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    《斯坦福大學教授談:清潔能源》

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2021-08-17 16:15:00【

     以上和你分享的內容主要來自我的老師和斯坦福大學普雷考特能源研究中心主任崔屹教授,以及華山資本創始合伙人楊鐳先生的談話.


      前言:崔屹教授獲得了美國能源領域的最高學術獎項2021年的勞倫斯獎,勞倫斯這個名字來自于美國著名科學家、諾貝爾獎獲得者歐內斯特·勞倫斯,這個獎專門表彰在能源領域做出杰出貢獻的學者。崔教授十幾年前就開始系統地研究新能源問題,因此從他那里得到的信息應該是具有很高的權威性的。


    1.清潔能源最大的問題是成本?

    太陽能和風能發電的成本是否能夠做到和煤炭發電差不多的水平呢?(楊鐳先生問)
    畢竟,如果太陽能和風能能夠和煤炭能源一樣廉價,那么煤炭發電在碳排放上的巨大劣勢就可以克服掉了

    崔教授回答是,如果單純比較發一度電的成本,再考慮到用煤發電需要進行的二氧化碳捕獲以及其他的環保費用,今天其實太陽能發電的成本已經和煤電差不多了。

    今天,太陽能發電的成本比20年前已經下降了好幾倍,主要有三個原因:

    第一,太陽能板的壽命提高了,從過去的10年左右提高到了20年以上。這樣每度電的成本就降低了一半。

    第二,太陽能板的制造成本下降了。

    第三,光電轉化效率的提升,大約從過去的15%提升到了20%。別看增幅只有5%,算相對增長的話,單位面積能發的電就比之前增加了1/3,這相當于又把成本降低了1/4。

    但無論是生活還是在生產中,需要考慮的不是單純發一度電的成本,而是需求方獲得一度電的成本。那么就需要計算很多其他的因素,包括輸電的成本、電能入網的比例等等。這樣算下來,太陽能和風能發電就沒有那么便宜了。

    因為適合太陽能發電的地方大多是距離城市較遠的曠野甚至荒漠,而在高人口密度的城市中,太陽能發電的效率并不高,也就是說電發出來了,還需要經過長途的運輸才能送到使用者手里,這個輸電成本遠高于傳統的火電廠。

    太陽能發電的另一個問題是,發出來的很多電其實入不了電網,只能浪費掉。如果發出來的每兩度電只有一度能入網,太陽能發電的成本就要乘以二。大家平時都有這樣的經驗,白天太陽能發電設備在全力運轉,但此時我們的用電量其實是比較小的,那些太陽能發出來的電如果無法儲存下來就只能浪費掉;到了晚上沒有太陽了,我們卻開始大量用電。

    對于這個問題我的老師問崔教授,能不能在白天多用太陽能,減少火電的使用,把節省下來的燃料主要用于晚上發電。崔教授講,美國的加州現在已經在這樣做了。但是電網的管理是一件極為復雜的事情,如果沒有大規模的儲能設備,每天太陽日照最強時所發的電,還是會浪費掉很多。

    目前,加州太陽能和風能等可再生能源每天所發的電可以夠當地使用大約4小時,大概占總用電量的20%。在這個階段,儲能的問題并不突出,因為白天發的電基本上白天就用完了,剩不下多少。

    但如果太陽能的發電量進一步增加,比如增加到40%,白天峰值時期發的電就用不完了,就必須有大規模的儲能設備儲電才能保證不浪費。到那時,如果要把太陽能和風能發的一半電用鋰電池儲存下來,大約要投入230億美元。注意,這不是一次性投資,因為電池是消耗品,目前的鋰電池的壽命只有3年,和我們手機電池的壽命差不多。



    儲能技術發展的難點是什么?

    那么能否提高電池的儲電能力,或者大幅度降低電池的成本呢?崔教授講,在電池領域可沒有摩爾定律,單位容量電池價格每年下降的速度只有3%左右,最終提升的空間可能也不會超過一倍。崔教授的這個判斷應該說很有權威性了,之前信里也說過,崔教授在學術界成名就是靠著在納米電池上的研究成果。

    早在2008年,崔教授就發明了以硅代替石墨做負極材料的鋰電池,從理論上講這能夠將電池的能量密度(也就是單位質量或單位體積所儲存的電能)提升好幾倍。2014年,崔教授在電池材料上的研究成果被《科學美國人》評為當年“十大改變世界的技術”,同年他也被路透社評為世界排名第一的材料科學家。

    但即便是站在世界電池技術最前沿的崔教授,對各種新型電池容量的成倍提升也不樂觀,他認為,能夠將電池的能量密度再提高一倍可能就已經是極限了。崔教授透露,其實有不少人希望給他提供研究經費,研制出能量密度增加一個數量級(也就是10倍)的電池,但崔教授認為這是一種妄想。

    當然,有人可能會想世界上材料那么多,是不是將來科技發達了,我們就能找到新材料來做電極,制造出能量密度很高的電池呢?對于這個問題,目前能夠給出的回答也是否定的,換言之,短時間內基本不可能。

