2018年3月13日，彭博新能源財經(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。他認為，到2040年，全球1/3的電力將由風電和太陽能發(fā)電提供，1/3的交通工具將使用電力驅動，同時，世界經(jīng)濟的發(fā)展將從每個單位能源中獲取總量達1/3的GDP。但在世界向清潔化發(fā)展邁進的進程中，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輸領域在過去15年中的巨變。曾經(jīng)，可再生能源被認為是“可以被替換”的能源類型，而今，其被認為是“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的電力將由風電和太陽能發(fā)電提供，1/3的交通工具將使用電力驅動，同時，世界經(jīng)濟將從每個單位能源中獲取總量達1/3的GDP。
事實上，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測機構的想象，同樣特朗普政府力求復活煤電的計劃似乎也難以如愿所償。
但負面消息是，即便我們正在以極快的速度向2040年“三足鼎立”的能源構架邁進，但這樣的成效仍難以達到巴黎協(xié)定所設定的目標。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)、航空等交通運輸領域，還沒有任何關于如何協(xié)調經(jīng)濟與深度脫碳并行發(fā)展的正式概念被廣泛推行。
熱負荷
當我在3月初坐下來寫這篇文章的時候，有“東方的野獸”之稱的一股冷空氣從西伯利亞席卷至英國，覆蓋著整個大不列顛半島的積雪使氣溫遠低于冰點。當然這種情況并不經(jīng)常發(fā)生，也許每十年發(fā)生1次或2次，但對于任何一個思考能源未來發(fā)展的人來說，這無疑是一個真正的挑戰(zhàn)——英國經(jīng)濟發(fā)展中任何深度脫碳的解決方案都是關于如何應對這頭來自東方的“野獸”。
即使是在正常年份，英國冬季的熱負荷（夏季的幾個月份幾乎為零）都將達到峰值——這是該國電力負荷的六倍，并且熱負荷曲線幾天內就能上下循環(huán)三次。
如果計劃依賴于電氣化實現(xiàn)零碳供暖，不僅需要考慮更換國內所有鍋爐和商業(yè)暖通空調系統(tǒng)、電暖器和熱泵，所需的巨大成本，同時，還要考慮到發(fā)電能力、電網(wǎng)基礎設施和電力儲存方面所需的投資。在2016年政策交易所估算該筆費用將高達3000億英鎊(按當前匯率計算為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量，并且根據(jù)電池成本的下降曲線，即便是電池化學在短期內還未有突破性進展，這樣的組合都更具經(jīng)濟性和環(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)電投資設有稅收抵免，但補貼的缺失仍是光伏發(fā)電發(fā)展的一個制約因素。
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，但其卻并不能完全承擔英國全境的供暖需求。當然，特高壓直流輸電技術使得從南歐或非洲等地遠距離輸送電力到英國得以實現(xiàn)，但特高壓直流線路的成本，以及伴生的可能存在的風險等都需要審慎考慮。
那么改用風電？其輸出功率在冬季明顯提升，符合供暖需求曲線，但風電的間歇期有可能會持續(xù)幾天甚至幾周，并通常出現(xiàn)在低溫天氣。因此風電配儲能的經(jīng)濟性和技術要求顯然與光伏配儲能不可相提并論。
盡管彭博新能源財經(jīng)預測，全球的電池安裝量都在迅速增長，但到2030年，所有與電網(wǎng)相連的電池總容量僅可滿足全球7.5分鐘的電力需求；即便將每輛電動汽車和輕型卡車的電池容量都算在內，也僅可以滿足幾個小時的電力供應——不是幾天，不是幾周，更不是幾個月。然而，這僅僅是與用電負荷作比較，而英國的熱負荷是電負荷的6倍。
當然，將不同的可再生能源有機結合將對深度脫碳提供很大幫助。從理論上講，可以建立一個充分利用任何可調度的可再生能源的系統(tǒng)，主要以生物質發(fā)電和水電來為風能和太陽能的間歇作補充，這其中也包含有電儲能，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，發(fā)電成本也會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)電的學者指出，由21位專家學者提出的，將美國現(xiàn)有的水電資源利用率提升15倍，作為低風速和低光照時期的備用電力，其不菲的成本將大大降低此項舉措的經(jīng)濟性和可行性。
