中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：兩個(gè)月前，《IEEE綜覽（IEEE Spectrum）》網(wǎng)站刊發(fā)了一篇長(zhǎng)篇報(bào)道，詳細(xì)記錄了活力新能源公司（Vibrant Clean Energy）的CEO克里斯托弗·克拉克領(lǐng)銜的21位氣候、電力領(lǐng)域的專家與斯坦福大學(xué)馬克·雅各布森教授之間的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論。
雙方爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于美國(guó)電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展之路該如何走。雅各布森教授認(rèn)為未來(lái)美國(guó)電網(wǎng)需要完全脫碳，全部依靠風(fēng)能、太陽(yáng)能，水電，儲(chǔ)能以及其他清潔能源來(lái)提供能量；而克拉克則認(rèn)為雅各布森教授的研究結(jié)論是不現(xiàn)實(shí)的，未來(lái)美國(guó)電網(wǎng)還是離不開(kāi)火電和核電的，至于火電的排放問(wèn)題，可以采用脫碳技術(shù)解決。
化石能源還是清潔能源作為未來(lái)美國(guó)能源供應(yīng)的核心一直都是美國(guó)能源界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。美國(guó)總統(tǒng)特朗普宣布退出“巴黎氣候協(xié)定”更是把兩個(gè)能源發(fā)展的路線之爭(zhēng)推到了白熱化的程度。
其實(shí)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論是再正常不過(guò)的了，學(xué)術(shù)圈里面的刀光劍影也是見(jiàn)怪不怪。但是這一次雙方基本上都是赤膊上陣了，你來(lái)我往好不精彩。而且爭(zhēng)論涉及到美國(guó)未來(lái)的能源發(fā)展路線，頗有些看頭的。各位吃瓜群眾請(qǐng)坐好，聽(tīng)我給您慢慢分析。
01
一切要從雅各布森教授2015年的研究說(shuō)起。
那一年，雅各布森教授分別在頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（IF=29.5）和《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（IF=9.6）上發(fā)表了“100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States”和“Low-cost solution to the grid reliability problem with 100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes”兩篇文章。前一篇詳細(xì)規(guī)劃了美國(guó)各州在2050年實(shí)現(xiàn)100%清潔能源供電的路線圖，后一篇?jiǎng)t論證了100%清潔能源的合理性以及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型后電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
100%新能源，完全零排放，多么政治正確，多么偉光正啊，論文的字里行間都仿佛能感受到雅各布森教授寫作時(shí)的激情澎湃。第一篇文章的正文加補(bǔ)充材料洋洋灑灑的竟然寫了132頁(yè)，顯示了作者對(duì)于100%新能源供電的無(wú)限信心！
通讀這兩篇文章，雅各布森教授的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
（1）作者認(rèn)為，到2050年的時(shí)候，美國(guó)的能源可以完全由風(fēng)能，太陽(yáng)能，以及水能提供，輔助以各種儲(chǔ)能設(shè)施（電池儲(chǔ)能除外）和需求響應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)零碳排放；
