如何用太陽能農(nóng)場解決氣候變化問題

本文討論了如何用大型太陽能發(fā)電場取代世界上所有的石油、天然氣和煤炭。

太陽能有問題

關(guān)于太陽能農(nóng)場的新聞報道展示了主題令人振奮的太陽能電池板圖片。然而，他們忽略了農(nóng)場旁邊的東西，那里通常是空的。這更有趣，因為它告訴我們這些不利于賺錢，因為如果有的話，有人會建造更多。在多年的正面消息之后，讀者可能會懷疑太陽能是否存在問題。那么讓我們來看看數(shù)字。下圖顯示了每個國家來自太陽能的總能源的百分比。請注意插圖底部刻度上的小數(shù)字。

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下圖顯示了美國的太陽能裝置和陽光照明。美國2.3%的電力來自太陽能發(fā)電場（96 / 4126 TWh/yr）；它從太陽能發(fā)電場獲得總能源的 1.0% （96 / 9205 TWh/yr）。

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如果我們查看拉斯維加斯附近地區(qū)的衛(wèi)星視圖，如下圖所示，我們只看到一小部分土地用于太陽能發(fā)電場。內(nèi)華達(dá)州有大量未使用的陽光充足的土地，太陽能電池板也很便宜；然而，這個州的大部分電力來自天然氣。這告訴我們太陽能在解決 遠(yuǎn)方消費(fèi)者的傳輸挑戰(zhàn)之前會遇到障礙。

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太陽能的現(xiàn)實

由于以下幾個障礙，太陽能農(nóng)場并不受歡迎：

間歇性：當(dāng)太陽停止發(fā)光時，光伏太陽能發(fā)電場關(guān)閉，這意味著當(dāng)太陽能關(guān)閉時，需要另一個發(fā)電站打開。擁有兩個設(shè)施是昂貴的。

協(xié)同定位過程的未充分利用：當(dāng)使用光伏太陽能為制氫等工業(yè)過程提供動力時，加工設(shè)備有大約 75% 的時間處于閑置狀態(tài)，這是成本高昂的。

光伏太陽能的儲能成本高昂：作為上述問題的補(bǔ)救措施，人們可能會考慮每天 24 小時存儲能量和供電。但是，在使用光伏太陽能時，存儲成本很高?；蛘撸谑褂眉械奶柲苋埯}時，儲存是便宜的，因為可以以很少的額外成本將已經(jīng)熱的鹽放入罐中。然而，聚光太陽能目前很昂貴。

傳輸成本高昂：典型的綠色能源傳輸方法是電線中的電力、管道中的氫氣或液氨，以及火車或輪船上的罐中的液氨。相對于將碳基發(fā)電站靠近消費(fèi)者而言，所有這些都是昂貴的。

美國綠色能源預(yù)測

美國能源信息署 （EIA） 2021 年展望報告預(yù)測，美國太陽能發(fā)電場和建筑物光伏發(fā)電量將從 2020 年的 125 TWh/年（~3%）增加到 2050 年的~1000 TWh/年（~20%），如下所示。由于各種限制，預(yù)計到 2050 年太陽能不會超過美國總電力的 20%。然而，如果工程師們讓光伏太陽能和聚光太陽能比碳基燃料更便宜，并且政府不增加對太陽能行業(yè)的干預(yù)，這種情況就會改變。

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如果仔細(xì)觀察上圖，他們可能會注意到煤炭和天然氣并沒有減少。因此，EIA 預(yù)計美國的 CO 2排放量將在未來 30 年內(nèi)保持不變。有關(guān)美國和其他國家為什么會失敗以及人們可能會怎么做的討論，請參閱實現(xiàn)零 CO 2排放的計劃。

