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寻找太阳 老杨再谈新能源

 

摘要:新能源解决方案必须要低成本。不惜成本做几个太阳能、风电、地热示范点都很容易,问题在于可否全面推广。做不到低成本,新能源就只是富人的游戏。生物能、潮汐、地热都因为成本太高而不现实。以目前的技术,太阳能独立发电是一个不折不扣的坑爹货。太阳能和风力联合发电成本也高,且需火电作后备机组,不是理想的解决方案。受控核聚变发电俗称“人造太阳”,目前亦是遥遥无期。

现在的新能源没有一个十分靠谱的。 把人类未来的希望寄托在一些天方夜谭似的未来技术中,这是不负责任的赌博行为。请向真正的深绿派环保人士致敬,他们身体力行节约能源,减少碳排放,不再把豪车大房作为追求的目标,这才是对人类未来真正谨慎负责的态度。

 

2010年我驾车环拍洞庭湖,在沅江市发现了一组特殊路灯:它顶上是个大风车,下面是两块太阳能电池板。这是中科恒源公司的拳头产品:太阳能风力联合发电LED路灯。貌似环保,但很少有人知道这路灯每盏下面都埋着大型铅酸蓄电池。更少人知道的是,这种类型的路灯很多居然接入了市电以对付连续没风的阴天 。 

我看了一下销量最大的淘宝店家,一盏8米高的普通路灯卖800元。沅江市这种新能源路灯据业内人士说每盏1.8万元。这还不算离谱的,中科恒源2011年在云南昆明的路灯项目中以每盏4.8万元中标,价格之高让很多人眼镜掉了一地。以普通路灯倍的价格来推广新能源路灯,什么人才干得出来?翻翻中科恒源的客户名单,基本全是政府采购。我想大家应该心知肚明了吧。

前段时间看到中科恒源递交了上市申请,我忍不住要再写一篇关于新能源的文章了。

我和湖南沅江市的风光互补路灯

石油和煤炭支撑着这个社会。没有能源,我们将直接回到石器时代。好吧,没有那么惨,直接回到牛耕时代。以石油和煤炭等化石能源有两个硬伤。第一它们都是一次性的(不可再生),据说石油和天然气还够用60100年,煤炭200年左右。第二都严重污染环境(有毒废气以及二氧化碳温室气体排放)。这两个硬伤无解,一次性能源之光必将慢慢熄灭。

人类不会坐以待毙,要想办法解决能源问题。理想情况是做到以下三点: 

1,获取能源的成本低( 单位成本最好低于目前电价);

2,此类能源是无穷无尽的;

3,从开采到使用,全程基本没有污染。 

要是能做到以上三点,人类所有的问题几乎都迎刃而解:直接电解海水解决淡水问题;各种污物也直接变宝物。各国不再为石油开战,阿拉伯酋长可以回去继续放骆驼,伊斯兰问题也将大大缓解,前途一片光明。

以上三点我觉得第一点尤为重要,新能源解决方案必须要低成本。做几个太阳能、风电、地热或者潮汐发电示范点,不惜成本都很容易,问题在于可否全国乃至全世界推广。做不到低成本,所谓的新能源就只能是富人的游戏。下面我们就来看看在可预见的未来,能源问题该如何解决。 

德国太阳能风能纪实。此四张图片由色影无忌网友liuqf163友情提供

人类可利用的能源目前主要有以下四类: 

1,化石能源(一次性能源),包括煤炭、石油、页岩气、天然气和可燃冰等;

2,核能;

3,水力;

4,其他可再生能源,包括太阳能、风能、生物能源、地热和潮汐等。 

先说第1类,化石能源。煤炭、石油和常规天然气就不说了,之所以还在用它是因为我们暂时没办法。重点说下页岩气 - 藏在石缝里的天然气。2000年的时候页岩气占美国天然气产量1%不到,但最近十年因为水压裂、水平钻等新技术,美国页岩气产量爆增。到2010年,页岩气已占美国天然气总供应量的20%多,这个比例到2035年将上升到46%(美国能源信息署EIA预测)。

