新能源的未來是什么樣？

新能源的建設(shè)是如何選址？如何發(fā)展新能源？這都是新能源發(fā)展的路上必須要思考的問題。

德國政府在2004年提出，要在未來20年內(nèi)，向太陽能發(fā)電的投資者提供每千瓦時0.57歐元的補貼（即上網(wǎng)電價補貼）。真不知道他們到底是怎么想的當(dāng)時使用其他能源的電力價格是每千瓦時0.20歐元；而美國2004年的平均電價是7.6美分，也就是每千瓦時0.06歐元?？梢韵胂?，在補貼的刺激下，巴伐利亞的太陽能發(fā)電站只是個開始。到2011年底時，德國的太陽能發(fā)電站的總裝機容量達到了25兆瓦，比全球總量的三分之一還多。當(dāng)一種能源剛開始得到巨額補貼時，一切都會顯得無比順利，不過它最終還是要面對現(xiàn)實。今年三月，當(dāng)?shù)聡鴩鴷弥緡娰M在歐洲排名第二時，他們通過投票，削減了各種太陽能發(fā)電補貼，最高幅度達29%。

針對新能源的大手筆補貼，并非只在德國才有，這是全世界的常態(tài)。西班牙也曾經(jīng)對風(fēng)能和太陽能發(fā)電站進行過補貼，到2010年才把對大型發(fā)電站的補貼額減少了一半。2010年12月，美國因中國向風(fēng)力發(fā)電機制造商提供的高額補貼，向世界貿(mào)易組織提起了訴訟。而在美國，得到最高政府補貼的能源產(chǎn)業(yè)既不是風(fēng)電，也不是太陽能，而是生物燃料；具體地說，是用玉米提煉的乙醇。

根據(jù)美國審計總署的數(shù)據(jù)，2011年美國對乙醇制造業(yè)的稅務(wù)補貼，一共花去了納稅人61億美元。除此之外，乙醇制造業(yè)還帶來了三項隱性支出：第一，水土流失；第二，化肥中多余的硝酸鹽會隨河流進入墨西哥灣，在沿岸形成死亡區(qū)；第三，作為世界上最大的糧食出口國，美國把40%的玉米收成用于乙醇生產(chǎn)。而最大的浪費在于，用其制造出的乙醇燃料，大多數(shù)都用于低效能的乙醇動力汽車。

也許你會說，政府補貼的出發(fā)點是好的；的確，用補貼刺激新能源發(fā)展的做法早已有之。為鼓勵勘探，政府已向石油和天然氣產(chǎn)業(yè)提供了數(shù)十年的減稅。核電的發(fā)展完全依賴于政府提供的巨額研發(fā)經(jīng)費。從1948年到2007年，核電的研發(fā)補貼幾乎占到了美國聯(lián)邦科研總支出的54%。在法國，核電獲得了國家電力公司的全力資助。沒有這些經(jīng)費支持，核電在法國絕不可能發(fā)展到今天75%的占有率。但我們必須思索，對新能源的經(jīng)濟補貼，是否能起到其支持者承諾的效果？

不要被這些新能源的支持者夸下的?？跊_昏頭腦。他們說，只需短短幾十年的時間，這些新能源就能徹底取代化石燃料，創(chuàng)造出一個可靠并綠色的無碳能源系統(tǒng)，而且價格不會高于目前最廉價的火電系統(tǒng)。這樣，我們就能及時阻止大氣中二氧化碳濃度從394ppm上升到450ppm。據(jù)氣象學(xué)家預(yù)測，當(dāng)二氧化碳濃度達到450ppm時，全球平均氣溫將會升高 2℃。我當(dāng)然希望他們的承諾都能兌現(xiàn)，但我更愿意相信清晰準確的科學(xué)分析。

被大力推動的核電。核電是第一種高度依賴政府投資和補貼發(fā)展的主要能源形式，它在美國、日本和法國不同的發(fā)展軌跡證明了這一點。

成本與規(guī)模

多年以來，種類繁多的補貼和投機取巧的商業(yè)運作推動了新能源的發(fā)展。也正因為如此，很難判斷新能源的價格到底是否已經(jīng)降至合理范圍。歐洲風(fēng)能協(xié)會和美國風(fēng)能協(xié)會都聲稱，風(fēng)電的價格已經(jīng)低于火電；而太陽能的支持者根據(jù)光伏電池成本迅速降低的走勢預(yù)測，未來太陽能電力的價格會非常低廉。

不過，另外一些分析并不支持廉價風(fēng)電的說法；同時，一些研究者考慮到，要建造太陽能發(fā)電站，不僅需要光伏電池，還需要支架、換流器、電池，以及人力。這些相關(guān)物資的費用并沒有大幅降低；因此，從2000年至今，美國的太陽能電力價格并未發(fā)生顯著改變：2000年時，太陽能電力的平均價格為每千瓦時40美分；太陽能研究機構(gòu)Solarbuzz的數(shù)據(jù)顯示，2012年，太陽能電力均價為：晴朗天氣每千瓦時28.91美分，多云天氣每千瓦時63.60美分。相比之下，2011年美國化石燃料發(fā)電的均價是每千瓦時11到12美分太陽能發(fā)電還是貴得多。大規(guī)模、廣泛普及的太陽能發(fā)電時代，離我們還是有一段距離的。

