《科學(xué)人》網(wǎng)站上的文章——幻想美國如何在之后的半個世紀(jì)以太陽能解決世紀(jì)能源危機（A Solar Grand Plan）

（以下表述金額皆為美金）

如今汽油及家庭供暖用油價格高漲。美國發(fā)起中東戰(zhàn)事的原因也有保護(hù)境外石油生意的成分。再加上中國、印度及其他國家的化石燃料需求日益增加，圍繞能 源的紛爭日趨熱化。即使在這個情況下，燃燒煤(coal)、天然氣的電廠(power plant)以及鋪天蓋地的車輛依然持續(xù)排放著數(shù)百萬噸的污染物和溫室氣體進(jìn)入大氣，從而威脅著這個星球。

盡管科學(xué)家、工程師、經(jīng)濟(jì)學(xué)家及政治人物們意圖利用各種方法去降低化石燃料的使用量，但那是不夠的。美國需要一個更龐大的計劃才能從化石燃料中抽身。我們的分析促使我們承認(rèn)大規(guī)模轉(zhuǎn)用太陽能才是符合邏輯的方法。

太陽能的潛在能量是無法預(yù)知的。日光照射地表40分鐘的能量相當(dāng)于全球能量消耗1年的份量。很幸運的，美國擁有廣大的疆域。西南部適合鋪設(shè)太陽能裝 置的地區(qū)就有超過25萬平方英里，而將這片地域1年吸收的4500兆英熱單位(British thermal units, Btu)的太陽輻射中的2.5%轉(zhuǎn)化為電能的計劃將在2006年配合國家能源消耗推出。

把國家能源來源轉(zhuǎn)換到太陽能需要在大量土地上鋪設(shè)太陽能電池面板(photovoltaic panel)，亦需要架設(shè)一直流電(direct-current, DC)傳導(dǎo)中樞以便高效的在國內(nèi)傳輸電力。

當(dāng)下的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到足夠水平了。接下來要在這里介紹一個可以提供美國電力69%及35%能源（包括傳輸）的偉大計劃。這個太陽能計劃將在2050年 前實施。我們計劃能將這些能源以與現(xiàn)在普通能源的價格出售給客戶，即千瓦小時(kWh)約5分。如果風(fēng)能、生物能量與地?zé)嵬瑯幽芡瓿砷_發(fā)則全國所有的電能 消耗和90%的其他能量消耗都能使用環(huán)保能源。

聯(lián)邦政府需要投資4000億在將來的40年才能完成2050計劃。盡管需要的金額相當(dāng)龐大但是回報是更大的。太陽能廠消耗的能量趨近于無，每年可以 節(jié)省約10億。一間產(chǎn)生的能源相當(dāng)于300間煤電廠再加300間天然氣廠以及它們的運行消耗。這個計劃能有效地消除對輸入油的需要，能從根本上解決美國的 財政赤字并舒緩美國與中東及其他地區(qū)的外交問題。而因為太陽能廠是接近無污染的所以這個計劃每年可以減少17億噸溫室氣體的排放，另外由綜合燃料包括太陽 能的汽車取代汽油汽車還可以再減少19億噸由汽油車排放的污染氣體。到2050年時美國的二氧化物排放將會剩下2005平均的62%，推動解決全球暖化。

太陽能發(fā)電田

過去幾年在生產(chǎn)太陽能發(fā)電池及組件的投資相當(dāng)程度上停止了，開始進(jìn)入鋪設(shè)階段。雖然樣式眾多，但是如今最便宜的組件是由鎘碲化合物(cadmium telluride)制造的薄膜。如果要在2020年達(dá)成電力每千瓦時6分錢的話，鎘碲化合物轉(zhuǎn)換電力的效率至少要在14%以上、而系統(tǒng)的安裝則需要降至 1.2元每瓦容量?，F(xiàn)在通用的組建效率約為10%系統(tǒng)安裝費用需要4元每瓦。盡管進(jìn)程的速度還需要更快，但是科技的進(jìn)步已經(jīng)很迅速了，過去的12個月中效 率已經(jīng)從9%提升到10%。藉著它的無消耗特性加上技術(shù)逐漸改良，在屋頂上安裝太陽能發(fā)電面板將成為一種有競爭價值的房屋配件，因為它可以大量減輕白天的 能源消耗。

