文章轉(zhuǎn)載來源《觀察未來科技》
過去的一百年，是“輕松能源”的一百年——即用技術(shù)勘探、挖掘和利用這些礦產(chǎn)能源都很容易，因為它們不需要多么先進的創(chuàng)新。然而，地球的資源卻是有限的，到2030年人們對能源的需求還將增加兩到三倍。但不論是從氣候角度，還是能源開采方面，傳統(tǒng)能源的困境都不可忽視。
石油、天然氣和煤炭是不可再生能源，它們雖然可靠卻很昂貴，人類社會需要一個新的能源計劃。以應(yīng)對全球經(jīng)濟的人口和生產(chǎn)力需求——經(jīng)濟增長需要能源來支撐。而從源頭上更新我們所需要的能源，使之與生命系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，比如太陽能和風(fēng)能以及其他提到的能源，則是在能源領(lǐng)域擁有未來智慧的表現(xiàn)。
正在改變的能源格局
實際上，人類文明在利用能源方面一直不夠智慧且不顧未來。千百年來，人類把能源從土地或海洋里開采出來，破壞風(fēng)景以攫取煤炭，燃燒石油為我們的汽車和城市提供動力，而在這個過程中，也引起了氣候變化、污染。
一直以來，人們使用的能源，主要是化石燃料已變得越來越稀缺，成本高昂，而且對氣候的影響程度到了威脅人類生存的水平。
至于如何改變這一糟糕的現(xiàn)狀，看起來最簡單的答案就是停止燃燒石化燃料，但是，但要做到這一點非常困難。石化燃料已經(jīng)與現(xiàn)代人的生活畫上等號，它確實在為現(xiàn)代人們的生活“加油”。另一個方法則是用“更聰明”的方式經(jīng)營能源系統(tǒng)。多數(shù)能源系統(tǒng)的運作基礎(chǔ)是讓能源供給跟隨能源需求，讓供需維持穩(wěn)定平衡，電力尤其如此。
不過，想要真正解決能源危機，最重要的，還是尋找石化燃料的替代能源。就發(fā)電來說，我們可以選用低碳能源來取代石化燃料，比如可再生能源、風(fēng)力、太陽能與生質(zhì)能源，當(dāng)然還有核能。開發(fā)可以代替化石燃料的新能源也是近年來能源領(lǐng)域的趨勢所指。
從 2014 年開始推廣的國際倡議行動“RE100”就是其中一個例子。RE100 為“再生能源 （Renewable Energy）100%”的縮寫，是全球非營利組織“氣候組織”和全球環(huán)境管理認證機構(gòu)“碳揭露計劃”（Carbon Disclosure Project）主導(dǎo)的倡議，其目標(biāo)是在 2050 年之前讓企業(yè)用電 100%轉(zhuǎn)換成使用再生能源。
當(dāng)然，這個過程涉及到各種利益關(guān)系。為了掌握新及再生能源時代的霸權(quán)，各國之間的爭奪戰(zhàn)和各大企業(yè)的策略時時刻刻都在發(fā)生變化。但無庸置疑的是，人類若再不實現(xiàn)碳中和及再生能源的轉(zhuǎn)換，終將面臨能源大災(zāi)難。也就是說，轉(zhuǎn)向再生能源依然是人類面臨的首要課題。
2017 年，斯坦福大學(xué)的馬克·雅各布森教授提出了一個促進包括美國在內(nèi)的139個國家在 2050 年之前100%使用再生能源的藍圖。他利用計算機建模證明了再生能源發(fā)電優(yōu)于傳統(tǒng)能源發(fā)電，其秘訣就在于電力的儲能方式。若將儲電、儲熱、低溫儲能、儲氫設(shè)備與再生能源發(fā)電設(shè)備結(jié)合在一起，便能以干凈的再生能源供應(yīng)所有的電能。
聯(lián)合國提出的2016至2030年的永續(xù)發(fā)展目標(biāo)中，第七項目標(biāo)就是使用再生資源和能源。彭博新能源財經(jīng)的《2020新能源展望》（NEO2020）預(yù)測，在接下來的三十年，將投資于新發(fā)電設(shè)備的15萬億美元中，有80%會是太陽能、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)（ESS）等新及再生能源。此外，到了2050年，新及再生能源將為全世界提供56%的電力。