（2）多種低價(jià)儲(chǔ)能策略將會(huì)用來(lái)彌補(bǔ)系統(tǒng)中新能源供電的波動(dòng)。儲(chǔ)能方式分別為：壓縮空氣儲(chǔ)能，冰儲(chǔ)能，地下熱儲(chǔ)能，抽水儲(chǔ)能，以及氫儲(chǔ)能。值得一說(shuō)的是，為了達(dá)到低成本的目標(biāo)，電池儲(chǔ)能只考慮了在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用；
（3）文章對(duì)于供電和用電的規(guī)劃主要基于其所開(kāi)發(fā)的Loadmatch算法，此算法的核心目標(biāo)是保證系統(tǒng)中的負(fù)荷和供電的平衡；
（4）100%新能源供電的電力系統(tǒng)的運(yùn)行策略是：首先優(yōu)先使用風(fēng)光水的供電來(lái)滿足負(fù)荷的需求；其次，對(duì)于多于風(fēng)光水的負(fù)荷，如果是可進(jìn)行需求響應(yīng)的負(fù)荷則管理負(fù)荷推遲供電，如果不能進(jìn)行需求響應(yīng)則使用儲(chǔ)能對(duì)其供電，從而滿足負(fù)荷的要求；
（5）對(duì)于交通等非電力能源消耗，使用氫做燃料，消除排放。
雅各布森教授的模型也模擬了2055年時(shí)100%新能源供電的電網(wǎng)的運(yùn)行。下圖展示了電網(wǎng)在冬季中四天的運(yùn)行狀況。其中A圖是電網(wǎng)的負(fù)荷和發(fā)電曲線；B圖是各種源的發(fā)電和發(fā)熱曲線；C圖是各種負(fù)載，儲(chǔ)能，以及損耗的需求曲線。如圖所示，太陽(yáng)能和風(fēng)能成為了最主要的能量來(lái)源。當(dāng)風(fēng)、光不足時(shí)，則由水能來(lái)主要供電。
圖1：100%新能源供電的美國(guó)電網(wǎng)在冬季中四天的運(yùn)行狀況:（A）系統(tǒng)的總負(fù)荷和總發(fā)電和供熱曲線；（B）各種源的發(fā)電和發(fā)熱曲線；（C）各種負(fù)載，儲(chǔ)能，以及損耗的需求曲線。
按照雅各布森教授的計(jì)劃，美國(guó)將會(huì)按照下面曲線的發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)，在2030年時(shí)新能源滿足80%的能量需求，并最終在2050年踏上100%清潔能源的康莊大道，實(shí)現(xiàn)零排放。
圖2：雅各布森教授設(shè)計(jì)的美國(guó)100%新能源之路
此外，雅各布森教授還和美國(guó)國(guó)家地理雜志共同推出了一個(gè)網(wǎng)頁(yè)來(lái)展示其在第一篇文章中所設(shè)計(jì)的美國(guó)各州的100%新能源之路。不得不稱贊的是網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)的清晰明了，視覺(jué)沖擊強(qiáng)烈，讓讀者能夠感受到新能源發(fā)展的勢(shì)在必行。
圖3：展示100%新能源之路的網(wǎng)頁(yè)
02
當(dāng)然理想是豐滿的，現(xiàn)實(shí)卻總是骨感的。
克拉克和來(lái)自于包括斯坦福大學(xué)，加州大學(xué)伯克利分校，加州大學(xué)圣地亞哥分校，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等名校在內(nèi)的一共21名能源和環(huán)保方面的學(xué)者對(duì)雅各布森教授的研究提出了嚴(yán)重質(zhì)疑。他們認(rèn)為雅各布森教授只是提出了一種假設(shè)，卻忽視了物理上的可行性?？死朔Q雅各布森教授的研究，充其量只能稱為一個(gè)有意思探索，而且所采用的假設(shè)還是漏洞百出。克拉克等將他們的質(zhì)疑也發(fā)表在了《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上面，指出雅各布森教授研究的主要問(wèn)題在于：
