美国欲用20年改变地球能源结构只用清洁能源

　　据《科学美国人》杂志近日报道，12月7日65个国家的领导人将齐聚哥本哈根，设法就在接来下的几十年里减少温室气体排放这一议题达成一致。实现该目标最有效的方法莫过于大规模的将化石燃料转变为清洁、可再生的能源。如果领袖们相信这一转变是可行的，他们也许会达成一项历史性的协议。我们认为他们可以做到。

　　图1：《科学美国人》特稿：绿色星球计划制图/冯成@译言

　　一年前美国前副总统阿尔·戈尔（AlGore）许下宏愿：要在10年内用100%无碳的电能重建美国能源结构。而我们的两位同事已经开始评估这一变革的可行性，而我们承担了更艰巨的任务：确定如何能在最早2030年前，使全世界的能源——无论哪一领域——都由风力、水力和太阳能资源提供。下面是我们的计划：

　　科学家们为此已经努力了至少十年，从各个方面对这一艰巨任务进行分析研究。最近，斯坦福大学根据其对全球变暖、环境污染、供水系统、土地利用、野生生物及其他关注点的深入研究，发布了一份2009报告，对能源系统进行了排名。最佳选择是风能、太阳能、地热能、潮汐能和水力发电——这些能源都来自于风力、水力和阳光（被称为WWS——wind，water，sunlight）。核能、含碳的煤、乙醇和石油、天然气都属于次级的选择。研究还发现利用WWS资源充电的电池汽车和氢燃料电池汽车有助于大幅降低交通领域的污染。

　　我们的计划需要数以百万计的风力涡轮机，抽水机和太阳能装置。数量庞大，但也不是不可跨越的障碍；人类社会过去曾做过许多次成功的变革。在第二次世界大战期间，美国改组了汽车工厂，生产出30万架飞机，其它国家用这种方法生产了486,000架飞机。1956年美国开始建设州际高速公路系统，35年后高速路扩展到47,000英里，甚至改变了商业体系和社会体系。

　　那么改变世界的能源体系是否可行？变革能否在20年内达成？答案取决于人们选择何种技术、关键原料是否容易获得，以及经济、政治因素的影响。

　　只采用清洁的技术

　　图2：2030年前，地球能源结构的合理设想制图/冯成

　　可再生能源来自于对资源的采集：风，能制造海浪；水，包括水力、潮汐和地热（水被地下滚烫的岩石加热）；以及阳光，包括光能和太阳能——发电厂通过集中光束来加热液体，带动涡轮机发电。我们的计划只接受今天就能实现，或者马上能大规模投入实施的技术，而不是那些也许要研究上二三十年的科学畅想。

　　为了确保我们的能源体系始终清洁，我们只考虑那些在其生命周期——技术开发、技术应用、技术衰退——中，温室气体和污染气体的排放几乎为零的技术。举例来说，如果作为汽车燃料，即使最环保的乙醇，其造成的空气污染也会导致和燃烧石油同样的死亡率。而如果把核反应堆的建设和铀的提炼和运输过程算上，核能的碳排放量是风能的25倍。碳捕捉和封存技术可以减少火力发电厂的二氧化碳排放量，但会增加其它的空气污染物，并且在其它方面——煤的开采、运输、处理——更加有害，因为碳捕捉和封存技术需要消耗更多的煤。同样的，我们也不接受那些有废料处理和安全方面风险的技术。

　　在我们的计划里，WWS资源将为加热和交通提供电能——如果世界还希望减缓气候变化，这些产业必须更新。我们认为大部分的化石燃料加热器（包括烤箱和火炉）可以被电力装置取代，并且大部分化石燃料交通工具可以被使用电池和燃料电池的交通工具取代。利用WWS资源生产的电能分解水（电解）可以制造出氢气，用来补充燃料电池，供飞机及整个产业的消耗使用。

　　地球上的可再生能源储量丰富

　　图3：集合风能、太阳能及潮汐能于一体的集成电站

　　据美国能源情报署报告目前全球年耗电最高达大约12.5太瓦(terawatts,TW)。该机构预计，到2030年由于人口增长和生活水平提高，全世界将需要16.9太瓦的能源，其中美国消耗2.8太瓦。能源结构也和今天相似，大量依赖化石燃料。然而，如果这个星球能完全由WWS资源提供能源，而没有化石燃料或者生物质燃烧，形势完全可以得到改变。全球电量需求将降至仅11.5太瓦，美国的需求将降至1.8太瓦。这是因为电气化是利用能源更加有效的途径。例如，汽油中只有17%到20%的能量被用来驱动汽车（剩下的部分在发热时浪费了），但是电力汽车的电能的75%到86%都产生了动能。