再看看發(fā)電規(guī)模。從商業(yè)應(yīng)用上看，風(fēng)力發(fā)電比太陽能發(fā)電更成熟，可是，截至2011年底，美國的風(fēng)電裝機容量為47兆瓦，只占到夏季裝機總?cè)萘康?%。由于美國風(fēng)力發(fā)電的容量系數(shù)很小，2011年美國總發(fā)電量中，風(fēng)電的比例只有3%。

從上世紀80年代的小型風(fēng)力發(fā)電機至今，風(fēng)電花了30年時間才取得了如此微小的占有率。與此相比，核電自從1957年投入使用以來，在30年內(nèi)占據(jù)了美國總發(fā)電量的20%；燃氣發(fā)電機出現(xiàn)于上世紀60年代初期，30年后，它也擁有了10%的份額。

人們對風(fēng)電的發(fā)展速度抱有一種錯誤的樂觀心態(tài)這是因為，現(xiàn)有的增長率是從一個極小的基數(shù)算起的。從2001年到2011年，全球風(fēng)力發(fā)電的總裝機量翻了6番，可是這說明不了太多問題。這種高增長率是系統(tǒng)早期發(fā)展時的典型狀態(tài)，尤其對于風(fēng)電這種主要靠補貼來刺激發(fā)展的系統(tǒng)來說，情況更是如此。風(fēng)力和太陽能發(fā)電的前景，還面臨著另一個變數(shù)：利用新的水力壓裂法，我們能夠從頁巖中開采出大量天然氣。目前，在美國和加拿大之外，這種采鉆技術(shù)還尚未被廣泛使用。不過，在歐洲、亞洲和拉丁美洲的許多國家，頁巖天然氣儲量都非常豐富，水力壓裂法的潛力可觀。法、德等國家禁止用這種方式開采天然氣，因為它可能會破壞環(huán)境。然而，任何新能源都會引發(fā)這種擔(dān)憂，甚至那些標榜著綠色的能源也是如此。此外，天然氣發(fā)電非常的高效。以燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站為例，它利用燃氣機散發(fā)的熱能來產(chǎn)生蒸汽，并用它來驅(qū)動一臺蒸汽發(fā)電機。而且，60兆瓦容量以內(nèi)的燃氣發(fā)電機組，僅用一個月的時間就能完成安裝并投入使用；同時，它們選址靈活，可以方便地接入現(xiàn)有的輸電網(wǎng)絡(luò)。

作為碳排放兩大巨頭，中國和印度的碳排放量超過了美國。圖片：Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

選址與維護

大型風(fēng)電場的選址常常會引起爭議。許多人要么不喜歡風(fēng)電機的外形，要么討厭它們的噪音，要么擔(dān)心它們對遷徙鳥群和蝙蝠的不良影響。而有些選址在近海的風(fēng)電項目也出現(xiàn)了這個問題。比如說，在馬薩諸塞州的馬薩葡萄園島，原計劃建造美國第一座近海風(fēng)力發(fā)電場，然而由于當(dāng)?shù)鼐用竦姆磳?，這個項目被擱置了數(shù)年。風(fēng)能的不連續(xù)性，使人們難以預(yù)估它在幾天內(nèi)的發(fā)電量，而大型風(fēng)電機組運作經(jīng)驗的不足，又給項目帶來了更大的不確定性。我們還需要一些時間，來了解風(fēng)力發(fā)電機在20到30年壽命里的穩(wěn)定性，以及維修費用。

另外，要利用風(fēng)力發(fā)電場的電能，我們還得鋪設(shè)大量的高壓輸電線，把它們接入電網(wǎng)。這可是一項既昂貴，又存在法律風(fēng)險的工作。

設(shè)想一下，如果大型風(fēng)力發(fā)電場都分布在風(fēng)能充足，土地遼闊的美國中部大平原，那么我們還需要鋪設(shè)幾千公里的輸電線，把電能送到東西海岸用電量大的地區(qū)。當(dāng)然，對于面積不大，和鄰國聯(lián)系緊密的國家來說，這并不算什么大問題；這也是丹麥在風(fēng)電領(lǐng)域領(lǐng)先的原因之一。

而對于美國來說，要發(fā)展風(fēng)能，不僅需要鋪設(shè)新的輸電線，還要將它們接入本就不堪重負、供不應(yīng)求的電網(wǎng)。美國土木工程師協(xié)會（American Society of Civil Engineers）在《2009年美國基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀報告》中，對美國的能源系統(tǒng)給出了D+的評級。如此差評最主要的原因在于，夏季用電高峰的電力負荷，常常讓老舊的電網(wǎng)瀕臨崩潰。想要著手提高這個評級，需要解決的不僅僅是諸多的技術(shù)難題----基礎(chǔ)設(shè)施的改造項目還常會面臨政客的反對，或是遭遇踢皮球的尷尬局面。