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？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現(xiàn)深度脫碳。
建筑能效
首先，我們都需要開始認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計。提高能效并不需要給建筑增加太多的建設成本，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式（PassivHaus）房屋建筑標準，然而十年后，幾乎所有的新建建筑都在通用這個標準。實際上，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。這只需要應用我們所熟知的技術和技巧。
雖然老房翻新困難重重，但重要的是，任何時候一個建筑物進行深度改造，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年內的供暖挑戰(zhàn)將被削弱近半——更多的供熱負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。
同時還有其他新技術——很多創(chuàng)新型新技術研發(fā)公司正在致力于熱電池、相變材料的使用、鹽的利用，以及智慧熱力學等技術的研發(fā)，甚至是混凝土保溫水箱。Drake’s太陽能社區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了冬季95%的供暖需求由夏季采集的太陽能進行供給。
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。因為這些物質比電力更容易大規(guī)模地儲存，以應對季節(jié)性和彈性需求。電力總是需要借助工業(yè)技術達到一定周期內的實時平衡，但關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，很大一部分供暖負荷是通過沼氣或生物質來滿足，而實踐證明，最有效的方式是熱電聯(lián)產(chǎn)。
雖然在現(xiàn)有的社區(qū)很難增設區(qū)域供暖，但是該項技術在瑞典已經(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汽車充電，那么，結合新的基于生物質的熱電聯(lián)產(chǎn)，配以大容量的電池儲能滿足本地的供熱需求，以提供電網(wǎng)服務和提高能源密集型行業(yè)的恢復能力為目標，同時減少對配電網(wǎng)的投資需求，是否會成為未來的發(fā)展趨勢呢？
氫能利用
當沒有充足的沼氣供應，化石能源仍是運行熱電聯(lián)產(chǎn)的不二選擇，它的效率可高達85%，但不是“零”碳。
若想達到化石能源零碳排放，則需要使用碳捕獲和儲存（CCS）技術。但需要明確的是，在沒有碳價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)具有強大的吸引力，即使是在有碳價格的制度存在下，對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)彭博新能源財經(jīng)的預測，電池電動汽車可以在有充足電力供應的條件下，滿足用戶對于出行的任何需求，并且在未來五六年沒有補貼的情況下，其對于用戶而言，在市場上仍然具有與大多數(shù)內燃機交通工具相比極佳的成本競爭優(yōu)勢。
那么又為什么要浪費一半的電力來進行電解氫，壓縮并儲存，用以氫燃料汽車的用能呢？如果只關心充電的時長，那么對于習慣于長途駕駛，并利用夜間充電的美國人來說，這基本上不算是個問題。因為大多數(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出現(xiàn)的為時僅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，基本均采用電來驅動。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)出其所具有的價值和意義。
