如何用太阳能农场解决气候变化问题

本文讨论了如何用大型太阳能发电场取代世界上所有的石油、天然气和煤炭。

太阳能有问题

关于太阳能农场的新闻报道展示了主题令人振奋的太阳能电池板图片。然而，他们忽略了农场旁边的东西，那里通常是空的。这更有趣，因为它告诉我们这些不利于赚钱，因为如果有的话，有人会建造更多。在多年的正面消息之后，读者可能会怀疑太阳能是否存在问题。那么让我们来看看数字。下图显示了每个国家来自太阳能的总能源的百分比。请注意插图底部刻度上的小数字。

 

下图显示了美国的太阳能装置和阳光照明。美国2.3%的电力来自太阳能发电场（96 / 4126 TWh/yr）；它从太阳能发电场获得总能源的 1.0% （96 / 9205 TWh/yr）。

 

如果我们查看拉斯维加斯附近地区的卫星视图，如下图所示，我们只看到一小部分土地用于太阳能发电场。内华达州有大量未使用的阳光充足的土地，太阳能电池板也很便宜；然而，这个州的大部分电力来自天然气。这告诉我们太阳能在解决 远方消费者的传输挑战之前会遇到障碍。

 

太阳能的现实

由于以下几个障碍，太阳能农场并不受欢迎：

间歇性：当太阳停止发光时，光伏太阳能发电场关闭，这意味着当太阳能关闭时，需要另一个发电站打开。拥有两个设施是昂贵的。

协同定位过程的未充分利用：当使用光伏太阳能为制氢等工业过程提供动力时，加工设备有大约 75% 的时间处于闲置状态，这是成本高昂的。

光伏太阳能的储能成本高昂：作为上述问题的补救措施，人们可能会考虑每天 24 小时存储能量和供电。但是，在使用光伏太阳能时，存储成本很高。或者，在使用集中的太阳能熔盐时，储存是便宜的，因为可以以很少的额外成本将已经热的盐放入罐中。然而，聚光太阳能目前很昂贵。

传输成本高昂：典型的绿色能源传输方法是电线中的电力、管道中的氢气或液氨，以及火车或轮船上的罐中的液氨。相对于将碳基发电站靠近消费者而言，所有这些都是昂贵的。

美国绿色能源预测

美国能源信息署 （EIA） 2021 年展望报告预测，美国太阳能发电场和建筑物光伏发电量将从 2020 年的 125 TWh/年（~3%）增加到 2050 年的~1000 TWh/年（~20%），如下所示。由于各种限制，预计到 2050 年太阳能不会超过美国总电力的 20%。然而，如果工程师们让光伏太阳能和聚光太阳能比碳基燃料更便宜，并且政府不增加对太阳能行业的干预，这种情况就会改变。

 

如果仔细观察上图，他们可能会注意到煤炭和天然气并没有减少。因此，EIA 预计美国的 CO 2排放量将在未来 30 年内保持不变。有关美国和其他国家为什么会失败以及人们可能会怎么做的讨论，请参阅实现零 CO 2排放的计划。

关于太阳能的好消息

一个覆盖内华达州 38% 的太阳能发电厂可以提供足够的能源来满足美国的能源需求；并取代所有的石油、天然气和煤炭。此外，中国的沙漠大到可以为整个中国供电，而北非的沙漠大到可以为整个欧洲供电。换句话说，土地不是问题。

24 x 365 太阳能 = PV 太阳能 + 聚光太阳能 + 熔盐储存 + 碳燃料

集中太阳能，如左图所示，从太阳中获取热量并用它来发电。在一个典型的系统中，太阳加热熔盐，熔盐产生蒸汽，蒸汽推动电动涡轮机。或者，如右图所示，PV 太阳能使用硅或薄膜材料将太阳能直接转换为电能。

 

聚光太阳能可用于直接通过热量制造东西，如将沙漠变成工厂 中所述。这很重要，因为我们需要比非生热成本更低的生热来制造材料；通过电力产生热量的成本很高。

光伏太阳能成本低于聚光太阳能；然而，通过将已经很热的盐放入罐中，聚光太阳能可以更容易地储存能量。此外，当恶劣天气耗尽存储空间时，人们可以在聚光太阳能发电厂燃烧天然气或煤炭，以加热熔盐或蒸汽。这样做的额外成本很低，因为蒸汽发生器和其他基础设施已经到位。所需要做的就是添加燃料、熔炉和火花。