托尼·塞巴教授在《能源革命 2030》 中寫道，“石器時代會結(jié)束，并不是因為人類用盡了石頭，而是因為更優(yōu)良的技術(shù)‘青銅器’取代了石器”，當(dāng)今的能源現(xiàn)狀也是如此。除了關(guān)乎化石燃料是否枯竭，隨著再生能源的發(fā)電成本在先進技術(shù)的發(fā)展下逐漸下降，全球能源資源也必然發(fā)生變化。
能源變革的主力軍
在新的再生能源中，最值得人們關(guān)注的就是“太陽能”。
幾千年來，人類文明一直渴望利用太陽這個取之不盡、用之不竭的火球。為了擺脫化石燃料，世界也需要利用更多的太陽能。我們的這顆恒星產(chǎn)生的能量是最終到達地球的光束能量（陽光）的20億倍。然而，那些光束所提供的能量卻是世界所需能量的1萬倍以上。這意味著，從理論上講，對美國來說，僅僅覆蓋得克薩斯州1%面積的太陽能電池板就可以滿足全美所有的電力需求。換言之，太陽可以讓世界能源增長成千上萬倍。
實際上，太陽能市場自2000年起幾乎每年都成長40%以上。如果這種趨勢持續(xù)發(fā)展下去，太陽能很快就會在全球能源生產(chǎn)量中占100%。太陽能的持續(xù)增長，終將逐步取代化石燃料的市場份額。
如果中國和美國保持穩(wěn)定的需求，且發(fā)展中國家重啟因新冠疫情而被推延的太陽能計劃，2021年全球太陽光電裝置量將比前一年增加20%以上。彭博新能源財經(jīng)估算，2021年全球太陽光電裝置量規(guī)模為151吉瓦到194吉瓦。若裝置量達到194吉瓦，將有望較前一年成長45%以上。
韓國也將從新萬金的大規(guī)模計劃開始推動太陽能發(fā)電事業(yè)。為了成為碳中和國家，韓國將制訂具體目標(biāo)并付諸行動其太陽能市場規(guī)模將逐漸擴大。2020年，韓國的太陽能市場規(guī)模只有3.8吉瓦，但2021年將成長到超過4吉瓦。
如果全球經(jīng)濟能夠穩(wěn)定下來，2022年將會出現(xiàn)高達200吉瓦的太陽能需求。與2017年的需求相比，這會是五年來首次增加將近2倍。
當(dāng)前，太陽能提供了全球1/3的電力能源。到21世紀(jì)結(jié)束之前，將陽光轉(zhuǎn)化為電能、熱能和便攜式燃料可以滿足世界上大部分的能源需求。到那時，21世紀(jì)將作為人類最終馴服太陽的時代而被歷史銘記。
并且，未來的太陽能技術(shù)也將不同于在當(dāng)前的硅基太陽能光伏電池板。不可否認，如今這些光伏電池板確實在確立太陽能技術(shù)為可行能源方面發(fā)揮了重要作用，它們的成功也讓全球的投資者堅信投資清潔能源項目是安全的。當(dāng)前，這些光伏電池板，正在從最初的笨重、外形簡陋、性能極差，逐漸進化為如今的輕巧、新穎美觀，并且具備更高的光電轉(zhuǎn)化效率。到2030年，工業(yè)打印機將開始大量生產(chǎn)各種顏色和不同透明度的太陽能光伏涂層。10年后，給人們的房子涂上太陽能涂層或許將會和涂油漆一樣便宜。
雖然太陽能已經(jīng)成為能源革命的主角，但這個舞臺仍然需要配角。在21世紀(jì)，風(fēng)能呈穩(wěn)步上升的趨勢，成為太陽能的有力補充。過去十年，風(fēng)力發(fā)電推動了海洋再生能源領(lǐng)域的發(fā)展，風(fēng)能也因此被認為是能源格局的重要變革因素之一。此外，隨著各大企業(yè)加強最近成為熱門話題的ESG管理，風(fēng)能也被人們認為是生產(chǎn)綠氫的主要能源，備受人們關(guān)注。綠氫就是利用風(fēng)能電解水后產(chǎn)生的能源。
2020年，全球風(fēng)力發(fā)電安裝量較前一年增加了59.2%，以96.8吉瓦創(chuàng)下歷史新高。雖然彼時，預(yù)估風(fēng)力發(fā)電的需求會因為受到新冠疫情的影響而下降，但占全球需求60%的中國風(fēng)力發(fā)電安裝量較前一年增加了93.3%，全球風(fēng)力發(fā)電安裝量因此大幅增加。
