宏伟太阳能计划——美国如何解决世界能源危机

《科学人》网站上的文章——幻想美国如何在之后的半个世纪以太阳能解决世纪能源危机（A Solar Grand Plan）

（以下表述金额皆为美金）

如今汽油及家庭供暖用油价格高涨。美国发起中东战事的原因也有保护境外石油生意的成分。再加上中国、印度及其他国家的化石燃料需求日益增加，围绕能 源的纷争日趋热化。即使在这个情况下，燃烧煤(coal)、天然气的电厂(power plant)以及铺天盖地的车辆依然持续排放着数百万吨的污染物和温室气体进入大气，从而威胁着这个星球。

尽管科学家、工程师、经济学家及政治人物们意图利用各种方法去降低化石燃料的使用量，但那是不够的。美国需要一个更庞大的计划才能从化石燃料中抽身。我们的分析促使我们承认大规模转用太阳能才是符合逻辑的方法。

太阳能的潜在能量是无法预知的。日光照射地表40分钟的能量相当于全球能量消耗1年的份量。很幸运的，美国拥有广大的疆域。西南部适合铺设太阳能装 置的地区就有超过25万平方英里，而将这片地域1年吸收的4500兆英热单位(British thermal units, Btu)的太阳辐射中的2.5%转化为电能的计划将在2006年配合国家能源消耗推出。

把国家能源来源转换到太阳能需要在大量土地上铺设太阳能电池面板(photovoltaic panel)，亦需要架设一直流电(direct-current, DC)传导中枢以便高效的在国内传输电力。

当下的技术已经达到足够水平了。接下来要在这里介绍一个可以提供美国电力69%及35%能源（包括传输）的伟大计划。这个太阳能计划将在2050年 前实施。我们计划能将这些能源以与现在普通能源的价格出售给客户，即千瓦小时(kWh)约5分。如果风能、生物能量与地热同样能完成开发则全国所有的电能 消耗和90%的其他能量消耗都能使用环保能源。

联邦政府需要投资4000亿在将来的40年才能完成2050计划。尽管需要的金额相当庞大但是回报是更大的。太阳能厂消耗的能量趋近于无，每年可以 节省约10亿。一间产生的能源相当于300间煤电厂再加300间天然气厂以及它们的运行消耗。这个计划能有效地消除对输入油的需要，能从根本上解决美国的 财政赤字并舒缓美国与中东及其他地区的外交问题。而因为太阳能厂是接近无污染的所以这个计划每年可以减少17亿吨温室气体的排放，另外由综合燃料包括太阳 能的汽车取代汽油汽车还可以再减少19亿吨由汽油车排放的污染气体。到2050年时美国的二氧化物排放将会剩下2005平均的62%，推动解决全球暖化。

太阳能发电田

过去几年在生产太阳能发电池及组件的投资相当程度上停止了，开始进入铺设阶段。虽然样式众多，但是如今最便宜的组件是由镉碲化合物(cadmium telluride)制造的薄膜。如果要在2020年达成电力每千瓦时6分钱的话，镉碲化合物转换电力的效率至少要在14%以上、而系统的安装则需要降至 1.2元每瓦容量。现在通用的组建效率约为10%系统安装费用需要4元每瓦。尽管进程的速度还需要更快，但是科技的进步已经很迅速了，过去的12个月中效 率已经从9%提升到10%。藉着它的无消耗特性加上技术逐渐改良，在屋顶上安装太阳能发电面板将成为一种有竞争价值的房屋配件，因为它可以大量减轻白天的 能源消耗。

按照我们的计划，在2050年太阳能发电技术将可以产生将近3000亿甚至3兆瓦的能量。这需要在3万平方英里建设太阳能发电厂，尽管这个数字听起 来很庞大但是架设这些远比现在在西南部架设煤炭厂和煤矿矿区要小得多。国家可再生资源实验室的研究表明西南部有比足够量还要广大的可利用区域，不包括环境 敏感区(environmentally sensitive area)、人口集中地区或地形复杂地带。亚利桑那州水土保持部门发言人Jack Lavelle曾表示该州80%的土地都非私有地且该州对太阳能源的开发很有兴趣。太阳能源可以达到对环境造成最小影响。

现在最需要的就是将组件效率提升到14%。尽管通用的组件不会使用如实验室里的材料但是如今在国家可再生资源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的镉碲化合物效率已经达到16.5%而且还在上升。同时至少第一家生产商——在俄亥俄州Perrysburg的初创公司 （First Solar）已经在2005到2007年间把组件效率从6%提升到了10%且将在2010年达到11.5%。

加压洞室(pressurized cavern)