前面说石油和天然气还够用60100年,煤炭200年,其实年限谁都不敢说死,因为勘探和开采技术都在发展。页岩气近几年突飞猛进就是一个例子。但并不是每个国家都有丰富的页岩气,而且其开采耗费大量淡水,中国是贫水国家,忙着南水北调,页岩气的开发要打上一个大问号。

可燃冰也很勾人。这个东西是天然气低温高压结晶而成的“冰块”,可直接点燃。据估计,海底可燃冰储量够人类使用1000年。这非常美好,但海底可燃冰在目前的开采技术下只能画饼充饥。会不会像页岩气一样突然出现新的可燃冰勘探和开采技术?这个问题大家 现在可以下注赌一把。

需要强调的是,页岩气和可燃冰都是化石能源的一种,它们只会让能源危机来得慢一点。任何一次性能源都不是人类能源的终极解决方案。

2类,核能

这指的是核电站。原子弹威力巨大,1945年一颗当量两万多吨TNT炸药的原子弹就毁掉了日本广岛。目前的核电站就是造个容器,插上减速棒,让原子弹在里面慢慢炸,这样就可以发电了。此技术叫做可控核裂变发电(不可控直接就是炸弹了)。 

核电站有三个硬伤。第一要定期添加铀235之类的核燃料,它是从铀矿石里炼出来的,毫无疑问铀矿石是有限的,总有一天会用完。第二,它会产生(放射性)核废料,目前只有深埋一种处理办法,这等于是埋下定时炸弹。第三是安全问题,理论上可能直接爆炸。1986年切尔诺贝利核电站事故惨绝人寰, 上万人死亡,核污染半个欧洲。即便不炸,核泄漏也是噩梦,比如日本福岛核事故。。哪里是福岛,简直就是灾星。 

以上三个硬伤基本无解。虽说技术在进步,核电站越来越安全,比如快堆(一种新型核反应堆,基本没有爆炸的危险,核燃料利用率高出老式反应堆60%以上),但世界上没有绝对的事。因此,人类对核电产生了严重分歧。法国人胆子大,该国40%以上的电力来自核电;但相邻的德国正在逐步拆除核电站,2022年将彻底废除核电。中国、美国和台湾等摸着石头过河,核电政策摇摆不定。

2013年台湾民众反核电快闪。中新网

3类,水电

江河一般不会断流,水力发电理论上属于可再生能源。但水电也有硬伤。第一,截断河流对生态环境产生负面影响(包括移民和诱发地震);第二,不稳定,枯水季节需要火电和核电来调峰;第三,虽然总量很大,但可开发的水电也是有限的。中国目前水电占总发电量20%左右,进一步扩大也很困难。

巴西是世界上水电比例最高的国家,80%以上的电力来自水电,原因之一是巴西全国雨量较大而且比较均匀。但意外总是难免的。2001年天公不作美,旱灾横扫巴西,水库干涸为了避免大面积停电,巴西被迫配给式用电全国用电量减少了20%巴西经济损失了约200亿美元水力资源丰富的巴西尚且如此,大家可以理解为什么水电不是解决人类能源问题的终极方案。

巴西旱灾给我们的教训就是:任何靠天吃饭的发电系统都要有备用的其他发电方式。

4类,其他可再生能源

这包括太阳能、风能、生物能源、地热和潮汐等。地热和潮汐虽然无穷无尽,但我们只能看着掉口水,目前还不可能经济开发,就不多说了。

以沼气为代表的生物能源在农村已经用了几十年,但无法推广,城里毕竟没法养猪。目前热烈讨论的生物能源是这么两类:第一类是用玉米和甘蔗等制造乙醇(酒精)当燃料;第二类是用大豆油等植物油(甚至地沟油)来炼制柴油。这些生物能源有两个硬伤,第一成本太高,完全无法和石油竞争;第二,造成玉米等粮食价格上涨。富人的环保使穷人挨饿,所以有人把玉米造酒精的做法称作反人类罪。 

