光伏能火多久？底層邏輯在這里

01碳中和第一主角當清潔能源消費占到未來能源消費的80%以上時，太陽能、風能、水能、核能、氫能以及生物質能將扮演重要的角色。但是，哪一種能源會是其中的支柱？答案無疑是太陽能。太陽能無處不在，總量巨大。人們可以以極低的成本，獲取這一零排放零污染的永續(xù)清潔能源。我們先看看其他清潔能源。風能相對于傳統(tǒng)的化石能源，風能在能源供給的過程中不會產(chǎn)生溫室氣體，并且風能作為自然界中的一種可再生能源，可以源源不斷地為人類提供龐大的能源補充。全球風能不但儲備極為豐富，而且分布廣泛，幾乎涉及所有的國家和地區(qū)。由于風能技術相對簡單，不會因為制造材質等因素影響轉換效率，因此從20世紀70年代開始，風能是新能源領域中發(fā)展最快、裝機容量占比最大的能源。目前，全球最大的風力發(fā)電機組是位于丹麥的“V164”：220米高的主體，搭配三個80米長的葉片，一天的發(fā)電量就足以滿足當?shù)財?shù)百戶家庭一個月的用電量需求。海上風電是未來風電的重要發(fā)展方向。但是，風能也有間歇性和不穩(wěn)定性的缺點，有風與沒風、風大與風小在發(fā)電功效上存在很大的差異。這導致風力發(fā)電無法根據(jù)需求增減發(fā)電，必須與其他的電力來源或儲存設施一起使用，提供范圍內的能源補充和替代，才能保障電力的穩(wěn)定供應。同時，風力發(fā)電對電站建設的地域要求更高，且以大型電站建設為主，不適合進行分布式布置。不過，瑕不掩瑜，在未來的能源體系中，風能必然會占據(jù)一席之地。水能水能的特點包括廉價與清潔，既可以用于發(fā)電，也能轉換為機械能做功，是所有可再生能源中歷史最悠久、技術最成熟、適用最廣泛的一種能源?？傃b機容量高達22.5GW的三峽水電站，這是目前世界上最大的水電站。水資源的開發(fā)利用從表面上看清潔無污染，卻會對周圍的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。埃及阿斯旺大壩于20世紀70年代初竣工，一度是埃及人引以為傲的能源工程，不僅解決了當?shù)赜昙竞秃导舅Y源分布不均的問題，還為國家提供了廉價的電力，使得工業(yè)發(fā)展進而實現(xiàn)工業(yè)化成為可能。但隨著時間的推移，阿斯旺大壩對尼羅河流域生態(tài)平衡的影響逐漸顯露。在上游蓄水的同時，大量富含養(yǎng)料的泥沙沃土也被鎖在了上游，下游和沿岸土壤出現(xiàn)大規(guī)模鹽漬化，河口三角洲的面積嚴重縮小；庫區(qū)則沉淀了大量富含微生物的淤泥，使得藻類及浮游生物瘋狂生長，水質嚴重惡化，依河而居的居民的健康受到損害。這不是個例，肯尼亞的姆韋亞水電站、我國臺灣的美濃水庫都存在不同程度的生態(tài)破壞情況。不少環(huán)保人士和團體也因此反對興建大型水電站。不過，縱觀全球經(jīng)驗，幾乎所有的國家都在積極開發(fā)利用水能，所以水電站在目前的能源體系中占據(jù)重要地位。核能與其他能源相比，核能有數(shù)不盡的優(yōu)勢。能量高、清潔、穩(wěn)定。20世紀下半葉，有技術能力支撐的國家開始爭先恐后地發(fā)展核能，其中70年代的裝機容量增長量超過700%。但1986年切爾諾貝利事件打破了核能神話。8噸多的強輻射物質泄漏，產(chǎn)生相當于500顆二戰(zhàn)時美國向日本投放的原子彈的核輻射強度，包括俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭在內的6萬平方千米的土地被污染，數(shù)萬人不幸遇難，更多人由于放射性物質的影響患上了癌癥。切爾諾貝利事件引起了世界各國對核電的反思，公眾開始反對核電，部分國家停止核電廠的建設，全球核能市場首次出現(xiàn)萎縮。在20世紀90年代，其增速甚至不足5%。2011年3月，地震引發(fā)的日本福島核泄漏事故再次為人類敲響警鐘。德國、瑞士、意大利先后宣布退出核電布局，法國、韓國也開始逐步減少未來核電的規(guī)劃布局。由于核裂變技術存在巨大的安全風險，人們將未來核能的應用投向了核聚變技術。但要實現(xiàn)可控的核能技術發(fā)電，在應用上十分困難，因為核聚變發(fā)電的兩大難點是上億度的點火溫度和長時間穩(wěn)定地約束運行。如果要實現(xiàn)大規(guī)模應用，至少還需要半個世紀的探索，也許在21世紀末核聚變技術能夠走出實驗室。生物質能生物質能具有資源量大、燃燒可控、能源質量高的特點。自20世紀90年代以來，生物質能在農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家得到了廣泛發(fā)展。巴西一直著力研究以甘蔗為主要原料的生物液體路徑，在21世紀初一躍成為生物液體燃料大國；歐洲通過政策補貼以鼓勵生物質能的發(fā)展；美國在2009年生產(chǎn)出117.84億千克的大豆，用于生產(chǎn)生物質燃料。