事實上，即使是出于季節(jié)性儲存等其他原因而生產(chǎn)了氫氣，那么相較于直接將其儲存在氫燃料汽車里，將氫能用于集中發(fā)電或是給電動汽車充電也許會更具意義。因為這樣做的話，不僅可以降低每兆瓦的綜合成本，提高能效，并且可以利用余熱從中獲取額外的價值。也因此，與氫能站的稀缺相比，電網(wǎng)相對健全且無處不在，同時燃料電池車輛的復雜性，使得電動汽車的簡單性、維護成本相對較低、安全性較高等優(yōu)勢更加凸顯。
盡管如此，我對氫能的發(fā)展前景依然看好。因為其是應對長期儲存挑戰(zhàn)最有優(yōu)勢的方法之一，其可以超越電池以分鐘、小時或天的儲存計量效果，亦或者是抽水蓄能電站對于地點的限制。它可以以氫的方式進行儲存，或融入現(xiàn)有的天然氣系統(tǒng)，或轉換成氨、天然氣、甲醇或一些高價值的合成液體燃料。
氫可以為依賴于穩(wěn)定電力供應的行業(yè)，比如制陶業(yè)等用電量巨大的工業(yè)提供可靠電力供應。我們目前需要做的，是進一步探索氫能在化工等領域的廣泛用途，而不是僅僅將其定義為交通運輸?shù)娜剂稀?/p>
氫的清潔程度取決于它的生產(chǎn)過程。目前，最經(jīng)濟的方法是蒸汽甲烷重組(利用熱和催化劑來制氫)。然而，就像天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)一樣，除非可以有效捕獲在重組過程中釋放出來的二氧化碳并將其隔離，否則小型反應裝置（SMR）制氫在深度脫碳系統(tǒng)中并沒有發(fā)揮太大價值。但當SMR制氫系統(tǒng)利用天然氣進行操作，將大幅提高能效，并減少對新建基礎設施的要求。
第二種主要的制氫方法是通過電解。當然，利用的是來自于生物質發(fā)電的電能，太陽能發(fā)電的電力進行電解仍處于探索階段。目前普遍存在一種認知——電解是有效利用過剩風電和太陽能電的一種完美解決方式，但這也可能存在一定的誤區(qū)。電解，加上壓縮、儲存和運輸過程所需的相關設備，或將氫轉化為更高價值原料所需的設備，都需要大量的資本投入。
即使設備的成本不斷下降，并且發(fā)展的趨勢也將要大幅度削減生產(chǎn)及設備成本，但7天24小時不間斷地運行所節(jié)約的成本總好過斷斷續(xù)續(xù)地運行。同樣地，利用富余的可再生能源電力推進脫碳化進程，表面上看是另一種有效利用富余可再生能源發(fā)電的方式，實際上是以可再生能源替代資本密集型產(chǎn)業(yè)的過程。從目前情況來看，制氫的最經(jīng)濟的途徑是利用可再生能源中的光伏電力，并輔以電池即可實現(xiàn)電力的不間斷供應。例如由荷蘭實現(xiàn)的人造島嶼，都是得益于這些“高容量”因素。
同樣，太陽能熱的發(fā)展也大有前途，有效的利用余熱來驅動高溫電解，將大大降低對電力的需求。相對于目前實施的碳價格約束機制而言，高溫電解不失為一個優(yōu)秀的解決方案。電解過程中產(chǎn)生的氧氣可以用于天然氣的燃燒，同時在過程中產(chǎn)生的近純二氧化碳排放流，可以在隔離前直接用于Allam循環(huán)渦輪機發(fā)電。因此，利用余熱驅動高溫電解，可以實現(xiàn)天然氣輸入，氫、電以及水的輸出，同時二氧化碳以盡可能低的成本被有效捕獲隔離。
考量核電發(fā)展
在深度脫碳的選擇路徑上，核能的利用是另一種不得不被提及的有效方法。目前，在世界所有的零碳發(fā)電類型中，核能占比28%。2017年法國電力生產(chǎn)的總碳強度約估為65克/千瓦時二氧化碳當量，而德國為488克/千瓦時(不包括生物質)。
盡管德國正在實施著名的“能源過渡計劃”，但該國仍有可能達不到其2020年氣候目標，這與其決定退出現(xiàn)有的核電站密切相關。歐洲其他國家，比如英國仍在啟用核電站，該國則更有可能完成其2020年氣候目標。當我們認真對待氣候變化這一議題時，我們則應該保持現(xiàn)有的、安全的核電站繼續(xù)運轉，而不是過早地、冒然地退出核電產(chǎn)能。
但對于是否應該新建核電站，仍值得討論。據(jù)估計，HinkleyC電站獲得了300億英鎊的補貼，而Flamanville,Olkiluoto,Vogtle,VCSummer和其他新建核電項目的延遲和超期運行都不容樂觀。即便是在中國和印度，兩國正在以供應鏈允許的速度建設核電站，但可再生能源產(chǎn)出的增長速度仍快于核能。
