比特币矿工请注意——拜登的计划将重塑美国电力系统

乔拜登总统呼吁对清洁能源进行重大投资,以遏制气候变化和创造就业机会。2021 年 9 月 8 日,白宫发布了一份由美国能源部制作的报告,该报告发现,到 2050 年,太阳能可产生高达 45% 的美国电力供应,而今天这一比例还不到 4%。德克萨斯大学奥斯汀分校的能源技术和政策研究员 Joshua D. Rhodes 解释了实现这一目标所需的条件。

为什么如此重视太阳能?低碳未来不是需要多种清洁能源吗?
能源部的太阳能未来研究为美国电网规划了三个未来的途径:一切照旧;脱碳,意味着大规模转向低碳和无碳能源;以及通过现在由化石燃料提供动力的活动的全经济电气化来实现脱碳。

得出的结论是,后两种情景将需要大约 1,050-1,570 吉瓦的太阳能,这将满足 2050 年预期电力需求的 44%-45%。从角度来看,1 吉瓦的发电量相当于约310 万块太阳能电池板或 364 台大型风力涡轮机。

其余的将主要来自其他低碳或零碳能源的混合,包括风能、核能、水电、生物能、地热和燃气轮机,使用氢等零碳合成燃料。能量存储容量——例如大容量电池的大型安装系统——也将以与太阳能大致相同的速度增长。

太阳能相对于许多其他低碳技术的优势之一是美国大部分地区拥有充足的阳光。风能、水能和地热资源分布不均匀:有大片区域,这些资源贫乏或根本不存在。

美国年度太阳能资源地图。
美国大部分地区全年至少可以产生一些太阳能。这张地图显示了年度全球水平辐照度——照射到地面水平表面的阳光量。 国家可再生能源实验室
更加依赖特定区域的技术将意味着在它们最丰富的地方极其密集地开发它们。它还需要建造更多的高压输电线路来长距离传输能源,这可能会增加成本并引起土地所有者的反对。

到 2050 年,美国 45% 的电力来自太阳能发电是否可行?
我认为这在技术上是可行的,但并不容易。即使太阳能电池板的成本已大幅下降,它也需要比美国迄今为止取得的成就更大的加速和持续部署。一些地区已经实现了这种增长速度,尽管起点很低,而且通常不会持续很长时间。

太阳能未来研究估计,到 2050 年,要通过太阳能生产全国 45% 的电力将需要部署约 1,600 吉瓦的太阳能发电。这比今天在美国安装的 103 吉瓦增加了 1,450% 。从长远来看,美国电网目前约有1,200 吉瓦的各类发电能力。

该报告假设,10%-20% 的新增太阳能容量将用于家庭和企业。其余的将是大型公用事业规模的部署,主要是太阳能电池板,以及一些使用镜子将太阳反射到中央塔的大型太阳能热系统。

假设公用事业规模的太阳能发电大约需要每兆瓦 8 英亩,那么这次扩建将需要大约 1020 万到 1150 万英亩。这个面积大约相当于马萨诸塞州和新泽西州的总和,尽管它不到美国土地总面积的 0.5%。

我认为这样的目标值得设定,但最好随着时间的推移重新评估,以确保它们代表最谨慎的路径。

最大的障碍是什么?
在我看来,最大的挑战是推动这种规模的变革需要持续的政治意愿。其他问题也可能减缓进展,包括多晶硅等关键太阳能电池板材料短缺、贸易争端和经济衰退。但是工程挑战是可以理解的,而且相当简单。

2020 年,天然气、煤炭和石油为美国经济提供了近80% 的一次能源投入,其中包括发电。用低碳资源取代其中的大部分还需要对大多数美国主要能源公司进行重组。

按燃料类型和部门显示美国能源消耗的图表。
转向低碳经济将需要从低碳和零碳来源产生更多的能源,并使许多现在由化石燃料驱动的活动电气化。 有限责任公司
这种转变很可能会遇到阻力,尽管一些能源公司开始以这种方式扩张。拜登政府计划使用清洁电力支付计划,这是国会悬而未决的3.5 万亿美元预算计划中的一项条款,以激励电力公司从无碳来源产生更多电力。

像这份太阳能报告这样的研究还假设,许多对实现他们的场景至关重要的支持基础设施将可用。根据太阳能未来研究,美国将不得不将其输电容量扩大 60%-90%,以支持其设想的太阳能部署水平。

在美国建造长距离输电线路非常困难,尤其是当它们跨越州线时,这是大规模太阳能部署所需要的。除非某些机构,例如联邦能源监管委员会,被授权批准新的输电线路,否则这种扩张几乎是不可能的。

一种潜在的解决方案正在获得牵引力:沿着公路和铁路线旁边的现有路权建设输电线路,从而避免需要获得众多私人土地所有者的同意。

沙漠中的三个发光的太阳能塔。
位于加利福尼亚莫哈韦沙漠的 Ivanpah 太阳能热电厂使用镜子将太阳能集中到三个太阳能集热器上,这些集热器加热水以运行蒸汽轮机。 Jon G. Fuller,VWPics/Universal Images Group 通过 Getty Images
当前的系统必须如何改变才能支持如此多的太阳能?
我们的电力系统目前约有 59% 的电力来自煤炭和天然气。这些资源通常(尽管并非总是)按需提供。这意味着当公用事业客户需要为他们的灯或空调提供更多电力时,公司可以要求这些类型的工厂增加产量。

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转向由可再生能源主导的电网将需要公用事业和能源监管机构重新思考匹配供需的旧方式。我认为未来的电网将需要更高水平的输电、储能和计划,以鼓励客户将他们使用电力的时间转移到电力最充裕和负担得起的时期。这也需要北美的区域电网,这是不那么现在配置以用于更大的协调移动无缝地电长的距离。

如果美国选择依靠太阳能发电、脱碳电网以具有成本效益的方式满足未来需求,所有这些都是可行的,而且是必要的。对话

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