    電池單位質量的能量密度取決于材料的兩個性質。

    第一個是材料密度,材料密度越小,造出來的電池越輕。而鋰是最輕的金屬,因此用它做電池同樣重量電池的能量密度就更高。

    第二個因素是材料的一種化學特性,被稱為標準電極電位,通俗地講就是這種材料能產生多少電。金屬鋰同時也是電極電位絕對值最大的金屬之一,絕大多數化學元素都不如鋰。也就是說自然界的元素不管怎么配,要取代鋰幾乎是不可能的。

    對于未來可能的新型電池,崔教授提到了一種用氧氣和鋰作為正負極的電池,這是理論上能夠達到最高能量密度的元素配對了,理論上可以將電池的能量密度提高5-15倍左右,這種電池也被稱為鋰空氣電池。但它目前只存在于理論上和實驗室里。崔教授認為,投入應用之后,鋰空氣電池能夠比現有的鋰電池提高一倍的儲電效率,人們就應該滿意了。

    崔教授在這里有一段感慨,他說每次大家談到新能源、新電池時都特別興奮,但是真正投入進去做一段時間的工作后就會知道,要在目前的基礎上提升效率,無論是發電還是儲能,難度都很大。



    如何系統性地看待新能源技術發展?

    問崔教授:如果把新能源技術看作一個系統,應該如何發展呢?崔教授強調了兩點:首先是要將儲能看作新能源發電體系的一個重要部分,不能只重視發電,忽視儲能。

    其次,在降低儲能成本方面,主要要依靠延長電池的壽命。因為電池的價格難以降低,容量難以提升,但如果使用壽命能提高一倍,儲能成本就降低了一半。沿著這個思路,目前鋰電池發展的道路可能就需要重新探索。

    具體來說,目前鋰電池的技術路線之爭主要存在于這兩種路線之間:一是發展三元鋰電池,二是繼續改進傳統的磷酸鐵鋰電池。

    三元鋰電池中使用了鎳鈷錳三種元素,因此叫做“三元鋰電池”。這個方向近幾年比較熱門,目前國內的媒體幾乎一邊倒地認為三元鋰電池更好,因為它的能量密度更高,我們今天大部分手機里面用的都是三元鋰電池。

    但是三元鋰電池有兩個致命的弱點:可充電次數少,性質不穩定,在300攝氏度以上的環境中就可能出問題。充電次數少,就造成了儲電的成本上升。性質不穩定,就容易爆炸。

    相比之下,磷酸鐵鋰電池在600攝氏度以下都能保持穩定的性質,而且可充電次數是三元鋰電池的兩倍以上。也就是說,在電池壽命上,磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池更有優勢,似乎更適合作為大規模儲能的設備。不過目前為止,從成本考慮,不論是哪種電池都不足以在電網中大量使用。



    新能源發展還有哪些潛在困難?

    講到這里你可能就能體會,為什么新能源推廣起來那么困難。

    采用可再生能源發電還有其它問題,比如對氣候和生態環境可能造成不良的影響,目前我們對此也是所知甚少。

    以風能發電為例,風能的總量其實是有限的,如果用來發電了,風速就會下降,原來自然界的大氣流動就會受到影響。比如你在北京的西北方向裝上一大堆風車,從蒙古高原過來的風可能就吹不到北京了,這也許會加重北京的霧霾。

    此外,如果風能發電廠建在了候鳥遷徙的路徑上,發電廠對氣流的影響會嚴重妨礙候鳥的遷徙。類似的例子其實過去就有。很多年前人們就發現,只要在荒野上建一條高速公路,很快兩邊的蝴蝶品種就不一樣了,因為高速公路上空的氣流讓蝴蝶無法飛過這條界限。

    此外,我們現在也難以確認,如果地球表面裝了大量的風車,是否會影響到季風,繼而是否會影響到氣候,包括不同區域降雨量的變化。

    當然,清潔能源中除了太陽能和風能,還有核能和水能。但水能發電對環境的影響比風能更顯著,因此今天在世界范圍內,水能發電的發展已經很緩慢了。核能原本是很清潔的能源,但也有自己的風險,而且民眾在心理上比較難以接受,除了法國,其它國家大部分都推廣不起來。



    小結

    我們把所有的可再生能源梳理了一圈,你會發現,能量供應量最充足、對環境影響最小的解決辦法,可能還是太陽能,當然必須要有配套的儲電技術。

    全世界陸地接收到的太陽能,如果能有1%轉化為電能,就夠全世界人使用還綽綽有余了。這里可以提一個很有意思的問題,是楊鐳先生提出的,他問:如果世界各國不再依賴石油,阿拉伯國家是否會面臨經濟衰退?

    崔教授回答說,其實阿拉伯國家也在考慮發展新能源計劃。而且阿拉伯半島有極佳的太陽能發電條件,如果在阿拉伯半島范圍內都裝上太陽能發電板,這個區域發的電就足夠全世界使用了。到時阿拉伯國家能賣的能源,比現在賣石油還要多得多。

    這是佳名興電容關于清潔能源的發展做的一點點小小貢獻和普及!感恩您的閱讀和關注!后續我們佳名興會從比較微觀的層面給您匯報,在企業的層面如何實現碳中和??!

                                                                  整理:lucy 秦 13927412413

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