　　即使需求量增长到16.9太瓦，WWS资源也能满足需要，甚至提供比这还多的能源。我们和其他人员的仔细研究表明，全球拥有的风能为大概1700太瓦。太阳能一项就能提供6500太瓦电能。当然，在大洋、高山和保护区域的风力和阳光是采集不到的。即使除去这些以及一些风力达不到开发要求的地区，我们依然有40到85太瓦的风能和580太瓦的太阳能，都远超未来人类的需要。目前我们只生产了0.02太瓦的风能和0.008太瓦的太阳能。这些资源有着庞大的开发潜力。

　　其他的WWS技术将帮助建立一套可行性选择项。尽管资源随处可得，但从实用性考虑，波浪发电只能在沿海岸地区开展。许多地热资源埋藏得太深，很难经济地开采。

　　计划：需要发电厂

　　图4：规模庞大的太阳能电场设想

　　很明显，我们有足够多的可再生能源。那么，我们如何建设新的基础设施来为世界提供11.5太瓦的能源？我们选择了一套以风能和太阳能为主的技术，但是9%的能源需求将有成熟的水力技术满足（其它的风能和太阳能技术组合同样可以很成功）。

　　剩下的能源需求中，风电将满足51%，由全世界380万大型风力涡轮机（装机容量5兆瓦）提供。这个数字可能听起来很庞大，但有趣的是全球每年能生产730万汽车和轻型卡车。另外40%能源来自光伏能和太阳能发电厂，其中光伏能的30%来自房屋和商业建筑的屋顶板。这需要大约89000座平均产能300兆瓦的光伏和太阳能发电站。同时我们的计划还包括900座水电站，其中70%已准备就绪。

　　目前美国安装的风电设备只占计划总量的0.8%。全部380万涡轮机占用的土地不到50平方公里（比纽约曼哈顿还小）。如果把涡轮机之间的空间也算上，它们也许会占据地球土地的1%，但是涡轮机之间的空地可以用来发展农业或者牧业或者什么都不做。不利用房顶的光伏收集装置和聚光太阳能发电站将占用地球0.33%的土地。建设如此大规模的基础设施需要时间。但是建设当前的发电网也不容易。更重要的是，如果我们一直不放弃化石燃料，到2030年需求量就增加到16.9太瓦，这就需要13000座新的大型煤电站，它们会占用更多的土地，更不用说为了开采煤而使用的土地了。

　　物质难关

　　WWS基础设施的规模不是问题，但是一些重要原料可能很稀缺或者价格高昂。

　　我们有足够的混凝土和钢材来建设上百万的风力涡轮机，而且它们都是可循环利用的。真正棘手的原料是稀土金属，比如用在涡轮机变速箱中的钕。尽管这些稀土金属并不算短缺，但能廉价开采的稀土矿都集中在中国，因此像美国这些国家就需要采购中东的石油来换取远东的金属。但是制造商们正在努力生产无档的涡轮机，如此一来限制条件就不复存在了。

　　光伏电池依赖于非晶态或晶态的硅，碲化镉或者硒化、硫化铜铟。碲和铟的短缺可能破灭一些型号的薄膜太阳能电池的开发前景，但不是所有。其他的型号也许能弥补上空白。电池所需的银可能妨碍大规模的生产，但减少银的成分可以跨越这一障碍。回收利用旧电池上的部分材料同样可以克服物质上的阻碍。

　　可能对制造电动汽车产生麻烦的因素有三：电动汽车所需的稀土金属，锂电池所需的锂，燃料电池所需的铂。玻利维亚和智利的锂储量占全世界储量一半多。不平衡的分布加上快速增长的需求，将导致价格飙升。更大的问题在于，全盛国际研究称，目前可经济循环利用的锂的产量无法生产出满足一个全球电动汽车系统所需的电池量。回收利用可以改变困境，但是业界明白，回收的效益在某种程度上取决于电池的生产是否秉承可循环理念。铂的长期利用也要依靠回收；目前可开采的铂储存量只能支撑2000万电动汽车的年产量，而且由于已存在的产业同样要使用铂，可维持的时间只有不到100年。

　　智能的组合增加可靠性

　　一项新的基础设施至少要和旧的设施一样可靠的提供所需的能源。一般来说WWS技术比其他资源的停工期更短。美国的煤电厂平均一年有12.5%的时间用来做定期或不定期的维护。陆基的现代风力涡轮机只有不足2%的停工期，；离岸涡轮机也不足5%。光伏系统停工期同样不到2%。此外，当一台独立的风能、太阳能或波浪能设备损坏，只有一小部分的产能会受到影响；而如果煤、核或天然气电厂停产，将损失相当大的产能。

　　WWS最大的挑战在于风不是每天都有，太阳也不是每天都照射在同一个固定的地方。间歇性的问题可以由智能的资源组合解决，比如建立一个有稳定地热能或潮汐能的基站，比如某段时间起风天很多，那么晚上就可以靠风力发电，白天利用太阳能，转向可靠的资源如水电，它可以快速开启和关闭从而调节供给，满足高峰用电需求。例如，相距仅100到200公里的成组风力田可以弥补其中某一块由于无风导致的几小时的零产出。同样有帮助的还有地域上分散的资源互相连接起来，使它们互为替补。在家中安装当用电空闲时自动为电动汽车充电的智能电表，并建立储电装备以备后用。