（1）雅各布森教授的模型依賴于水電的過(guò)度擴(kuò)容。圖1中，在100%新能源的系統(tǒng)中，水電需要在太陽(yáng)落山時(shí)迅速啟動(dòng)，并要提供大約1300GW的峰值功率，而這一數(shù)值是現(xiàn)在美國(guó)現(xiàn)存水電發(fā)電量的14倍。需要大量新增的水輪機(jī)專門為了給風(fēng)、光做備用電源使用，并且要保證有充足的儲(chǔ)水才能彌補(bǔ)風(fēng)、光波動(dòng)造成的發(fā)電不足。雅各布森教授沒(méi)有考慮到要在短短的35年就將水電擴(kuò)容13倍的巨大的挑戰(zhàn)，也沒(méi)有考慮到水電擴(kuò)容之后所帶來(lái)的其他的生態(tài)危機(jī)。
（2）風(fēng)、光、水、儲(chǔ)等新增能源的建設(shè)都是極其巨大的。如下圖所示，新增的風(fēng)、光、水、儲(chǔ)的容量將分別是2015年已有容量的33倍，271倍，13倍，以及113倍；
圖4：雅各布森教授模型中2050年各種能源的容量與2015年的對(duì)比圖
（3）即使各種新增能源能夠在2050年擴(kuò)容到所需要的容量，但能不能將這些新增的清潔能源的發(fā)電輸送出來(lái)又是另外一個(gè)問(wèn)題。和中國(guó)一樣，美國(guó)的水電、風(fēng)電也是遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的，要將發(fā)電輸送到用電量大的地方就必須大批建設(shè)高壓輸電工程。而這些輸電工程的投資之巨，建設(shè)周期之長(zhǎng)，建設(shè)難度之大，也是雅各布森教授沒(méi)有考慮的；
（4）雅各布森教授的研究為了追求零排放和低成本，采用了包括地下熱儲(chǔ)能和相變材料儲(chǔ)能等技術(shù)。但有些技術(shù)或處于研究階段，或還沒(méi)有成熟到可以大規(guī)模商用。雅各布森教授的研究中每一個(gè)家庭都會(huì)有一套地下熱儲(chǔ)能的假設(shè)更是不可能實(shí)現(xiàn)的。如果缺少了儲(chǔ)能設(shè)施這么關(guān)鍵的一環(huán)，那么新能源發(fā)電的波動(dòng)性就無(wú)法彌補(bǔ)，電網(wǎng)的穩(wěn)定性無(wú)法保證，100%新能源的實(shí)現(xiàn)則更是天方夜譚；
（5）大規(guī)模新裝的風(fēng)機(jī)所需的土地也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。雅各布森教授的研究中共計(jì)需要50萬(wàn)平方公里的土地，占美國(guó)國(guó)土面積達(dá)到了6%。再加上新建太陽(yáng)能電廠所需的土地，需求量會(huì)更大。如何征地也是個(gè)大難題；
（6）雅各布森教授提出的Loadmatch模型僅僅考慮了系統(tǒng)中的發(fā)電與負(fù)荷的平衡，但卻忽略了有功與無(wú)功的潮流，頻率與電壓的控制，以及運(yùn)行和規(guī)劃的備用等保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的其他很多因素。
基于這些問(wèn)題，克拉克認(rèn)為雅各布森的研究是沒(méi)有足夠和實(shí)際的分析的，沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值，當(dāng)然在此基礎(chǔ)上提出的100%新能源的實(shí)現(xiàn)路徑也就是無(wú)源之水，無(wú)本之木了。
面對(duì)如此尖銳的打臉，雅各布森教授簡(jiǎn)直是叔可忍嬸不可忍。他指責(zé)克拉克的攻擊是“最卑鄙的學(xué)術(shù)欺詐”。隨后他寫了一篇抗辯文章回應(yīng)克拉克的攻擊。不過(guò)在下看來(lái)，雅各布森教授的抗辯還是無(wú)法解決其研究在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用方面的缺陷，也就不在此贅述了，有興趣的可以下載來(lái)讀讀。
03
要建立全面新能源供電系統(tǒng)的設(shè)想在雅各布森教授之前已經(jīng)被多次提出過(guò)。早在2014年夏威夷州就提出要在2050年實(shí)現(xiàn)全州的100%新能源供電。但夏威夷作為一個(gè)遠(yuǎn)離美國(guó)本土的由幾個(gè)島組成的州和整個(gè)美國(guó)本土的情況還是不一樣。