当然,造酒精也可以不用粮食。玉米杆和麦秆在酶的作用下可以发酵出糖类,进而造出酒精。问题是其成本更高,完全不具备推广的可能性。另外,海藻理论上也可以提炼出油脂,但目前也看不到商业化的迹象。一切都卡在生产成本上了。我们只能寄希望于转基因工程有朝一日能大规模低成本生产玉米或者催化酶。

在探讨能源生产效率时有一个专有名词,EROI (energy return on investment),产出的能源和投入的能源之比。下表可以看到,玉米酒精的EROI甚至低于1,产出的能源还没有耗费的多。这种能源要它何用? 

表1:不同能源的EROI值(www.nevfocus.com/news/20110316/2084.html)

   能源      年份     EROI

   能源       年份     EROI

常规能源     

非常规能源

  石油天然气    1930     > 100

  油页岩             0.7-13.3

  石油天然气    1970     23-30

  油页岩       2004     1左右

  石油天然气    1992      26

  煤变油       2004     1左右

  石油天然气    1999      35

可再生能源

  石油天然气    2005     11-18

  太阳能             2-10

  石油天然气    2006      18

  风能              18

  原油       1930      100

  玉米酒精            0.8 -1.6

  原油       2000      20

  粮食乙醇      2004     1左右

  天然气      2005      10

  生物柴油            1.3

  煤炭       1950      100

  氢能              11.2

 

  核能              5-15

 

生物能源就不说了,重点讨论太阳能和风能。首先说说比较火的太阳能。先说个案例,这两年一架名为Solar Impulse的太阳能飞机相当吸引眼球。这架飞机耗资一亿美元,大小与一架空客A340大型喷气式客机相当,翼展63米,整机重量却只有1600公斤(与一辆家用小车相当),它肚子里装了450公斤锂电池以备夜间飞行。平均飞行时速60公里。

2010年当它试飞的时候我就说过,这种飞机永远只能试飞,它不可能商业运行。阳光不要钱但有个缺点:能量密度太低。中学生朋友们都知道“太阳常数”:在地球大气层上垂直照射,太阳辐射能量是每平方米1366瓦,到达地面后约1,000瓦;若全年日夜平均,则只有200瓦左右。在冬季大致只有一半,阴天1/5左右,这样的能流密度是很低的。

太阳能要得到大功率,必需面积巨大的太阳能电池板。太阳能飞机Solar Impulse的翅膀巨大,上面铺着面积200平方米的太阳能电池板,最大功率45千瓦。我们来对比常见的空客A340(运载300人,巡航时速850公里 ,发动机总功率160,000千瓦),假若改造成类似Solar Impulse的太阳能飞机,它需要71万平方米太阳能电池板(约100个足球场 的面积)。

很多人在期待太阳能飞机的商业载客飞行,但这永远只能做梦。这不是人类可以解决的问题,这是太阳公公的家务事。太阳能飞机做成无人机,执行长时间留空遥测之类还有点谱,Solar Impulse做成有人驾驶,说以后可以载更多人,基本属于圈钱诈骗。

Solar Impulse,photo courtesy www.fastcompany.com

太阳能发电有两个硬伤:第一成本太高(效率太低),第二污染太大。目前中国火电和水电的上网电价平均为每度0.42元,太阳能为0.95元。这么说吧,如果用太阳能发的电(电价翻倍),电解铝等重工业估计会直接关门大吉。太阳能给手机、灯泡乃至电视机供电还算靠谱,如果给家里的空调供电,那就要动脑子琢磨一下了。至于工业用电,搞太阳能就是个笑话。

为什么太阳能成本高?对任何资源的经济开发利用,矿石、原油、水电等都有一个起码要求:必须集中(空间上和时间上)。 道理很简单,地球遍地都是黄金,但含量集中才是金矿。以太阳能为首的新能源,要么时间上不集中(不可控),要么空间上不集中,要么都不集中,这就决定了其高成本。别的不说,一万千瓦的太阳能电厂光占地面积就超过200亩。