　　由于风总是在没有阳光的多雨天气出现，而和煦的阳光天一般也没有风，联合风能和太阳能对满足能源需求大有帮助，尤其是当地热能产出稳定，水电能随时弥补缺口的情况下。

　　和煤炭一样便宜

　　图5：清洁能源转换成本对比柱状图

　　我们计划中的WWS资源的混合使用能可靠的为住宅、商业、工业和交通领域提供能源。下一个问题是，这些能源是否昂贵。我们计算每一种技术条件下，生产者生产电能并通过电网传输的费用。我们计入了资本、土地、运营、维护、能源储备以抵消间歇停产、运输。目前风力、地热、水力的费用都低于7美分没千瓦时(?/kWh);波浪能和太阳能高些。不过到了2020年以及更晚，风力、波浪能及水力有望降至4美分千瓦时甚至更低。

　　与此形成对比的是，美国2007年传统电能生产和运输的平均价格约为7美分千瓦时，并预计在2020年达到8美分千瓦时。例如，风力涡轮机发电的消耗已经和煤电厂或天然气电厂的消耗持平或更低些，并且在将来风力发电被认为是最廉价的选择。风力极具竞争力的价格使得它在过去3年间成为美国第二大新一代电力来源，排名第一和第三的分别是天然气和煤炭。

　　当下太阳能发电还相对昂贵，但是将在2020年前形成竞争力。布鲁克海文国家实验室的VasilisFthenakis作的一份详细的分析表明在10年内，光伏发电系统的成本将降至10美分千瓦时，包括了远距离输送和为供夜晚使用而将电力压缩储存的费用。该分析还估计，有足够热量储备以在春夏秋三季24小时发电的集束太阳能发电系统可以以10美分每千瓦时或更低的价格提供电力。

　　WWS世界的交通全由电池或燃料电池驱动，因此我们需要把这些电动汽车和燃料发动机汽车座经济上的对比。我们的一名同事（Delucchi）和来自伯克利加利福尼亚大学的TimLipman的详细分析表明，大规模生产的带有先进锂电池或氢化镍电池的电动汽车在其使用寿命内每公里的费用（包括更换电池）相当于燃烧天然气的汽车，如果天然气的价格高于2美元每加仑。

　　如果把化石燃料家族被称为环境代价(对人类健康、环境和气候的损害的货币价值)考虑进来，WWS技术的成本将更具竞争力。

　　在过去二十年内，用于构建WWS系统的总体结构性花费在世界范围内大约为100万亿，这还不包括传输的费用。但是这笔费用并非政府出资，也不是来源于消费者。这些资金来源于销售电力和其他能源的收益。而且，依靠传统资源会将产出从12.5TW提高到16.9TW，但这样会花费掉约一千万亿的资金，多消耗成千上万的植物，更不用说花费在健康，环境以及安全上的代价。此次WWS的计划为世界建立了一个新型的，清洁的，有效率的能源系统，从而取代陈旧的，污染且没有效率的能源系统。

　　向化石燃料征税或者用它们来反思对环境的破坏也合情合理。但是，补助勘探与开发的税收这样的现行化石能源补贴至少应该取消，从而稳定能源领域。把可替代能源推入歧途的措施，比如生物燃料的农场和生产补贴，它们比WWS能源给人的吸引力更小，而且又拖延了清洁系统的部署，因此也应该终止。从这个角度说，制定政策的立法者必需寻找方法来抵制那些已成气候的能源产业的游说。

　　最后，每个国家都要自己有意愿去投资一个健康发展的长期传输系统，它能够把大量的WWS能源从边远地区传送到能耗中心地区。通常说来，边远地区最为广阔，比如风能丰富的北美大平原和太阳能丰富的美国西南沙漠地区，而能耗中心则多是城市。在能耗高峰期间，减少消费需求也需要一种智能输电网路。有了它，发电机和用户能控制的以小时计的用电量会远远多于以往。

　　大范围内的风能、水能和太阳能系统足以供给世界需求。气候、空气质量、水质、生态和能源安全都会显著受益于此。正如我们所展示的，计划的障碍主要来自于政治，而不是技术。把电网回购与供应方减少成本的激励措施、取消化石能源补贴和智能化扩展的输电网结合起来，这种结合体就足以确保快速配电。当然，在现实世界中能源和运输行业的改变将不得不去消化现有公共设施上的失败投资。有了理性的政策，国家就能设立这样一个目标：在10到15年间，有25％的新能源供应来自WWS能源，在20到30年间，这一比例将接近100％。极端激进的政策认为：所有现存化石燃料能量可以在理论上被终止和取代；而同时期更为缓和可信的政策则认为，它们完全被替代可能要花40到50年时间。采取任何一种政策都需要领导人头脑清醒，否则国家将一直去尝试那些靠产业推动的技术，而对那些科学家调查研究的技术束之高阁。