關(guān)于太陽能的好消息

一個覆蓋內(nèi)華達(dá)州 38% 的太陽能發(fā)電廠可以提供足夠的能源來滿足美國的能源需求；并取代所有的石油、天然氣和煤炭。此外，中國的沙漠大到可以為整個中國供電，而北非的沙漠大到可以為整個歐洲供電。換句話說，土地不是問題。

24 x 365 太陽能 = PV 太陽能 + 聚光太陽能 + 熔鹽儲存 + 碳燃料

集中太陽能，如左圖所示，從太陽中獲取熱量并用它來發(fā)電。在一個典型的系統(tǒng)中，太陽加熱熔鹽，熔鹽產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動電動渦輪機(jī)?；蛘?，如右圖所示，PV 太陽能使用硅或薄膜材料將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。

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聚光太陽能可用于直接通過熱量制造東西，如將沙漠變成工廠 中所述。這很重要，因為我們需要比非生熱成本更低的生熱來制造材料；通過電力產(chǎn)生熱量的成本很高。

光伏太陽能成本低于聚光太陽能；然而，通過將已經(jīng)很熱的鹽放入罐中，聚光太陽能可以更容易地儲存能量。此外，當(dāng)惡劣天氣耗盡存儲空間時，人們可以在聚光太陽能發(fā)電廠燃燒天然氣或煤炭，以加熱熔鹽或蒸汽。這樣做的額外成本很低，因為蒸汽發(fā)生器和其他基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位。所需要做的就是添加燃料、熔爐和火花。

將PV 太陽能、聚光太陽能和碳基燃料相結(jié)合，是獲得可靠的 24 小時、一年 365 天的太陽覆蓋的最低成本方式，并減少對伴隨碳基能源轉(zhuǎn)變的需求打開，當(dāng)太陽能關(guān)閉時。

下圖所示的瓦爾扎扎特太陽能發(fā)電站是將光伏與聚光太陽能并置的示例。

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一個可以大小光伏太陽能滿足中午的需求，大小聚光太陽能來彌補(bǔ)平衡。例如，如果您在中午總共需要 1 GWe，那么 0.021 美元/千瓦時（0.67 美元/瓦）的光伏太陽能將被定為 1 GWe，并且與存儲并置的 0.049 美元/千瓦時（1.41 美元/瓦）聚光太陽能將被定為需要。聚光太陽能將在中午儲存，并在光伏太陽能無法滿足需求時提供幫助。例如，如果 33% 是 PV，66% 是集中的，那么客戶的平均成本將為 0.040 美元/千瓦時（1.16 美元/瓦）。

上述數(shù)字基于NREL對 2050 年（洛杉磯 - 中期）美國太陽能的估計成本。美元/瓦特值假設(shè)每瓦特以全功率運(yùn)行 5.3 小時/天 （22%），平均而言，這是美國西南部的典型情況。由此產(chǎn)生的 0.040 美元/千瓦時的成本類似于美國當(dāng)前的天然氣電力成本 （NREL Gas-CC-AvgCF）。

僅用太陽能農(nóng)場解決氣候變化問題

美國西南光伏太陽能發(fā)電場目前的發(fā)電成本與天然氣相似（0.040 美元/千瓦時）；然而，這只是微不足道的幫助。天然氣電力是可調(diào)度的，這意味著您可以在需要時獲得；PV是間歇性的。你不能用一個交換另一個并得到同樣的東西。您需要添加帶存儲的聚光太陽能以獲得可調(diào)度系統(tǒng)，然后該系統(tǒng)可以取代燃?xì)饣蛉济喊l(fā)電廠。據(jù) NREL 稱，在美國西南部將光伏太陽能與集中太陽能相結(jié)合，成本為 0.08 美元/千瓦時（2021 年），是天然氣發(fā)電的兩倍。換句話說，我們需要將今天的聚光太陽能和光伏太陽能的成本降低 2 倍，以擊敗基于碳的可調(diào)度電力。