多晶硅太阳能电池板的能量转化率不到20%,这个不太可能有突破。当然,人造卫星上的砷化镓电池板转化效率高达40%以上,问题是那东西有几个人买得起?有人预测太阳能发电的成本在5年之内会下降到接近火电,原因是这些年来太阳能电池板的价格总体在下降。这基本等于瞎掰,5年后下降到接近火电,那10年后下降到接近于零?根据历史走势线性推导未来价格是一种极不严谨的做法。太阳能利益集团请了一帮枪手自吹自捧,很多人信以为真。

世界第二大多晶硅制造商:德国瓦克(WACKER)公司. photo courtesy www.knoxnews.com

 

太阳能电池板的成本大头是硅片。多晶硅价格在2008年达到顶点,每吨超过350万元(利润率500%以上),从此开始一路下跌,到2012年最低谷时每吨只有12万元,跌势之猛让人眼镜掉了一地。这个价格已经大大低于多晶硅每吨20万元的平均成本。暴跌的原因有二:一是大规模生产导致成本下降,二是供大于求导致价格报复性下跌。我个人观点,多晶硅的价格已经见底(低于成本),接下来应该会走高。太阳能发电的成本继续降低,可能吗?

太阳能电池板的污染主要来自多晶硅的冶炼(纯属重工业)。太阳能的发电效率那么低,就这么点能量还只是白天有,除了升压稳压器之外,独立的太阳能电力系统还需要大型蓄电池(多是铅酸电池),破坏环境就不用说了。 就如电动汽车一样,任何事情是否环保,不能只看使用环节,要从整个产业链来分析。如果太阳能发电成为电网主力,我们将面临比开采石油更大的环境灾难。

我支持大力进行太阳能技术研究(包括光伏和光热两种发电方式,以及更先进的蓄能方法),让其成本接近火电,然后再推广。奇怪的是,在实验室里都还没有达到起码的经济效益,政府就匆忙推广太阳能发电,给予大量补贴和贷款,我只能说这是脑袋进水了。很明显某些利益集团想借新能源项目谋私利。在奥巴马总统的推动下,美国太阳能行业大佬Solyndra公司2010年获得了5.35亿美元的政府担保贷款 ,一年后Solyndra公司宣告破产。在中国,2013年3月无锡尚德的破产让71亿人民币的银行贷款直接成为烂帐。这些最后都是全国人民买单。

兄弟我再次强调:以目前的技术水平,太阳能发电是一个不折不扣的坑爹货。

云南昆明太阳能纪实,2006

下面谈谈风力发电。我认为风电是比较靠谱的新能源,这是因为其成本较低:2013年底中国风电上网电价为0.62元/度,接近火电0.42元的价格。风电最大的问题和太阳能一样,还是稳定性差:没风就死定了。

很多人想到了太阳能和风力联合发电。本文开头说到的沅江市风力太阳能路灯,它其实代表了人类能源的最新解决方案之一。这么说并不为过。2011年6月,德国议会通过决议,计划用40年时间(在2050年之前)将全国电网主力转向可再生能源,其中太阳能和风力发电在2050年将占到全国电力的80%。

德国国际合作机构GIZ《关于德国能源转型的12个见解》详述了电网转型计划。德国人的口号是:太阳能和风能决定一切。据我所知,德国是第一个计划将电网转向新能源的大国。但阳光和风力都是靠天吃饭,遇到阴天加微风就抓瞎了。GIZ报告第六页的一句话让我相当震惊:“由于风能与光伏的互补特征,二者应协同发展。总的来说,没有太阳的时候会刮风,反之亦然。”我不知道德国人的逻辑何在:阴天必须刮风?

