到2050年,我们能否依靠风能、太阳能和水能满足所有的电力需求?
实现100%可再生能源发电

文/靳 强

为了抑制全球气候变暖,我们需要在21世纪中叶将碳排放量控制到接近为零。因此,尽快摆脱对化石燃料的依赖,已是大势所趋。
大多数科学家都同意弃用化石燃料,但对于如何做到这一点,难以达成共识。利用核裂变技术,成本昂贵且争议不小;模仿太阳中的核聚变反应,这种做法遥不可及。
在过去的十多年里,可再生能源技术得到突飞猛进的发展。近期,能源专家展开了一场激烈的辩论,讨论当下100%可再生能源发电是否可行,以及如果可行,又该如何实现。美国加利福尼亚大学伯克利分校的能源研究员丹尼尔·科曼说:“即使技术允许,也不代表实际操作可行。”尽管如此,我们努力的方向和面临的障碍都愈发明朗了。

势不可挡的可再生能源
近年来,可再生能源的“势头”越来越大,相关装置的数量也在飙升。2017年,可再生能源发电量占到全球发电量净增加值的70%。其中, 全球太阳能装机量共计增加了98吉瓦(一半以上来自我国),位居所有能源之首。
美国加利福尼亚州超过30%的电力是由可再生能源提供的,预计这一比例将在2050年提升至50%。德国计划在2050年前,实现可再生能源发电量占全国总发电量的80%以上。一些石油和天然气大国也雄心勃勃地制订了目标,比如,阿拉伯联合酋长国计划到2050年,可再生能源将提供全国44%的能源需求量。
这些计划看似完美,其实还远远不够。应对气候变化不仅需要改变发电方式,使用化石燃料的各个行业(如运输业、供暖业、重工业等)都有待调整。国际能源机构(IEA)表示,为实现将全球变暖控制在2℃以内(相对工业化以前)的目标,在全面提高能源效率后,我们应尽量以耗电设备取代耗油设备,这可能是目前为止最经济有效的做法。
然而,这项刚启动的任务,异常艰巨。即使只把依赖化石燃料的几个行业纳入电网,工程量也是巨大的。目前,世界上只有25%的电力来自可再生能源。
能源发电的转变也面临着巨大的经济挑战。首先,可再生能源发电的安装成本非常高;其次,随着传统工业(依赖化石燃料)提供岗位的减少,大量工人将面临失业,导致电力交易方式发生改变。最终,可再生能源通过化石燃料削减和避免环境灾难来实现经济效益。
2015年,美国斯坦福大学的马克·雅各布森发布蓝图:美国到2050年将完全实现利用风能、水能、太阳能来发电,并满足整个国家的能源需求。随后,他和团队又分析了139个国家(这些国家产生了全球99%的二氧化碳排放量)的相关数据,“量身打造”2050年实现100%可再生能源发电的可行性计划。

不完美的可再生能源
并非所有人都信服雅各布森的观点。2017年夏天,活力新能源公司的创始人克里斯托弗·克拉克及其研究团队,发表了一篇尖锐的反驳文章,称雅各布森的计划是不可信、不科学的猜想。
其实,关于“是否提高可再生能源占比”,已经引发了广泛的争论。毕竟,风会停止,太阳会下山,每个季度的风能、太阳能均有差异,而可再生能源的供应量有可能在能源需求高峰期呈现大幅下降。
通过调整电网来应对可再生能源供应量的波动,也许是有效措施。不过,美国夏威夷电力公司的计算模型显示,当可再生能源发电占比超过70%时,其波动性将会对电网的正常运转造成挑战。
这种波动性所带来的隐患,恰恰是克拉克及其团队不愿放弃低碳发电方式的主要原因。但是,低碳发电设备的建造成本和运营成本非常高,尤其是核电还得不到公众的支持。
因此,对大多数能源公司来说,除了提高可再生能源的占比外,别无选择。意大利国家电力公司的负责人西奥拉表示:“任何不可再生的事物都没有未来。”既然前方的障碍已经清晰,那我们该如何克服呢?

令人振奋的电气化
实现100%可再生能源发电,是减少碳排放的重要措施之一,也是一项巨大的挑战。
普及电动车,相对来说容易实施。毕竟电动车的优势已经呈现:与汽油发动机相比,电动机的驱动力更高效;锂电池的成本在降低,耐用性在提升。目前,全球电动车的销售量呈指数型上升。英、法等国计划于2040年前禁止使用汽油车、柴油车。不过,货运卡车比一般汽车更难用电动车替代。
依赖天然气的设备,电气化仍然比较棘手,毕竟天然气是一种便捷的供热方式。不过有一个解决方案:将电能转换为氢气和合成甲烷燃料。重工业也有可能靠氢气运转。瑞典正在设计全球第一座由可再生氢气驱动的钢铁厂。
我国近年来的电气化进展令人惊喜,2016年,我国电能占全国总能源的比例从2000年的11%增加到了22%,预计到2050年将超过50%。

成功案例
越来越多的国家正在制订可再生能源目标。与此同时,有些国家已经实现100%可再生能源运行电网。通常,这些国家有着极大的地理优势,不过也受其他因素影响。比如,哥斯达黎加和挪威,其山区地形和多雨气候为水力发电提供了条件;多火山的冰岛,坐享水力发电和地热能的双重优势。
然而,真正值得关注的“引领者”,是那些虽然地理条件欠佳,但是正在加速发展可再生能源的国家。比如丹麦,其风力发电的比例,从1990年的不足5%提高到如今的40%以上,预计2035年将实现100%可再生能源供电、供暖。这种加速转型主要归功于人们环保意识的增强。长期以来,人们就气候变化问题达成共识,为推动能源政策转型奠定了基础。
美国夏威夷州正在努力实现100%可再生能源发电。与丹麦一样,夏威夷州人口较少且凝聚力高,促使夏威夷州比美国其他州的民众更容易达成一致,积极实现目标。当然,进口石油的高昂价格也变相推动了项目的顺利实施。
从这些案例中不难发现,对于更具多样化、面积更大的区域,努力创建共识是成功的关键。

(本文作者靳强,博士,上海交通大学环境科学与工程学院研究员、博士生导师,从事工程技术的可持续性分析,近三年发表SCI论文10余篇)

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

 
《科学画报》2019© 版权所有 沪ICP备05024827号