可以考慮在建筑物上使用光伏而不是在農(nóng)場上使用光伏；然而，家庭光伏的成本通常是農(nóng)場光伏的 3 倍，商業(yè)建筑光伏的成本通常是農(nóng)場光伏的 2 倍，以美元/千瓦時為單位。此外，光伏建筑在太陽落山時大量使用傳輸和外部發(fā)電設(shè)備。維護(hù)這種外部設(shè)備的成本很高。從理論上講，光伏建筑應(yīng)該為“存儲”充電，因為它們在將電子推入/拉出電網(wǎng)時進(jìn)行存儲，即使它們是凈生產(chǎn)者。

有幾件事可以使太陽能發(fā)電場更可行：

降低集中太陽能的成本，如將沙漠變成工廠中所述。

降低光伏太陽能的成本，如機(jī)械化陸地光伏太陽能中所述。

降低傳輸成本，如如何降低電力傳輸成本中所述。

建立聯(lián)邦政府監(jiān)管的透明太陽能發(fā)電場區(qū)，如政府需要思考大局中所述。

增加政府對太陽能行業(yè)的干預(yù)，如如何加速綠色能源生產(chǎn)中所述。

我們能否使遠(yuǎn)程可調(diào)度太陽能比靠近消費(fèi)者的碳更便宜？我相信，如果不首先在粗略設(shè)計和成本模型上花費(fèi)數(shù)百萬美元，以便更好地了解數(shù)字，我們就無法回答這個問題。而真正讓它發(fā)揮作用可能需要數(shù)百億美元用于自動化工程和工廠。

全球太陽能農(nóng)場數(shù)學(xué)

我們現(xiàn)在將運(yùn)行數(shù)字，看看需要什么才能完全通過沙漠中的太陽能農(nóng)場解決全球范圍內(nèi)的整個氣候變化問題。換句話說，我們將計算在全球范圍內(nèi)完全取代石油、煤炭和天然氣需要多少太陽能。

我們將使用一個簡單的模型使其易于理解，并忽略能源消耗增長和不同類型能源等問題。此外，我們將假設(shè)遠(yuǎn)距離太陽能的存儲和傳輸成本低于靠近消費(fèi)者的碳選項。換句話說，這是在我們降低今天的成本之后。如果我們不實現(xiàn)這一目標(biāo)，例如太陽能發(fā)電場提供了世界能源需求的 20%，那么將以下數(shù)字乘以 20%。

世界消耗 583 EJ/yr 的熱能（例如石油、天然氣和煤炭），當(dāng)使用 35% 效率的渦輪機(jī) （583e18 * 277.8 * 35% / 1e12） 轉(zhuǎn)換時，這相當(dāng)于 56，000 TWh/yr 的電力。如果太陽能平均每天全功率運(yùn)行 5.3 小時 （（56，000 * 1e12 / （24hrs * 365days）） / （1e9 * 5.3hrs / 24hrs）），這相當(dāng)于大約 28，900 GWe 的太陽能。例如，如果每天使用 5.3 小時每平方米獲得 140W 功率，那么這將對應(yīng)于 206，000 平方公里的太陽能材料，例如 （（28，900 * 1e9 / 140W） / （1000m * 1000m））。如果該設(shè)施的 30% 被太陽能材料覆蓋，則需要 686，000 平方公里的土地 （206，000 / 30%）。

例如，如果太陽能加存儲設(shè)備的成本為 1.16 美元/瓦（0.04 美元/千瓦時，5.3 小時/天），那么全球總成本將為 33.6 噸。如果分?jǐn)偝^ 30 年（28，900 * 1e9 * $1.16 / 30yrs），這相當(dāng)于每年 $1，121B。每個國家的成本與他們在碳基系統(tǒng)上的花費(fèi)相似：美國 182 美元/年（16%），中國 272 美元/年（24%），歐洲 161 美元/年（14%） 。 如果綠色比非綠色便宜，政府就不需要為此買單，因為資本市場會放貸。