按照我們的計劃，在2050年太陽能發(fā)電技術(shù)將可以產(chǎn)生將近3000億甚至3兆瓦的能量。這需要在3萬平方英里建設(shè)太陽能發(fā)電廠，盡管這個數(shù)字聽起 來很龐大但是架設(shè)這些遠(yuǎn)比現(xiàn)在在西南部架設(shè)煤炭廠和煤礦礦區(qū)要小得多。國家可再生資源實驗室的研究表明西南部有比足夠量還要廣大的可利用區(qū)域，不包括環(huán)境 敏感區(qū)(environmentally sensitive area)、人口集中地區(qū)或地形復(fù)雜地帶。亞利桑那州水土保持部門發(fā)言人Jack Lavelle曾表示該州80%的土地都非私有地且該州對太陽能源的開發(fā)很有興趣。太陽能源可以達(dá)到對環(huán)境造成最小影響。

現(xiàn)在最需要的就是將組件效率提升到14%。盡管通用的組件不會使用如實驗室里的材料但是如今在國家可再生資源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)的鎘碲化合物效率已經(jīng)達(dá)到16.5%而且還在上升。同時至少第一家生產(chǎn)商——在俄亥俄州Perrysburg的初創(chuàng)公司 （First Solar）已經(jīng)在2005到2007年間把組件效率從6%提升到了10%且將在2010年達(dá)到11.5%。

加壓洞室(pressurized cavern)

太陽能發(fā)電最大的限制條件莫過于在陰天及夜晚只能生產(chǎn)微量能源。為此在晴天必須儲存?zhèn)溆玫哪茉匆怨┢渌麜r候使用。而大部分能源儲存設(shè)備諸如電池等都很貴而且缺乏效率。

壓縮空氣能源儲存是比較成功的方法之一，即讓太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電力將空氣壓縮進(jìn)空曠地下洞室、廢棄礦山、地下水含水層(aquifers)及廢棄天 然氣井中。釋放這些壓縮空氣可以推動生產(chǎn)電力的渦輪機，只需要燃燒少量天然氣輔助。壓縮空氣能源儲存自1978年起已經(jīng)在德國Huntorf穩(wěn)定運行，阿 拉巴馬州的McIntosh也在1991年加入這個行列。這些渦輪機只需要燃燒原本需要量的40%即可，而更先進(jìn)的熱能回收技術(shù)可以把這個值降低到 30%。

加州Palo Alto電力科學(xué)研究院研究指出現(xiàn)今壓縮空氣能源儲存的成本是鉛酸蓄電池的一半左右。研究同時表示這種設(shè)備會增加3或4分錢每千瓦時的太陽能發(fā)電成本，于是2020年能源價格應(yīng)該是8或9分錢每千瓦時。

從西南部太陽能發(fā)電田生產(chǎn)出的電力經(jīng)過高壓直流電纜傳輸?shù)奖榧叭珖膲嚎s空氣能源儲存設(shè)施，然后由渦輪機制造全年使用的電力。要達(dá)成這樣目的其關(guān)鍵 就是尋找適合的基地。由天然氣生產(chǎn)商及電力科學(xué)研究院(Electric Power Research Institute)的篩選指出75%適合架設(shè)基地的地點都靠近大都市區(qū)域。確實壓縮空氣能源儲存系統(tǒng)也與天然氣系統(tǒng)有不少相似。天然氣工業(yè)有8兆立方英 尺氣體儲存在400個地下儲存庫中，而我們這個計劃在2050年會需要5350億立方英尺儲存空間給壓縮成每立方英吋1100磅的壓縮氣體。這項開發(fā)會有 一定難度、需要大量的空氣筒但是天然氣生產(chǎn)商一定會有興趣涉及這個領(lǐng)域的。

熱鹽

另一項現(xiàn)今可以供應(yīng)大約五分之一太陽能源的是聚光太陽能發(fā)電(concentrating solar power)。在一面被計算過的長形金屬鏡上反射陽光到一條充滿流體的管子中，被如放大鏡般的效果加熱后的流體經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換器，生產(chǎn)出的蒸汽推動渦輪轉(zhuǎn) 動。為了儲存能量管子會被導(dǎo)入一充滿熔鹽的大型絕緣隔熱罐體中以保持熱效率。熱能會在夜間提取形成蒸汽然后熔鹽慢慢冷卻。所以能源的儲存需要花費一整天。

九座總發(fā)電量3.54億瓦（MW）的聚光太陽能發(fā)電廠已經(jīng)在美國持續(xù)提供電力。一座在內(nèi)華達(dá)州的6.4千萬瓦發(fā)電廠也已經(jīng)在2007年3月開始運 作，不過這座發(fā)電廠沒有蓄熱。還有一座具有7小時鹽儲存的50MW發(fā)電廠正在西班牙興建，還有更多的電廠在世界開工。這些電廠需要16小時來儲存電力并可 以提供24小時的電能。