对一个以太阳能和风能发电为主的大国,有四种天气情况需要考虑:(表2:天气与电力机组情况)    

天气

电网主力

晴天,有风

      风力、太阳能联合发电(后备机组停用)

晴天,无风

      太阳能发电为主

阴天,有风

      风力发电为主

阴天,无风

      后备机组或进口电力(火电、水电或核电)

在欧洲,丹麦新能源电力的脚步其实比德国人更快,风电在2010年底装机容量已达320万千瓦,风电比例达20%(高峰时可至60%),但丹麦是一个只有500万人口的小国,没电了可以从其他欧洲国家借(微风时丹麦需要从挪威等国进口多达30%的电力 )。德国是一个有8000万人口的大国,它不能指望大量进口电力,德国要是没电将拖垮半个欧洲的电网。

沅江市的新能源风光路灯底下都埋着大型蓄电池;为预防出现连续无风的阴天,很多这种路灯还接入了市电。这意味着凡是靠天吃饭的不稳定发电系统都需要有稳定发电的后备电源,虽然德国人有钱有技术,但他们的 绿色能源依然离不开火电。GIZ报告第4页写道:

“由于风能和太阳能都不是随时能获取的,因此依赖这两种能源的任何电力系统也都必须备有后备电厂,目前这些电厂将持续主要依赖化石燃料。短期来看,现有发电厂将承担起这一后备功能。中期来看,将需要投资建设新型火力发电厂,以便甚至在可再生能源完全不能发电时满足需求。”

这句话的潜台词是:如果电网转向太阳能和风力发电,德国需要建设两套发电系统,一套是太阳能风能,另一套是传统火电(德国人已经决定抛弃核电)。德国真是有钱!本文开头就指出:新能源解决方案必须要低成本。不惜成本做几个太阳能、风电示范点都很容易,问题在于可否全面推广。做不到低成本,新能源就只是富人的游戏。说它装逼也不为过。

钱再多也架不住这么烧。2013年1月,德国环境部长阿尔特迈尔指出,让消费者继续承担德国绿色能源转型的所有成本是不可接受的(到2050年数额可能达一万亿欧元)。地球最富的国家之一德国都头疼太阳能风能的成本,此方案显然不适合其他国家。据我所知,除了丹麦,没有任何国家准备采用此种方案。

2013年5月23日,四川乐山多晶硅厂发生毒气泄露自燃事故

 

我一直有个观点:在金钱与能源正相关的时代,花钱越多,意味着碳足迹越大,对环境的破坏就越大,除非我们能摆脱石油和煤炭等化石能源。德国人想摆脱化石能源,但实际上还是脱不了进口电力以及国内的火电。这是典型的装B。德国政客为了吸引众多环保主义者的选票,每个党派都打出绿色旗帜,反正不是自己买单。

很多德国人其实被政客们骗了。财政的钱来自于每一个纳税人,政府大规模补贴实际上意味着大家自掏腰包补贴新能源。除了少数极端环保主义者,没人愿意这么干。德国正在掉入新能源的补贴陷阱,基民盟、社民党以及绿党已经在为新能源补贴吵架了。德国新能源转型最终会有一个什么结果,我们拭目以待。

7x24x365的稳定性是电网之本。太阳能和风电又贵又不稳,哪里说得上有益?风电要摆脱垃圾电的名声,除非
储电技术出现重大突破。电是一种难以存储的能源,即发即用。抽水蓄能也不是全国性的解决方案。如果能发明一种高性能电池,把发出来的电给存储起来就好了。这种电池要便宜,而且能量巨大,这么说吧,让大屏智能手机充电一次可用至少一个月。这种电池的出现将基本解决人类的能源问题。

太阳能一样, 中国政府也在强行推进风电产业。前几年在强力财政补贴下,风电企业的财务报表看起来都很漂亮,但2013年初华锐风电(上市公司)裁员减薪以免破产,开始露出了狐狸尾巴。

我的结论:在局部风力很大而且较稳定的地区可以上一些风电厂,在边远牧区不便架线可以考虑使用太阳能加风电,这才是有益补充。在全国推广,我只能说脑子进水了。

化石能源死路一条,新能源坑爹货一个,难道真的无路可走了? 