将PV 太阳能、聚光太阳能和碳基燃料相结合，是获得可靠的 24 小时、一年 365 天的太阳覆盖的最低成本方式，并减少对伴随碳基能源转变的需求打开，当太阳能关闭时。

下图所示的瓦尔扎扎特太阳能发电站是将光伏与聚光太阳能并置的示例。

 

一个可以大小光伏太阳能满足中午的需求，大小聚光太阳能来弥补平衡。例如，如果您在中午总共需要 1 GWe，那么 0.021 美元/千瓦时（0.67 美元/瓦）的光伏太阳能将被定为 1 GWe，并且与存储并置的 0.049 美元/千瓦时（1.41 美元/瓦）聚光太阳能将被定为需要。聚光太阳能将在中午储存，并在光伏太阳能无法满足需求时提供帮助。例如，如果 33% 是 PV，66% 是集中的，那么客户的平均成本将为 0.040 美元/千瓦时（1.16 美元/瓦）。

上述数字基于NREL对 2050 年（洛杉矶 - 中期）美国太阳能的估计成本。美元/瓦特值假设每瓦特以全功率运行 5.3 小时/天 （22%），平均而言，这是美国西南部的典型情况。由此产生的 0.040 美元/千瓦时的成本类似于美国当前的天然气电力成本 （NREL Gas-CC-AvgCF）。

仅用太阳能农场解决气候变化问题

美国西南光伏太阳能发电场目前的发电成本与天然气相似（0.040 美元/千瓦时）；然而，这只是微不足道的帮助。天然气电力是可调度的，这意味着您可以在需要时获得；PV是间歇性的。你不能用一个交换另一个并得到同样的东西。您需要添加带存储的聚光太阳能以获得可调度系统，然后该系统可以取代燃气或燃煤发电厂。据 NREL 称，在美国西南部将光伏太阳能与集中太阳能相结合，成本为 0.08 美元/千瓦时（2021 年），是天然气发电的两倍。换句话说，我们需要将今天的聚光太阳能和光伏太阳能的成本降低 2 倍，以击败基于碳的可调度电力。

可以考虑在建筑物上使用光伏而不是在农场上使用光伏；然而，家庭光伏的成本通常是农场光伏的 3 倍，商业建筑光伏的成本通常是农场光伏的 2 倍，以美元/千瓦时为单位。此外，光伏建筑在太阳落山时大量使用传输和外部发电设备。维护这种外部设备的成本很高。从理论上讲，光伏建筑应该为“存储”充电，因为它们在将电子推入/拉出电网时进行存储，即使它们是净生产者。

有几件事可以使太阳能发电场更可行：

降低集中太阳能的成本，如将沙漠变成工厂中所述。

降低光伏太阳能的成本，如机械化陆地光伏太阳能中所述。

降低传输成本，如如何降低电力传输成本中所述。

建立联邦政府监管的透明太阳能发电场区，如政府需要思考大局中所述。

增加政府对太阳能行业的干预，如如何加速绿色能源生产中所述。

我们能否使远程可调度太阳能比靠近消费者的碳更便宜？我相信，如果不首先在粗略设计和成本模型上花费数百万美元，以便更好地了解数字，我们就无法回答这个问题。而真正让它发挥作用可能需要数百亿美元用于自动化工程和工厂。

全球太阳能农场数学

我们现在将运行数字，看看需要什么才能完全通过沙漠中的太阳能农场解决全球范围内的整个气候变化问题。换句话说，我们将计算在全球范围内完全取代石油、煤炭和天然气需要多少太阳能。

我们将使用一个简单的模型使其易于理解，并忽略能源消耗增长和不同类型能源等问题。此外，我们将假设远距离太阳能的存储和传输成本低于靠近消费者的碳选项。换句话说，这是在我们降低今天的成本之后。如果我们不实现这一目标，例如太阳能发电场提供了世界能源需求的 20%，那么将以下数字乘以 20%。