與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的安裝量仍然不夠，發(fā)電成本和安裝成本也比較高，因此仍處于市場初期。此外，中國和美國的安裝量占全球的82.4%，風(fēng)電安裝則集中在部分地區(qū)。并且，從長期來看，風(fēng)力發(fā)電的需求仍將持續(xù)增加。彭博新能源財經(jīng)預(yù)測，全球海上風(fēng)電市場規(guī)模還將從2019年的29.1吉瓦擴大到2030年的177吉瓦。
地球上最豐富的能源來源
在能源變革的背景下，想要完全脫離化石燃料，首先就是增加對太陽能的直接利用，即增加太陽能的發(fā)電量。
研究限制氣候變化潛在方法的科學(xué)家也一致認為，到21世紀(jì)中葉，電力行業(yè)的碳排放量必須減少80%～100%。這一目標(biāo)被稱為電力行業(yè)的“深度脫碳”?？紤]到經(jīng)濟和政治因素，可再生的太陽能和風(fēng)能顯然是完成這一重任的核心選擇。
電力行業(yè)脫碳當(dāng)然也包括其他原因。一方面，清潔電力的經(jīng)濟來源已經(jīng)存在，但是如果想要取代支撐其他行業(yè)的化石燃料卻是極其困難的。比如，在工業(yè)部門，可以替代為工廠和精煉廠供熱的煤炭和天然氣，同時又價格合理的選項非常有限。在交通運輸領(lǐng)域，石油制品占據(jù)著核心地位，支配著各種出行工具能源消耗90%以上的份額。這些領(lǐng)域很少有替代燃料在商業(yè)上具備可行性。
電動汽車行業(yè)規(guī)模雖小，但一直保持持續(xù)增長的態(tài)勢，這說明，電力對運輸行業(yè)來說可能是一種可行的替代燃料。因此，電力脫碳不僅是開始減少全球能源排放的最便捷的方法，也可能是減少其他使用非電力的部門的排放量的一種方法。
另一方面，未來，電力需求還將會迅速增長。如今，世界各地已經(jīng)開始將電力應(yīng)用于過去一直依賴于其他能源載體的項目。
比如，電動發(fā)動機在車輛驅(qū)動方面取代了石油燃料；電動熱泵取代天然氣用于家庭和企業(yè)供暖；在鋼鐵生產(chǎn)中，電弧爐取代了鋼鐵生產(chǎn)過程中使用的煤炭。此外，人口增長和城市化將導(dǎo)致更多的人需要獲得現(xiàn)代能源。國際能源機構(gòu)預(yù)測，到21世紀(jì)中葉，電力需求可能會翻倍。即使在最理想的情況下，即全世界大幅度提高能源效率，電力需求也會增長80%。
到2050年，全球日益增長的電力需求將全部或幾乎全部需要零碳能源。而其中，太陽能能提供的能源多少就顯得非常關(guān)鍵。當(dāng)然，不管到21世紀(jì)中葉時，太陽能能滿足世界上多少電力供應(yīng)，一個顯而易見的事實是，太陽能滿足人類能源需求的最終潛力都不容小覷，因為它是地球上最豐富的能源來源。
當(dāng)我們預(yù)測太陽能的技術(shù)潛力，或者有多少陽光可以轉(zhuǎn)化為能量時，受環(huán)境、地理和技術(shù)限制的影響，我們可以有100多個不同的預(yù)測結(jié)果。但是即便如此，太陽能還是獨樹一幟，其技術(shù)能力足以供應(yīng)世界所需電力。
因此，在21世紀(jì)下半葉，最合理的目標(biāo)是讓太陽能成為世界上的主要能源來源，滿足世界上大部分能源需求。要達到這一目標(biāo)，需要的不僅僅是將陽光轉(zhuǎn)化為能源的太陽能光伏板，還需要將陽光轉(zhuǎn)化為便攜式燃料和熱能的方法。另外，要實現(xiàn)這一目標(biāo)還需要重新設(shè)計能源系統(tǒng)，將太陽能與世界能源需求連接起來。
實現(xiàn)這一愿景聽起來雖然遙遠而艱巨，但馬斯克對世界將實現(xiàn)這一目標(biāo)卻充滿了信心。他預(yù)言：“生產(chǎn)能源的主要方式將會是太陽能。至少太陽能會占據(jù)一個比較高的比例，從長遠來看可能會略高于50%。”