現(xiàn)有的聚光太陽能發(fā)電廠證明聚光太陽能發(fā)電是可行的，但是其成本勢必需要降低。規(guī)模和持續(xù)性經(jīng)濟(jì)研究將有助于他們降低成本。在2006年由西部州長 協(xié)會中太陽能專責(zé)小組(Solar Task Force)提出的報告中指出聚光太陽能發(fā)電可以在2015年提供每千瓦時10美分或更低的價格如果有總發(fā)電量超過4百億瓦的電廠進(jìn)入運營。設(shè)法提高熱能 轉(zhuǎn)換器的溫度將可提高經(jīng)營效率。工程師也正在研究如何讓熔鹽本身成為熱交換液以減少熱流失及成本。但因為鹽具有腐蝕性所以還需要更有彈性的管道系統(tǒng)。

聚光太陽能發(fā)電與太陽能電池是兩種不同的技術(shù)途徑。但兩者都還沒有完全發(fā)展，所以我們的計劃讓它們都能在2020年大規(guī)模部署，也給它們時間去變得成熟。然后太陽能技術(shù)也能得到進(jìn)化以滿足經(jīng)濟(jì)的要求。從中工程師可以評估兩者的優(yōu)缺點讓投資者決定支持一方。

直流電

太陽能發(fā)電站的地理位置與國家電流供應(yīng)計劃是明顯不同的。今日煤炭、石油、天然氣和核能的發(fā)電廠遍布各地，與它們需要的資源本身距離在較近的地方。 而美國大部分的太陽能電廠將會建在西南地區(qū)而現(xiàn)在的交流電(AC)網(wǎng)絡(luò)還不足以承載將這些發(fā)電站出來的能源傳送到客戶處，而在傳輸過程中將會損失大量的能 源，所以架設(shè)一種新型的高壓直流電(HVDC)傳輸骨干是勢在必行。

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)研究表明高壓直流電傳輸將可比交流電傳輸減少不少消耗。而這些骨干網(wǎng)絡(luò)將會從西南地區(qū)輻射整個國家直到當(dāng)?shù)氐霓D(zhuǎn)換站切換成交流電然后沿著區(qū)域線路發(fā)送給當(dāng)?shù)氐目蛻簟?br />
盡管直流電系統(tǒng)簡而有力但是仍在在如加州等地缺乏占有率。直流電線路比交流電線路要便宜而且需要較少的土地，現(xiàn)今已經(jīng)有約500英里的高壓直流電線 路在美國穩(wěn)定運行。盡管架設(shè)不需要大量先進(jìn)技術(shù)但是經(jīng)驗的不同將會對業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。德州的西南電力聯(lián)營(Southwest Power Pool)正在設(shè)計一個直流交流綜合系統(tǒng)使在西德克薩斯州的1千億瓦的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)物能傳輸出去。TransCanada公司亦提出要鋪設(shè)2200英里的高 壓直流電線路來輸送自蒙大拿州和懷俄明州的風(fēng)能到南部拉斯維加斯及更遠(yuǎn)。

第一階段：現(xiàn)在到2020

我們鄭重考慮過如何讓宏偉太陽能計劃實施，從而預(yù)見兩個截然不同的階段。第一，從現(xiàn)在開始到2020年必須使太陽能具備競爭力也就是有大批生產(chǎn)的水 平。這需要政府保證提供30年的貸款和購買合約并提供價格的補貼。年度的補助從2011到2020年緩步提升讓太陽能技術(shù)與競爭力拉上來，期間累計補貼總 額4億2千萬（我們稍后會解釋如何支付這項草案）。

約能生產(chǎn)8400億瓦的聚光太陽能發(fā)電及太陽能電池廠將會在2020年建成，與此同時直流電傳輸系統(tǒng)也有了一定基礎(chǔ)。它將沿州際公路架設(shè)以減少土地 征用及監(jiān)管的障礙。這條主干線的市場是鳳凰城、拉斯維加斯、洛杉磯和圣地牙哥西至圣安東尼奧，達(dá)拉斯，休斯頓，新奧爾良，伯明翰，阿拉巴馬州，坦帕，佛羅 里達(dá)州然后東起亞特蘭大。

在首5年建設(shè)能產(chǎn)生150億瓦的太陽能電池廠和150億瓦的聚光太陽能發(fā)電廠將刺激商家擴大規(guī)模。在之后的5年內(nèi)每年攀升500億瓦并幫助企業(yè)優(yōu)化 生產(chǎn)線，這樣太陽能發(fā)電的價格將下降到6美分每千瓦時。這個時間表是現(xiàn)實的因為自1972到1987年美國核電站每年增幅就是500億瓦，而且太陽能電廠 的架設(shè)要比其他電廠快和簡單也沒有對周圍環(huán)境產(chǎn)生安全問題的疑慮。