世界消耗 583 EJ/yr 的热能（例如石油、天然气和煤炭），当使用 35% 效率的涡轮机 （583e18 * 277.8 * 35% / 1e12） 转换时，这相当于 56，000 TWh/yr 的电力。如果太阳能平均每天全功率运行 5.3 小时 （（56，000 * 1e12 / （24hrs * 365days）） / （1e9 * 5.3hrs / 24hrs）），这相当于大约 28，900 GWe 的太阳能。例如，如果每天使用 5.3 小时每平方米获得 140W 功率，那么这将对应于 206，000 平方公里的太阳能材料，例如 （（28，900 * 1e9 / 140W） / （1000m * 1000m））。如果该设施的 30% 被太阳能材料覆盖，则需要 686，000 平方公里的土地 （206，000 / 30%）。

例如，如果太阳能加存储设备的成本为 1.16 美元/瓦（0.04 美元/千瓦时，5.3 小时/天），那么全球总成本将为 33.6 吨。如果分摊超过 30 年（28，900 * 1e9 * $1.16 / 30yrs），这相当于每年 $1，121B。每个国家的成本与他们在碳基系统上的花费相似：美国 182 美元/年（16%），中国 272 美元/年（24%），欧洲 161 美元/年（14%） 。 如果绿色比非绿色便宜，政府就不需要为此买单，因为资本市场会放贷。

上述数字可能看起来很高；然而，它们与美国天然气电力的当前成本相匹配（0.04 美元/千瓦时）。使用太阳能，人们在最初建造时会付出高昂的代价，而且燃料是免费的。或者，对于碳，人们最初支付小额费用，然后随着时间的推移为燃料支付大额费用。为了比较这两者，我们看一下 LCOE $/kWh 电力成本，它结合了初始建设成本和燃料超时成本。上述 33.6T 美元的太阳能数字对应于今天的天然气电力成本。

全世界每年增加 131 TWh/年的太阳能。如果世界想要在 30 年内建造足够的太阳能来满足当今的能源消耗，则需要将太阳能产量提高 14 倍，例如 （（56，000 / 30yrs） / 131）。这就引出了一个问题，“什么会导致世界太阳能产量增加 14 倍？”

美国能源消耗量占世界总量的16%，内华达州为28.6万平方公里；因此，美国需要分配内华达州的 38% 来抵消美国能源消耗总量 （686，000 * 16% / 286，000）。

上述许多数字都是粗略估计，由于各种原因，在任一方向上都可能相差两倍。我们简化以使其更易于遵循。

如果您想用自己的数字重新计算上述计算，请下载我们的电子表格并查看工作表“计划”中的“使用太阳能农场解决气候变化问题”。

这个太大了

读者可能会认为上面的数字太大了（因为它们太大了）。

关于胡佛水坝、伦敦阵列风电场和首航太阳能发电场的新闻报道没有说明需要多少来满足世界能源需求。随后，世界不知道我们从石油、天然气和煤炭中获得了多少能源。简短的回答是“很多”。

如果世界领导人想知道如何处理这个问题，我建议他们花更多的时间与世界上的亨利福特在一起。他们是唯一知道如何处理大规模的人，这就是。

为了更好地了解沙漠的位置，可以参考维基百科的沙漠列表。

结论

政府不需要为 206，000 平方公里的太阳能材料付费。反而; 他们需要通过工厂大规模生产和自动化将光伏太阳能和聚光太阳能成本降低两倍；降低成本的长距离输电；然后让市场做剩下的事情。而且，一国实施降本后，可以免费赠送工程，为其他国家脱碳。

困难的部分是这要求政府不要停止期望其他人这样做，而是愿意在降低成本的工程上花钱。

一个人可以分阶段工作，先用小钱验证可行性，然后再花大钱。例如，1 亿美元的阶段 I 开发粗略设计和成本模型，3 亿美元的阶段 II 进行详细设计和原型，1B 美元的阶段 III 建造示范设施，而 100 美元的阶段 IV 建造工厂。

不幸的是，四个阶段可能需要 10 年，因为工程需要时间。

我们不知道远距离的 24 x 365 太阳能加传输是否可以比靠近用户的碳更便宜；因此，政府不应该考虑第一阶段的成本降低工程来了解更多信息。

NREL 的 ATB模型预计需要 30 年时间才能获得低于碳成本的光伏太阳能和聚光太阳能。但是，如果建造替代石油、天然气和煤炭的大型太阳能发电场需要 20 年的时间；我们希望在 2052 年实现零 CO 2排放；那么我们需要在 2032 年（2052 年 - 20 年）使用比碳更便宜的聚光太阳能。

总之，政府不需要更多地参与降低大型太阳能发电场的电力和材料成本。