上述數(shù)字可能看起來很高；然而，它們與美國天然氣電力的當(dāng)前成本相匹配（0.04 美元/千瓦時）。使用太陽能，人們在最初建造時會付出高昂的代價，而且燃料是免費(fèi)的?；蛘?，對于碳，人們最初支付小額費(fèi)用，然后隨著時間的推移為燃料支付大額費(fèi)用。為了比較這兩者，我們看一下 LCOE $/kWh 電力成本，它結(jié)合了初始建設(shè)成本和燃料超時成本。上述 33.6T 美元的太陽能數(shù)字對應(yīng)于今天的天然氣電力成本。

全世界每年增加 131 TWh/年的太陽能。如果世界想要在 30 年內(nèi)建造足夠的太陽能來滿足當(dāng)今的能源消耗，則需要將太陽能產(chǎn)量提高 14 倍，例如 （（56，000 / 30yrs） / 131）。這就引出了一個問題，“什么會導(dǎo)致世界太陽能產(chǎn)量增加 14 倍？”

美國能源消耗量占世界總量的16%，內(nèi)華達(dá)州為28.6萬平方公里；因此，美國需要分配內(nèi)華達(dá)州的 38% 來抵消美國能源消耗總量 （686，000 * 16% / 286，000）。

上述許多數(shù)字都是粗略估計，由于各種原因，在任一方向上都可能相差兩倍。我們簡化以使其更易于遵循。

如果您想用自己的數(shù)字重新計算上述計算，請下載我們的電子表格并查看工作表“計劃”中的“使用太陽能農(nóng)場解決氣候變化問題”。

這個太大了

讀者可能會認(rèn)為上面的數(shù)字太大了（因為它們太大了）。

關(guān)于胡佛水壩、倫敦陣列風(fēng)電場和首航太陽能發(fā)電場的新聞報道沒有說明需要多少來滿足世界能源需求。隨后，世界不知道我們從石油、天然氣和煤炭中獲得了多少能源。簡短的回答是“很多”。

如果世界領(lǐng)導(dǎo)人想知道如何處理這個問題，我建議他們花更多的時間與世界上的亨利福特在一起。他們是唯一知道如何處理大規(guī)模的人，這就是。

為了更好地了解沙漠的位置，可以參考維基百科的沙漠列表。

結(jié)論

政府不需要為 206，000 平方公里的太陽能材料付費(fèi)。反而; 他們需要通過工廠大規(guī)模生產(chǎn)和自動化將光伏太陽能和聚光太陽能成本降低兩倍；降低成本的長距離輸電；然后讓市場做剩下的事情。而且，一國實施降本后，可以免費(fèi)贈送工程，為其他國家脫碳。

困難的部分是這要求政府不要停止期望其他人這樣做，而是愿意在降低成本的工程上花錢。

一個人可以分階段工作，先用小錢驗證可行性，然后再花大錢。例如，1 億美元的階段 I 開發(fā)粗略設(shè)計和成本模型，3 億美元的階段 II 進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和原型，1B 美元的階段 III 建造示范設(shè)施，而 100 美元的階段 IV 建造工廠。

不幸的是，四個階段可能需要 10 年，因為工程需要時間。

我們不知道遠(yuǎn)距離的 24 x 365 太陽能加傳輸是否可以比靠近用戶的碳更便宜；因此，政府不應(yīng)該考慮第一階段的成本降低工程來了解更多信息。

NREL 的 ATB模型預(yù)計需要 30 年時間才能獲得低于碳成本的光伏太陽能和聚光太陽能。但是，如果建造替代石油、天然氣和煤炭的大型太陽能發(fā)電場需要 20 年的時間；我們希望在 2052 年實現(xiàn)零 CO 2排放；那么我們需要在 2032 年（2052 年 - 20 年）使用比碳更便宜的聚光太陽能。

總之，政府不需要更多地參與降低大型太陽能發(fā)電場的電力和材料成本。