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关于“新能源经济”41个令人难以接受的事实

文 / 马克·米尔斯  禅心云起 译

每周都会有市长、州长、政策制定者或专家一窝蜂地要求(或预测)一个完全依赖风能能和电池的能源未来,以便从给人类社会充当了好几个世纪燃料的碳氢化合物“重压”下解脱出来。

无论对于是否需要或何故要求能源“转型”有什么看法,结合“尺度现实”的能源物理学和经济学都清楚表明了,在可预见的未来,不可能出现什么类似于激进“新能源经济”的景象。比尔·盖茨说过,当涉及到理解能源现实时,“我们需要用算术来搞懂这个问题。”

他这样说是对的。因此,这里是从基础算术出发对一些基本事实的总结。(有关解释、文档和引用,请参阅完整的报告。)

关于能源需求尺度的现实

1.碳氢化合物供应占到世界总能源的80%以上:这一切如果都以石油形态存在,那么这些石油桶将从华盛顿特区一直排到洛杉矶,且这条线路每周增加的长度,都相当于华盛顿纪念碑的高度。

2.碳氢化合物在世界能源使用中所占比例下降了2个百分点,导致在此期间全球用于替代能源的累计支出超过2万亿美元;今天,太阳能和风能供应只占全球能源不到2%。

3.当全球40亿贫困人口人均能源使用量增加到欧洲人均水平1/3时,全球需求增加量将相当于美国总消费量的两倍。

4.(假设)到2040年,上路的电动汽车数量增长100倍,达到4亿辆,将替代全球石油需求的5%。

5.可再生能源必须扩大90倍,才能在20年内替代全球的碳氢化合物。半个世纪后,全球石油产量“仅”扩大10倍。

6.要在未来30年里替代美国以碳氢化合物为基础的发电,需要一个以比以往任何时候都快14倍的速度铺设电网的建设计划。

7.即使取消用碳氢化合物给美国发电(不可能很快实现,几十年内都不可能实现),美国70%碳氢化合物的使用仍原封不动——美国使用了世界16%的能源。

8.效率导致产品和服务价格降低,能源需求量增加:自1990年以来,全球能源效率提高了33%,经济增长了80%,全球能源使用量增加了40%。

9.效率导致能源需求量增加:自1995年以来,航空燃料使用量/客位英里数下降了70%,航空交通量增长了10倍以上,全球航空燃料使用量增长了50%以上。

10.效率导致能源需求量增加:自1995年以来,每字节耗能减少了约1万倍,但全球数据流量增加了约100万倍;全球用于数据运算的电量飙升。

11.自1995年以来,世界能源使用总量增长了50%,相当于增加了整整两个美国的需求量。

12.为了保障安全和可靠性,全美对碳氢化合物无论何时都有平均2个月的储存需求。今天在美国,所有实用尺度的电池加上100万辆电动汽车的全部电池,仅能满足全美2小时电力需求。

13.特斯拉GIGA十亿级工厂(全球最大电池厂)每年生产的电池仅能储存相当于美国年电力需求3分钟的电量。

14.要生产足够储存2天美国电力需求的电池,这家全球最大电池厂(特斯拉)需要生产1000年。

15.每生产10亿美元飞机,在过去20年里就会消耗大约50亿美元航空燃料。

全球每年在新飞机上花钱超过500亿美元,还在不断增长。

16.在数据中心上每花费10亿美元,就会在20年内消耗70亿美元电力。

全球对数据中心的支出每年超过1000亿美元,还在不断增长。

关于能源经济学的现实

17.在30年时间内,价值100万美元达到实用尺度的太阳能或风能发电设备分别产生4000万千瓦时和5500万千瓦时电能:一座价值100万美元的页岩气井生产的天然气足以在30年内产生3亿千瓦时电能。