幾乎可以肯定的是，當前一代核技術在深度脫碳的未來中并沒有顯著的地位。然而根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年僅在美國和加拿大，就有近50家公司籌集了超過13億美元的私募基金，準備開啟新的核電站建設計劃。目前幾乎所有關于小型反應堆的研究都是圍繞靈活性、模塊化和破損安全性的研究。換句話說，即使是在最糟糕的情況下，在電力和工作人員完全缺失的情況下，小型反應堆也會安全關閉，而不是熔化或爆炸。當然，目前世界各地還有許多其他更具有競爭性的設計。
有待觀察的是，這些所謂的第四代核電設計能否生產(chǎn)出具有成本競爭力的電力5美分/千瓦時的可調配零碳電力將更具市場，而15美分/千瓦時的價格則完全不具備市場競爭力。
目前世界上有太多具有經(jīng)濟性的電源來滿足電力需求，如前所述，“三足鼎立”的能源系統(tǒng)并不會坐等下一代核能的生產(chǎn)回報。該系統(tǒng)因具有儲能(經(jīng)濟性)和需求響應的形式而具有強大的靈活性，因此，大量的“基礎成本可再生能源”——即2~4美分/千瓦時甚至更低價格的電力，將不可阻擋地滲透于整個電力系統(tǒng)。
“現(xiàn)代生態(tài)科學家”主張推進核能的使用，這將不會對風電和光伏發(fā)電產(chǎn)生實質性的威脅。但核能在未來“三足鼎立”的能源系統(tǒng)中的定位和作用值得思考。其中一個很重要的角色是制氫。作為電解電源，與風電和光伏發(fā)電相比，核能具有兩大優(yōu)勢：首先，核能可以為電解過程提供持續(xù)不間斷的電力供應；其次，核電的生產(chǎn)過程會產(chǎn)生余熱，可以被利用于高溫電解。
其實，在未來“三足鼎立”的能源系統(tǒng)中，核電所產(chǎn)生的熱能是其立足的秘密武器。目前還沒有任何其他零碳能源的生產(chǎn)規(guī)?？梢耘c之匹敵，包括地熱和生物質。事實上，中國一直在考慮使用小型核反應堆進行區(qū)域供熱。
反對核能的人總是會以核擴散、廢物處理和退役成本為論點質疑核能，其實這些都是合理的擔憂，但是核能對未來深度脫碳可以作出的貢獻也不能忽視。
機遇期
事實上，這篇文章的立意并不是在于如何勾畫超越“三足鼎立”能源系統(tǒng)的藍圖，或者是給出實施深度脫碳的具體實施路徑。任何關于未來30年技術發(fā)展的預測都有可能脫離現(xiàn)實，而如何正確運用和理解目前多變性能源和規(guī)模發(fā)展的機遇才是目前開展深度脫碳工作的關鍵。
在過去15年中，我們目睹了世界能源和交通運輸領域走向清潔化的幾個關鍵節(jié)點——2004年，可再生能源實現(xiàn)了爆發(fā)式增長；2008年，世界電力系統(tǒng)開始走向數(shù)字化；2012年，電動汽車取代輕型地面交通工具。而時至今日，那些曾經(jīng)“抵制”變革的行業(yè)——重型陸運、工業(yè)、化工、熱能、航空和航運、農業(yè)，將會一個接一個地，或者更有可能形成一個緊密耦合的系統(tǒng)，在未來的幾十年里逐步走向清潔化，并將會在超高效工業(yè)流程、互聯(lián)和共享的車輛、航空運輸?shù)碾姎饣?、精準農業(yè)、食品科學、合成燃料、工業(yè)生物化學、石墨烯和氣凝膠等新材料、能源和基礎設施區(qū)塊鏈、添加劑制造、零碳建筑材料、小型核聚變等領域取得驚人的進展。
這些技術在當今可能并不具有成本競爭力，但未來它們的發(fā)展都將得益于風能、太陽能和電池領域發(fā)展所取得的成果。此外，就像無處不在的傳感器、云和網(wǎng)格邊緣計算、大數(shù)據(jù)和機器學習一樣，它們也將為能源、交通和工業(yè)部門帶來巨大的變革，使得待開發(fā)的能源得到更加有效的利用。借用馬克˙安德烈森（MarcAndreesen）的話來說，“軟件將吃掉效率低下的產(chǎn)品?！?/p>
可以預見的是，最終清潔技術的發(fā)展將超過目前化石燃料技術所取得的成就。它們甚至不需要碳價格的約束，便可以釋放出更多的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
而可再生能源的發(fā)展真正需要的是一套具有連續(xù)性的政府支持政策——涵蓋研發(fā)、標準、稅收、貿易政策和政府采購，以此來減少摩擦、消除統(tǒng)籌風險，以此來幫助可再生能源克服在發(fā)展道路上可能出現(xiàn)的問題，還原其成本競爭力?，旣惏材权B馬祖卡托(Marianna Mazzucato)稱之為“以使命為導向”的創(chuàng)新，在這個方面，英國政府稱將其稱之為“清潔發(fā)展戰(zhàn)略”。
所以，無論是努力走向“三足鼎立”的世界，還是試圖弄清楚接下來會發(fā)生什么，目前我們正處在一個無與倫比的機遇期。那些押注正確的國家、企業(yè)和投資者必將獲得豐厚的回報。