但2010年以后，行業(yè)內關于生物質能的討論聲越來越小，主要原因在于獲取生物質燃料需要耕種。在耕種空間增長極為有限的情況下，如果依然發(fā)展生物質能，勢必會和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生利益沖突。從經(jīng)濟效益角度來說，同樣面積的土地用于種植糧食的收益遠不如用于種植生物質燃料，資本做何選擇不言而喻。長此以往，會在能源問題上衍生出更多的矛盾。另外，從能源利用效率來看，生物質能并不經(jīng)濟。此外，秸稈、垃圾、沼氣燃燒產(chǎn)生的溫室氣體并不比傳統(tǒng)化石能源少，生物質能的應用只能解決能源可持續(xù)問題，面對環(huán)境問題仍顯得力不從心。在未來的能源體系中，以垃圾焚燒發(fā)電、沼氣燃燒發(fā)電、乙醇汽油為代表的生物質能會繼續(xù)發(fā)展，但絕對不是主流。氫能氫能好處眾多：氫氣燃燒后的產(chǎn)物只有水，清潔無污染；隨著電解水制綠氫的技術日益成熟，氫能可以被看作一種取之不盡、用之不竭的可再生能源；氫的發(fā)熱值極高，燃燒1千克的氫氣能釋放出1.4×108焦耳的熱量，是同質量天然氣的兩倍左右。如果可以在交通工具上普及，全球交通的碳排放將得到極大的遏制。2019年，氫能首次被寫入《政府工作報告》。在“雙碳”目標的驅使下，氫能更是迅速躋身能源革命的熱門賽道，甚至被譽為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。中國氫能?lián)盟預計到2030年和2050年，中國氫氣終端能源占比分別達5%和10%以上。但是，氫能也有不小的局限。首先，氫能是二次能源，并非一次能源，它需要通過其他能源制取。其次，氫氣的體積能量密度小是致命缺點。如果要增大體積能量密度，就需要增加壓力，使用特制的儲氫罐儲存。這無疑又會增加氫氣的應用成本和阻力。另外，氫氣相比于其他氣體十分容易泄漏，使用和儲存起來比其他氣體更困難，特別是在相對封閉的空間內，比如地下停車場、倉庫，一旦泄漏很容易發(fā)生爆炸。為了達到安全標準，加氫站需要選在遠離鬧市區(qū)、空曠的地方，配備特殊的安全設備，建設成本相當高。這些限制條件都為氫能及氫能汽車的發(fā)展蒙上了陰影。從上游的制氫到中游的運氫、儲氫，再到終端的氫站建設、氫能汽車應用，以氫為核心的能源體系面臨重重困難。正因如此，特斯拉CEO馬斯克公開向媒體稱：“燃料電池沒有未來?！倍鴼淙剂想姵鼐褪邱R斯克所言“燃料電池”的主要產(chǎn)品。所以，雖然氫能一直是能源市場中人們關注的重點，但時至今日，除了運載火箭實現(xiàn)了氫燃料的大規(guī)模應用，依然是一種相對邊緣化的能源。但可以預見，隨著新一輪碳中和的熱潮，氫能將繼續(xù)得到發(fā)展，作為二次甚至三次能源，將擔任重要的配角。通過比較以上五種新能源的優(yōu)劣勢，可以大致推測出它們在未來能源體系中的占比：風能>水能>氫能>核能>生物質能。但在實現(xiàn)碳中和的道路上，能夠真正充當主角的能源，應該是路徑最短、轉換效率最高、利用相對最方便的太陽能。02主角的優(yōu)勢本質上，不論是傳統(tǒng)的化石能源，還是風能、水能、生物質能等新能源，都沒有跳脫出太陽本身，只是太陽能的不同表現(xiàn)形式。既然太陽能無處不在，那么將分散的能量匯集起來，正是人類未來能源的主要來源之一。但我們此處所講的太陽能，是指太陽輻射能的光電、光熱和光化學的直接轉化。特別是光電轉化，即太陽能光伏發(fā)電，是最有前景的能源技術。第一，技術原理最先進。太陽能光伏發(fā)電的原理相比于其他能源則更為簡便快捷?；茉葱枰ㄟ^燃燒，先轉化為熱能，然后轉化為電能。風能、水能需要將風與水的動能轉化為機械能，再轉化為電能。而太陽能是從光子運動直接轉化為電子遠動，是從光到電的直接轉化。這意味著光伏發(fā)電的原理最簡單、先進。第二，總量巨大。據(jù)估計，地球表面每日接收的太陽能相當于1億桶石油所生產(chǎn)的能量，甚至太陽只要照射地球一小時，所積蓄的能量就足以供人類消費一年。而且，這個巨大的火球已沸騰近50億年。據(jù)物理學家預測，太陽的壽命約為100億年，因此太陽還能照耀地球50億年之久。太陽能幾乎就是“永恒能源”。第三，分布廣。“陽光普照”一詞將太陽能的屬性描述得尤為精準。相比其他能源，太陽能是最易獲得、最公平的能源。我國全年日照時數(shù)大于2000小時的地區(qū)占國土總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。這一點就連以“分布廣”著稱的風能都無法媲美，更不用說石油、煤炭等傳統(tǒng)能源了。第四，光伏發(fā)電最重要原材料的“硅”，也十分豐富。