18.建造一座页岩井的成本大致相当于建造两台风力涡轮发电机的成本:后者每小时合起来生产的电能相当于0.7桶石油,页岩钻井平均每小时生产10桶石油。

19.储存一桶石油(或其按油气当量折合的天然气)成本不到0.5美元,但将一桶石油等效能量储存在电池中的成本高达200美元。

20.风能和太阳能成本模型分别假定了41%和29%的容量系数(即它们多常发电)。现实世界的数据显示了,这两项指标都要低10个百分点。

这意味着,一台2兆瓦300万美元风力涡轮发电机,在它20年使用寿命内产生的电能,比假设的要少赚300万美元。

21.为了补偿不稳定的风能能输出,美国的各家公用事业公司正在使用燃烧石油和天然气的往复式发动机(大型游轮式柴油发动机);自2000年以来,新增电网数量是此前50年的3倍。

22.风力发电场的容量系数以每年约0.7%的速度提高;这一微幅增长主要来自每英亩涡轮机数量的减少,导致用于生产千瓦时风能的平均土地增加了50%。

23.美国90%以上的电力以及99%交通运输用电力来自于但凡市场需要即可随时向经济提供能量的能源。

24.风能和太阳能机器平均在25%到30%的时间里产生能量,而且只有在自然条件允许的情况下。传统发电厂几乎可以连续运转且随需取用。

25.页岩油气革命导致天然气和煤炭价格暴跌,这两种燃料为美国提供了70%的电力。但电价没有下降,自2008年以来反而上涨了20%。对太阳能和风能的直接和间接补贴抵消了这些节约。

能源物理学…难以接受的现实

26.政客和专家好引“登月”的豪言壮语。但是,让能源经济转型,并不像把几个人送上月球那么简单,其难度就好像把全体人类永久性送到月球上居住。

27.常见的陈词滥调是:能源技术的颠覆效应相呼应于数字技术的颠覆效应。但制造信息的机器和制造能源的机器涉及的物理原理大相径庭;这句陈词滥调,比起把苹果和保龄球相提并论还要愚不可及。

28.如果太阳能发电设施的尺度有如计算机技术那样,那么一张邮票大小的太阳能电池阵列将为帝国大厦提供动力。

不过这只会发生在漫画书里。

29.如果电池的尺度有如数字技术那样,一本书大小的电池只要3美分就可以为飞往亚洲的喷气客机提供动力。

不过这只会发生在漫画书里。

30.如果内燃机的尺度有如计算机那样,汽车发动机就能缩小到蚂蚁一般大小,产生一千倍的马力;实际像蚂蚁大小的发动机产生的功率要小10万倍。

31.太阳能技术不存在像数字技术那样的10倍速率改进。太阳能电池的物理极限(肖克利-奎伊瑟极限)是最大光电转换率33%;目前商用电池的比例为26%。

32.风能技术不存在像数字技术那样的10倍速率改进。风力涡轮发电机的物理极限(贝茨极限)是在气流中最大捕获60%的能量;商用涡轮发电机达到45%。

33.电池不存在像数字技术那样的10倍速率改进:一磅石油的最大理论能量比一磅性能最佳的电池化学品的最大理论能量高出150%。

34.大约需要60磅电池来储存相当于1磅碳氢化合物的能量。

35.每生产1磅电池至少要开采、移动和加工100磅材料。

36.储存相当于一桶石油(300磅重)的能量需要2万磅特斯拉电池(价值20万美元)。

37.携带相当于一架飞往亚洲的客机所用航空燃料的能量,需要价值6000万美元的特斯拉型电池,重量是这架飞机的5倍。

38.制造一组储能相当于1桶石油的电池需要的能量相当于100桶石油。

39.一个以电池为中心的电网和汽车世界意味着开采更多地球资源来获取锂、铜、镍、石墨、稀土、钴等,并在采矿和制造金属和混凝土中使用数百万吨石油和煤炭。

40.中国大陆在全球电池生产中占据主导地位,其电网70%的燃料为煤炭:使用这些电池的电动汽车产生的二氧化碳,将超过更换燃油发动机所节省的二氧化碳。

41.人们不会使用直升机进行常规的跨大西洋旅行(需要昂贵的后勤设施才可能做到),就像不会使用核反应堆为火车提供动力或完全使用光伏系统为一个国家提供电力一样。

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