太阳能发电最大的限制条件莫过于在阴天及夜晚只能生产微量能源。为此在晴天必须储存备用的能源以供其他时候使用。而大部分能源储存设备诸如电池等都很贵而且缺乏效率。

压缩空气能源储存是比较成功的方法之一，即让太阳能发电产生的电力将空气压缩进空旷地下洞室、废弃矿山、地下水含水层(aquifers)及废弃天 然气井中。释放这些压缩空气可以推动生产电力的涡轮机，只需要燃烧少量天然气辅助。压缩空气能源储存自1978年起已经在德国Huntorf稳定运行，阿 拉巴马州的McIntosh也在1991年加入这个行列。这些涡轮机只需要燃烧原本需要量的40%即可，而更先进的热能回收技术可以把这个值降低到 30%。

加州Palo Alto电力科学研究院研究指出现今压缩空气能源储存的成本是铅酸蓄电池的一半左右。研究同时表示这种设备会增加3或4分钱每千瓦时的太阳能发电成本，于是2020年能源价格应该是8或9分钱每千瓦时。

从西南部太阳能发电田生产出的电力经过高压直流电缆传输到遍及全国的压缩空气能源储存设施，然后由涡轮机制造全年使用的电力。要达成这样目的其关键 就是寻找适合的基地。由天然气生产商及电力科学研究院(Electric Power Research Institute)的筛选指出75%适合架设基地的地点都靠近大都市区域。确实压缩空气能源储存系统也与天然气系统有不少相似。天然气工业有8兆立方英 尺气体储存在400个地下储存库中，而我们这个计划在2050年会需要5350亿立方英尺储存空间给压缩成每立方英吋1100磅的压缩气体。这项开发会有 一定难度、需要大量的空气筒但是天然气生产商一定会有兴趣涉及这个领域的。

热盐

另一项现今可以供应大约五分之一太阳能源的是聚光太阳能发电(concentrating solar power)。在一面被计算过的长形金属镜上反射阳光到一条充满流体的管子中，被如放大镜般的效果加热后的流体经过热能转换器，生产出的蒸汽推动涡轮转 动。为了储存能量管子会被导入一充满熔盐的大型绝缘隔热罐体中以保持热效率。热能会在夜间提取形成蒸汽然后熔盐慢慢冷却。所以能源的储存需要花费一整天。

九座总发电量3.54亿瓦（MW）的聚光太阳能发电厂已经在美国持续提供电力。一座在内华达州的6.4千万瓦发电厂也已经在2007年3月开始运 作，不过这座发电厂没有蓄热。还有一座具有7小时盐储存的50MW发电厂正在西班牙兴建，还有更多的电厂在世界开工。这些电厂需要16小时来储存电力并可 以提供24小时的电能。

现有的聚光太阳能发电厂证明聚光太阳能发电是可行的，但是其成本势必需要降低。规模和持续性经济研究将有助于他们降低成本。在2006年由西部州长 协会中太阳能专责小组(Solar Task Force)提出的报告中指出聚光太阳能发电可以在2015年提供每千瓦时10美分或更低的价格如果有总发电量超过4百亿瓦的电厂进入运营。设法提高热能 转换器的温度将可提高经营效率。工程师也正在研究如何让熔盐本身成为热交换液以减少热流失及成本。但因为盐具有腐蚀性所以还需要更有弹性的管道系统。

聚光太阳能发电与太阳能电池是两种不同的技术途径。但两者都还没有完全发展，所以我们的计划让它们都能在2020年大规模部署，也给它们时间去变得成熟。然后太阳能技术也能得到进化以满足经济的要求。从中工程师可以评估两者的优缺点让投资者决定支持一方。

直流电

太阳能发电站的地理位置与国家电流供应计划是明显不同的。今日煤炭、石油、天然气和核能的发电厂遍布各地，与它们需要的资源本身距离在较近的地方。 而美国大部分的太阳能电厂将会建在西南地区而现在的交流电(AC)网络还不足以承载将这些发电站出来的能源传送到客户处，而在传输过程中将会损失大量的能 源，所以架设一种新型的高压直流电(HVDC)传输骨干是势在必行。

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)研究表明高压直流电传输将可比交流电传输减少不少消耗。而这些骨干网络将会从西南地区辐射整个国家直到当地的转换站切换成交流电然后沿着区域线路发送给当地的客户。

尽管直流电系统简而有力但是仍在在如加州等地缺乏占有率。直流电线路比交流电线路要便宜而且需要较少的土地，现今已经有约500英里的高压直流电线 路在美国稳定运行。尽管架设不需要大量先进技术但是经验的不同将会对业务产生影响。德州的西南电力联营(Southwest Power Pool)正在设计一个直流交流综合系统使在西德克萨斯州的1千亿瓦的风力发电产物能传输出去。TransCanada公司亦提出要铺设2200英里的高 压直流电线路来输送自蒙大拿州和怀俄明州的风能到南部拉斯维加斯及更远。