No,我们还有人造太阳。从开始懂事起,人类就在思考太阳的能源是哪里来的。假如太阳是一大块煤,它只能燃烧大约六千年。一直到1920年代,人类才明白它的能源来自核聚变:几个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,同时释放出巨大能量。太阳中心温度高达1500万度,压力3000亿个大气压,那里时刻都在进行四个氢核聚变成一个氦核的热核反应。 

自然界中最容易实现的聚变反应是氘与氚(氢的同位素)聚变,其释放的能量超级吓人,随便一颗氢弹就是上千万吨TNT当量。相比之下核裂变的原子弹是个小儿科,只够给氢弹做引信的。 

氘在地球海水中藏量丰富,多达40万亿吨,要是都能聚变,每升海水都会变成300升汽油,总能量足够人类用上百亿年,而且反应产物是无放射性污染的氦。plus,由于核聚变需要一千万度以上的极高温度,一旦某环节出现问题,反应堆温度下降,聚变反应就自动中止,非常安全。

如果要让氢弹爆炸来发电,我们也需要一个容器把它包起来慢慢炸 这就是可控核聚变,俗称“人造太阳”。从1954年第一颗氢弹爆炸以来,人类一直在做可控核聚变的梦。只可惜地球上没有可耐千万度高温的容器。俄罗斯人第一个想出了用超强磁场来做容器,这就是TOKAMAK磁力约束器,中文叫做“托卡玛”装置。 

世界上有七八个国家各自搞过大型托卡玛,包括中国的EAST。但搞了几十年一直没有重大进展。超强磁场需要超大电流,这些托卡玛装置耗费巨大电力,只能实现非常短暂的核聚变,输出的能量还不够输入的多。现在全球正在组团攻关,2005年国际热核实验反应堆ITER正式立项,地点在法国的卡达拉申,造价将达120亿美元,由欧盟、俄、中、日、美、韩、印等国一起分摊费用。

ITER建设工地。photo courtesy www.pppl.gov

从哲学上来说任何事情都是双刃剑,有利必有弊。 低价、无限、清洁、安全?没有缺点的能源真的存在吗?每升海水都变成300升汽油,这简直是无中生有。我经常怀疑 人造太阳纯属梦幻。但是,宇宙在大爆炸中产生,这不就是梦幻般的无中生有吗?

但至少目前来看,ITER之类的人造太阳十分不靠谱。120亿美元建造一个实验堆,简直是天价。花这么多钱,没人知道ITER会是个什么结果。核聚变专家们谁也不敢说“人造太阳”什么时候能实现,或者根本就不可能实现?

ITER就算是个空中楼阁也不必绝望。我个人观点,以下几种情况都可能解决人类能源问题:

1,转基因技术或人工光合作用取得重大突破,玉米粒长得像马铃薯,马铃薯长得像西瓜,生物能源大放光芒 ;

2,电池技术突然取得巨大突破(大屏手机充电一次用一个月),风力发电变得靠谱,这种电池也将彻底埋葬传统内燃机汽车;

3,地热和潮汐发电取得重大技术突破,成本下降到接近目前的火电。

以上这些技术非常天方夜谭,好似科幻小说,能否实现大家可以下注。但有一点是肯定的:石油和煤炭越来越少了,我们还剩下约一百年时间。现在的情况是,大家都继续以开豪车住大房为荣,都在赌未来几十年里能源技术取得更革命性突破。 

但是,万一没法突破呢,我们就只好等死?把人类未来的希望寄托在一些天方夜谭似的未来技术中,这是不负责任的赌博行为。在这里我要向真正的深绿派环保人士致敬,他们身体力行节约能源,减少碳排放,不再把豪车大房作为人生的目标,这才是对人类未来真正谨慎负责的态度。 

杨飞,

2013-12-8

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