歐洲各國內(nèi)部的電網(wǎng)聯(lián)系比較緊密，但在推廣風(fēng)能和太陽能時，他們也有著自己的問題。不甚樂觀的經(jīng)濟前景制約了歐洲國家對新科技投資的力度。德國是歐盟最強的經(jīng)濟體，也是新能源的大力支持者，可他們面對的也絕非一片坦途。在日本福島災(zāi)難之后，德國決定逐步放棄核電，這意味著他們需要找到取代核電的新能源。在風(fēng)能和太陽能的補貼日漸減少，國內(nèi)經(jīng)濟也日益蕭條的背景下，這個問題可不是那么容易解決的。

新能源的加速發(fā)展離不開政府的主導(dǎo)，個人或企業(yè)的力量通常都遠遠不足以能夠推廣能源產(chǎn)業(yè)。然而，當(dāng)建設(shè)關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施時，就連那些經(jīng)濟實力雄厚的政府，也在日益增加的債務(wù)面前顯得有些力不從心。他們還同時需要解決醫(yī)療保險、貿(mào)易逆差、缺乏競爭力的制造業(yè)、稅收收入不足等等問題；而且，無論是歐盟還是美國政府，他們在補貼新能源的研發(fā)時，并沒有兌現(xiàn)他們經(jīng)常掛在嘴上的承諾：創(chuàng)造穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的就業(yè)機會。

新能源的最終目標在于緩解全球氣候變暖；使用風(fēng)能、太陽能和生物能源，可以減少溫室氣體的排放量。不過，由于溫室氣體具有全球效應(yīng)，新能源的實際效果也要從全球角度來考察。我們會發(fā)現(xiàn)，西方國家利用風(fēng)能和太陽能減少的二氧化碳排放量，遠遠比不上中國和印度與日俱增的煤炭燃燒量。

風(fēng)電在美國發(fā)展迅猛。但從歷史上科技的發(fā)展規(guī)律看，真正的挑戰(zhàn)還未到來。圖片：Bryan Christie Design; Data Source: Vaclav Smil

看看這些令人震驚的數(shù)據(jù)吧：從2004到2009年，美國一共增加了28兆瓦的風(fēng)電裝機量，由于容量系數(shù)不同，這相當(dāng)于不到10兆瓦的火電裝機量。與此同時，中國新增的大型火電站裝機容量，是這個數(shù)字的30倍。這些新火電站的預(yù)期壽命至少為30年之久。僅在2010年一年里，中國的二氧化碳排放量就增加了8億噸，這幾乎是美國總排放量的15%；而在這一年里，美國的風(fēng)電總發(fā)電量為950億千瓦時，按照理論推算，這只減少了6500萬噸的二氧化碳排放。另外，到2015年時，中國火電裝機容量還將增加200兆瓦，而美國的風(fēng)電裝機量將增加30兆瓦，換算為火電裝機容量則僅有15兆瓦。當(dāng)然，亞洲的煤炭消耗速度終將減緩，但即便如此，大氣中的二氧化碳濃度也不太可能控制在450ppm以下。

對于新舊能源的更迭，最被人誤解的也許就是它的速度。新能源取代舊能源是一個非常緩慢的過程----在美國，核電用了23年的時間取得了總發(fā)電量中10%的比例，而在1995年，也就是它誕生38年后，才達到了20%的份額。燃氣發(fā)電更是花了45年時間，才取得了20%的份額。

到2025年，風(fēng)力發(fā)電機將迎來30歲生日。到那時，假如它在美國的發(fā)電份額能達到15%，就已經(jīng)算是了不起的成功了。而對于太陽能的市場份額，即使是最樂觀的預(yù)測，也達不到這個比例的一半。尋找無碳能源是一項值得努力的目標；有朝一日，某些新能源終將占領(lǐng)市場。但是，想要達到這個目標，決策者不能頭腦發(fā)熱，好高騖遠。舉個不太恰當(dāng)，卻非常形象的例子：讓一輛巨大的油罐車掉頭，可不是那么容易的事。

改變當(dāng)今世界基于化石燃料的能源系統(tǒng)，是一項極其艱巨的任務(wù)。這個能源系統(tǒng)每年生產(chǎn)70億噸的硬煤和褐煤、40億噸的原油，以及3萬億立方米的天然氣，然后將它們轉(zhuǎn)化為1.4萬億瓦（※此處已更改）的電能。無數(shù)煤礦、油田和氣田、煉油廠、輸油管、各種運油車、加油站、發(fā)電廠、變壓器、輸電線，還有幾億部消耗著汽油、煤油、柴油，或是其他燃料油的引擎共同組成了世界上最龐大、最昂貴的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的建設(shè)，花費了幾代人的時間，也消耗了數(shù)十萬億美元的金錢。

因此，無論是在10年、20年還是50年的時間里，這個系統(tǒng)都不可能被徹底取代。要想建設(shè)一個具有同樣規(guī)模和可靠性的新能源系統(tǒng)，不僅需耗時數(shù)十年，還要付出巨額的開支。這將需要未來幾代工程師的共同努力。