第一阶段：现在到2020

我们郑重考虑过如何让宏伟太阳能计划实施，从而预见两个截然不同的阶段。第一，从现在开始到2020年必须使太阳能具备竞争力也就是有大批生产的水 平。这需要政府保证提供30年的贷款和购买合约并提供价格的补贴。年度的补助从2011到2020年缓步提升让太阳能技术与竞争力拉上来，期间累计补贴总 额4亿2千万（我们稍后会解释如何支付这项草案）。

约能生产8400亿瓦的聚光太阳能发电及太阳能电池厂将会在2020年建成，与此同时直流电传输系统也有了一定基础。它将沿州际公路架设以减少土地 征用及监管的障碍。这条主干线的市场是凤凰城、拉斯维加斯、洛杉矶和圣地牙哥西至圣安东尼奥，达拉斯，休斯顿，新奥尔良，伯明翰，阿拉巴马州，坦帕，佛罗 里达州然后东起亚特兰大。

在首5年建设能产生150亿瓦的太阳能电池厂和150亿瓦的聚光太阳能发电厂将刺激商家扩大规模。在之后的5年内每年攀升500亿瓦并帮助企业优化 生产线，这样太阳能发电的价格将下降到6美分每千瓦时。这个时间表是现实的因为自1972到1987年美国核电站每年增幅就是500亿瓦，而且太阳能电厂 的架设要比其他电厂快和简单也没有对周围环境产生安全问题的疑虑。

第二阶段：2020到2050

如果这个市场刺激措施在2020年依然历久不衰，就可依然维持增长。把下一个点设定在2050年的保守进行。假设不包括技术和成本的改善在2020 年以后还维持1%的增长，到2050年太阳能发电厂将供应全美电力的69%和35%的能源。这数量包括足以供应所有3.44亿混合动力汽车的电力消耗，这 将取代对进口外国石油的依赖，并减少温室气体的排放。还能增加约300万人的就业机会，分布在研究制造太阳能组件的单位，这些空缺远多于失业量大的矿物燃 料工业。

大量减少进口石油每年将能减少3千亿美元支出，假设原油价格每桶60美元（平均价格将较现在高）。虽然一旦太阳能发电站架设了就需要维护和修理但是 作为原材料的阳光却是永远免费的，如此能持续节省燃油。而太阳能投资将提高国家能源安全、减少军队财政负担、降低抵抗全球变暖的社会成本。从人类健康问题 到被侵占的海岸线和农地等问题都能得到舒缓。

另外，太阳能宏伟计划将可降低能源消耗。即使能源的需求在以1%的年增长率增加中但尽管2006年消耗了100兆Btu2050年却可以下降到93兆Btu。这是因为在提取石油燃料的时候将会浪费燃烧，而在此计划中能限制其消耗。

为了满足2050计划的要求，将需要46000平方英里的土地来架设聚光太阳能发电及太阳能电池厂。虽然这个土地面积很庞大但是这只占有西南地区土 地的19%，这些土地大多荒芜，没有相互竞争的使用价值，而且架设电厂不会造成污染。我们假设，在2050年只有10%的太阳能会来自架设在全国各地商业 地段屋顶上的太阳能电池装置。但是随着价格的下降，这些应用将会有更大的影响。

2050年及以后

尽管预测50年以后的事情是不可能的。但是作为一个假设，我们为充分展示潜力的太阳能作了一个设想。到了2100年根据我们的计划总能源（包括运输消耗）预计会达到1.4兆Btu，是现在总发电能力的7倍。

我们保守点，估计太阳能电厂的总产量需要根据历史最差的情况来推断。在1982到1983的冬季在西南地区的太阳辐射条件及1992年和1993年 后根据1961到2005年的全国太阳辐射资料库(National Solar Radiation Data Base)摩皮纳图博火山爆发。我们不预测到时技术及材料的改善，在2020年以后的80年间一定会提升太阳能的效率、成本和储存技术。

根据这些假设，美国的能源需求可以由如下完成：2.9太瓦(terawatts, TW)的太阳能电池能源将会向传输另一端的压缩空气能源储存设施压缩7.5太瓦、2.3太瓦的聚光太阳能发电能源、及分布的1.3太瓦的太阳能电池能源。 再加上1太瓦的风力发电田、0.2太瓦的地热发电厂及0.25太瓦生物能量。该模型包括0.5太瓦的地热泵直接构筑采暖和制冷。该太阳能系统需要16万5 千平方英里的土地，这仍然少于西南地区的可用面积。

在2100年这样的可再生能源组合可以生产100%的美国电力及90%以上的美国总能源。在春季和夏季太阳能基础设施能生产足够的氢来满足90%以 上的所有运输燃料的需求，并会取代小型天然气供应用于辅助压缩空气漩涡机。加入480亿加仑的生物燃料将用于其余的运输能量。与能源有关的二氧化碳排放量 将会减少92%，即低于2005年的水平。