美國(guó)在2016年總的用電量接近4萬(wàn)億千瓦時(shí)，而包括水電在內(nèi)的清潔能源只提供了其中的15%，因此要在2050年轉(zhuǎn)變?yōu)?00%新能源供電，難度之大是無(wú)法想象的。
除了建設(shè)難度之外，更重要的是經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)發(fā)展。美國(guó)電力工業(yè)的推進(jìn)主要由市場(chǎng)推進(jìn)。只有符合市場(chǎng)需求的技術(shù)才會(huì)得到關(guān)注，否則即使是新技術(shù)如果沒(méi)有市場(chǎng)需求的話也很難得到推廣的。近期的熱點(diǎn)，如需求側(cè)相應(yīng)，電池儲(chǔ)能以及微電網(wǎng)等技術(shù)也是在尋找到新的商業(yè)模式之后才開(kāi)始火起來(lái)的。簡(jiǎn)言之，美國(guó)的電力工業(yè)是自下而上的發(fā)展模式，與雅各布森教授企圖通過(guò)頂層設(shè)計(jì)然后向下推廣的路線在根本上是矛盾的。如果沒(méi)有市場(chǎng)的響應(yīng)，即使設(shè)計(jì)的很理想恐怕也不可能得到推廣的。
另外，無(wú)論是雅各布森教授還是克拉克的研究都忽視了另外一個(gè)重要的能量來(lái)源--天然氣。由于天然氣價(jià)格的大幅下降，以及其本身所具有的啟動(dòng)速度快，排放低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的重視，并新建了很多天燃?xì)怆姀S。在美國(guó)能源信息署做的預(yù)測(cè)中，2040年天然氣發(fā)電在電網(wǎng)中將占比38%。對(duì)比來(lái)說(shuō)，美國(guó)能源信息署所做的預(yù)測(cè)才是符合市場(chǎng)發(fā)展預(yù)期的，也更有指導(dǎo)意義。
圖5：美國(guó)能源信息署對(duì)未來(lái)發(fā)電的預(yù)測(cè)
04
既然不符合市場(chǎng)和應(yīng)用的要求，雅各布森教授研究如果要實(shí)現(xiàn)就必須依靠政府的大力投資和強(qiáng)制行政干預(yù)了。這不禁讓我想起來(lái)發(fā)生在20世紀(jì)80年代發(fā)生在美國(guó)的一個(gè)真實(shí)案例，記錄在《干凈的煤和骯臟的空氣》這本書(shū)中。
當(dāng)時(shí)的美國(guó)有兩種工業(yè)用煤，東部生產(chǎn)的煤和西部的煤。東部生產(chǎn)的煤價(jià)格便宜，但是含硫量高，雜質(zhì)多，效率低，污染也嚴(yán)重；而在西部生產(chǎn)的煤含硫量低，雜質(zhì)少，效率高，污染小，但是價(jià)格比較貴。當(dāng)時(shí)很多工廠樂(lè)于購(gòu)買西部的煤，雖然貴一些，但是效率高，污染小。東部的煤礦主因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)力較弱，收益也就下降了。為了搶奪市場(chǎng)，他們就想了一個(gè)辦法，聯(lián)合起來(lái)游說(shuō)政府增加環(huán)保力度。政府就頒布了環(huán)保條例，強(qiáng)迫要求所有燒煤的工廠安裝一種昂貴的過(guò)濾器。當(dāng)工廠迫于壓力裝了這種昂貴的過(guò)濾器以后，導(dǎo)致他們的生產(chǎn)成本上升，也就沒(méi)有積極性去買那些污染少，但價(jià)格較貴的西部的煤了。為了降低成本只好去買那些污染嚴(yán)重的東部的煤。最后的結(jié)果當(dāng)然是是空氣質(zhì)量不但沒(méi)有變好，反而更加糟糕了。
100%新能源供電能否實(shí)現(xiàn)？如何實(shí)現(xiàn)？恐怕會(huì)在近期一直爭(zhēng)論下去。但是不可否認(rèn)的一點(diǎn)是，如果不能從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的本身出發(fā)，經(jīng)濟(jì)規(guī)律出發(fā)，不僅最初節(jié)能減排的目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，還有可能適得其反，造成更大的浪費(fèi)。
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