第二階段：2020到2050

如果這個市場刺激措施在2020年依然歷久不衰，就可依然維持增長。把下一個點設(shè)定在2050年的保守進(jìn)行。假設(shè)不包括技術(shù)和成本的改善在2020 年以后還維持1%的增長，到2050年太陽能發(fā)電廠將供應(yīng)全美電力的69%和35%的能源。這數(shù)量包括足以供應(yīng)所有3.44億混合動力汽車的電力消耗，這 將取代對進(jìn)口外國石油的依賴，并減少溫室氣體的排放。還能增加約300萬人的就業(yè)機會，分布在研究制造太陽能組件的單位，這些空缺遠(yuǎn)多于失業(yè)量大的礦物燃 料工業(yè)。

大量減少進(jìn)口石油每年將能減少3千億美元支出，假設(shè)原油價格每桶60美元（平均價格將較現(xiàn)在高）。雖然一旦太陽能發(fā)電站架設(shè)了就需要維護(hù)和修理但是 作為原材料的陽光卻是永遠(yuǎn)免費的，如此能持續(xù)節(jié)省燃油。而太陽能投資將提高國家能源安全、減少軍隊財政負(fù)擔(dān)、降低抵抗全球變暖的社會成本。從人類健康問題 到被侵占的海岸線和農(nóng)地等問題都能得到舒緩。

另外，太陽能宏偉計劃將可降低能源消耗。即使能源的需求在以1%的年增長率增加中但盡管2006年消耗了100兆Btu2050年卻可以下降到93兆Btu。這是因為在提取石油燃料的時候?qū)速M燃燒，而在此計劃中能限制其消耗。

為了滿足2050計劃的要求，將需要46000平方英里的土地來架設(shè)聚光太陽能發(fā)電及太陽能電池廠。雖然這個土地面積很龐大但是這只占有西南地區(qū)土 地的19%，這些土地大多荒蕪，沒有相互競爭的使用價值，而且架設(shè)電廠不會造成污染。我們假設(shè)，在2050年只有10%的太陽能會來自架設(shè)在全國各地商業(yè) 地段屋頂上的太陽能電池裝置。但是隨著價格的下降，這些應(yīng)用將會有更大的影響。

2050年及以后

盡管預(yù)測50年以后的事情是不可能的。但是作為一個假設(shè)，我們?yōu)槌浞终故緷摿Φ奶柲茏髁艘粋€設(shè)想。到了2100年根據(jù)我們的計劃總能源（包括運輸消耗）預(yù)計會達(dá)到1.4兆Btu，是現(xiàn)在總發(fā)電能力的7倍。

我們保守點，估計太陽能電廠的總產(chǎn)量需要根據(jù)歷史最差的情況來推斷。在1982到1983的冬季在西南地區(qū)的太陽輻射條件及1992年和1993年 后根據(jù)1961到2005年的全國太陽輻射資料庫(National Solar Radiation Data Base)摩皮納圖博火山爆發(fā)。我們不預(yù)測到時技術(shù)及材料的改善，在2020年以后的80年間一定會提升太陽能的效率、成本和儲存技術(shù)。

根據(jù)這些假設(shè)，美國的能源需求可以由如下完成：2.9太瓦(terawatts, TW)的太陽能電池能源將會向傳輸另一端的壓縮空氣能源儲存設(shè)施壓縮7.5太瓦、2.3太瓦的聚光太陽能發(fā)電能源、及分布的1.3太瓦的太陽能電池能源。 再加上1太瓦的風(fēng)力發(fā)電田、0.2太瓦的地?zé)岚l(fā)電廠及0.25太瓦生物能量。該模型包括0.5太瓦的地?zé)岜弥苯訕?gòu)筑采暖和制冷。該太陽能系統(tǒng)需要16萬5 千平方英里的土地，這仍然少于西南地區(qū)的可用面積。

在2100年這樣的可再生能源組合可以生產(chǎn)100%的美國電力及90%以上的美國總能源。在春季和夏季太陽能基礎(chǔ)設(shè)施能生產(chǎn)足夠的氫來滿足90%以 上的所有運輸燃料的需求，并會取代小型天然氣供應(yīng)用于輔助壓縮空氣漩渦機。加入480億加侖的生物燃料將用于其余的運輸能量。與能源有關(guān)的二氧化碳排放量 將會減少92%，即低于2005年的水平。