常合乎自然的一部分。老练的水手都知道,眼见水流平缓之时,就要穿戴好救生衣。业界专家也是如此。在太阳能发电产业,未雨绸缪、防患于未然是理所当然的。然而随着技术不断进步,产业基础不断巩固,产业会愈加成熟,因此即使遇到突发状况,也能够稳定应对。而且随着应对外部环境考验的能力增强,就能更容易展望未来。

然而,这并非一日之功。LUT模型是没有反映未来经济危机、环境灾害、错误决策等影响的科学实验。虽不是能预测未来的巫师之玻璃球,但可以确定的是可不偏不倚评估未来能源系统的工具。因此该项研究只提供数据,未对模型予以更多阐述,并主张太阳能将在2050年左右成为最容易扩大规模、所需成本最低的电力供应来源。

对韩华Q CELLS来说是机遇

目前已在很多国家,光伏发电已实现或接近实现平价上网(grid-parity,光伏发电的成本达到煤发电的成本,即可以达到与煤发电上网电价相同的价格。)因此不管现在还是未来,要在清洁能源方面积极展开游说。因为这样才能让决策者重视光伏发电。为此,在世界舞台引领光伏发电发展的企业要以负责任的态度扮演角色。在全球能源转型方面,跨国企业无论从经济角度还是从环保角度需采用可再生能源,需要传递光伏发电终究是实现盈利之决策的讯息。谷歌、宜家家居与韩华等跨国企业,要加大努力使用决策者能够理解的语言来推广可持续发展能源系统。这一努力需要有科学依据,以及环保运动团体、卫生机构与其他社会运动团体的支持。总而言之,比任何能源更干净、更便宜、更受欢迎的太阳能之命运取决于来自各方的努力。现在就是将这些努力付诸实践的时候。

Christian Breyer
Christian Breyer,太阳能经济学教授

Christian Breyer是芬兰拉普兰塔理工大学太阳能经济学教授。主要研究专长在于从国家乃至全球角度综合研究实现100%可再生能源生产的可再生能源系统之技术与经济性。他的团队曾发表多篇有关在全球重要地区实现100%可再生能源生产的研究论文。有关二氧化碳排放之负面影响的研究也是通过他的团队奠定了学问的基础。他就职拉普兰塔理工大学之前,曾任职位于柏林的Reiner Lemoine Institut和韩华Q CELLS。他是ETIP PV与IEA-PVPS的会员、EU PVSEC与IRES科学委员、能源观察集团(Energy Watch Group)的可再生能源主席、IPCC评论家。

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