我國硅資源豐富，青藏高原東北部、江蘇東海、河南偃師、寧夏石嘴山、湖北宜昌、四川樂山及廣元、云南昭通等地區(qū)都存在儲量達千萬噸甚至億噸以上的巨型硅礦，同時全國各地幾乎都發(fā)現(xiàn)了高品位含氧化硅礦。第五，應用場景非常廣泛。不僅能建設集中型電站，還能通過建設分布式的小型電站，甚至在每家每戶的屋頂安裝電池組件進行發(fā)電。在航天航空、交通、農(nóng)業(yè)、建筑、軍事、城市照明等多個領域，都可以應用太陽能光伏發(fā)電。甚至在遠離人煙的沙漠、海島，也會因為有了光伏發(fā)電而燈火通明。這些屬性，決定了太陽能光伏發(fā)電擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。它是當之無愧的清潔能源第一主角。03算一道算術題10年前，每1kW的光伏發(fā)電設備和系統(tǒng)成本為3萬～5萬元。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大、技術迭代的不斷加快、智能制造的迅速推廣，光伏發(fā)電成本下降了90%以上。未來三五年，1kW的光伏發(fā)電成本還有可能降到2000元、1000元，甚至更低。成本低廉、清潔無污染的光伏發(fā)電正在被越來越多的國家及其居民接受，它的應用正在全球迅速擴散。越來越多的光伏電站拔地而起，越來越便宜的光電并入電網(wǎng)。2021年5月11日，國家能源局下發(fā)《關于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設有關事項的通知》，提出2021年全國風電、光伏發(fā)電的發(fā)電量占全社會用電量的比重達到11%左右，后續(xù)逐年提高，確保2025年非化石能源消費占一次能源消費的比重達到20%左右；同時建立保障性并網(wǎng)、市場化并網(wǎng)等多元保障機制，2021年風光保障性并網(wǎng)規(guī)模不低于9000萬kW。有了強大的技術與制造能力、足夠低廉的成本和積極的產(chǎn)業(yè)政策后，那么到2060年，·中國社會到底會有多少光伏？·中國作為世界上人口最多、經(jīng)濟總量居全球第二的國家，以及世界第一的能源生產(chǎn)國與消費國，到2060年實現(xiàn)碳中和時，整個能源體系中的光伏占比應該有多大？·人均光伏裝機容量是多少？回答這些問題不僅為我國實現(xiàn)碳中和樹立了方向、確定了目標，而且影響著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因為它決定了清潔能源究竟將給我們的社會帶來多大的影響?！赌茉瓷a(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》提出，到2050年非化石能源在國家能源體系中占比將超過一半。但業(yè)內諸多意見領袖都認為這個目標還是過于保守，因為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是以指數(shù)形式增長的。首先，碳排放將加重溫室效應這一點毋庸置疑，為應對氣候危機，我們需要同步升級能源結構。其次，以光伏為代表的新能源技術同樣適用摩爾定律。在經(jīng)過前期鋪墊之后，未來的技術路徑也將呈現(xiàn)指數(shù)級發(fā)展。到2050年中國的清潔能源占比將遠遠超過50%。按2060年碳中和的目標節(jié)點推算，中國清潔能源的占比至少要達到80%，其中一半將是光伏。在這個前提下，不妨做一道簡單的算術題，算一算到2060年中國究竟需要多少光伏。中國現(xiàn)在一年消耗石油約5億噸，在全部能源消耗中占18.9%，也就是說如果將能源供給來源全部替換為石油，我們一年至少需要26.5億噸的石油。每100GW的光伏系統(tǒng)每年生產(chǎn)的電力，相當于0.5億噸石油的等效能量，所以如果我們現(xiàn)在將26.5億噸石油全部替換為光伏，需要5300GW的光伏裝機容量（2020年，我國的光伏裝機容量約為253GW）。全國約14億人口，人均至少需要3.8kW的光伏裝機容量。考慮到未來40年中國社會將全面發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)?？赡軙环踔粮啵F(xiàn)代化水平也將不斷提升，未來人均能源消費量也會迅速增加。2019年美國人均能源消費量是我國的3.66倍（2019年，中國消費的能源約為48.6億噸標準煤，人口約14億；美國在2019年消費的能源為41.63億噸標準煤，人口約3.28億）。如果我國在2060年人均能源消費量達到2019年美國的水平，那么，到2060年，我國人均至少需要13.9kW的光伏裝機容量。假設2060年在我國的能源結構中光伏占到50%，那么未來人均至少需要6.95kW的光伏裝機容量。人均近7kW的光伏裝機容量是一個什么樣的概念？假設人口總數(shù)