中國儲能網訊：兩個月前，《IEEE綜覽（IEEE Spectrum）》網站刊發(fā)了一篇長篇報道，詳細記錄了活力新能源公司（Vibrant Clean Energy）的CEO克里斯托弗·克拉克領銜的21位氣候、電力領域的專家與斯坦福大學馬克·雅各布森教授之間的學術爭論。
雙方爭論的焦點在于美國電網的未來發(fā)展之路該如何走。雅各布森教授認為未來美國電網需要完全脫碳，全部依靠風能、太陽能，水電，儲能以及其他清潔能源來提供能量；而克拉克則認為雅各布森教授的研究結論是不現實的，未來美國電網還是離不開火電和核電的，至于火電的排放問題，可以采用脫碳技術解決。
化石能源還是清潔能源作為未來美國能源供應的核心一直都是美國能源界爭論的焦點。美國總統特朗普宣布退出“巴黎氣候協定”更是把兩個能源發(fā)展的路線之爭推到了白熱化的程度。
其實學術爭論是再正常不過的了，學術圈里面的刀光劍影也是見怪不怪。但是這一次雙方基本上都是赤膊上陣了，你來我往好不精彩。而且爭論涉及到美國未來的能源發(fā)展路線，頗有些看頭的。各位吃瓜群眾請坐好，聽我給您慢慢分析。
01
一切要從雅各布森教授2015年的研究說起。
那一年，雅各布森教授分別在頂級期刊《能源與環(huán)境科學》（IF=29.5）和《美國國家科學院院刊》（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。前一篇詳細規(guī)劃了美國各州在2050年實現100%清潔能源供電的路線圖，后一篇則論證了100%清潔能源的合理性以及實現轉型后電網的安全運行。
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的激情澎湃。第一篇文章的正文加補充材料洋洋灑灑的竟然寫了132頁，顯示了作者對于100%新能源供電的無限信心！
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方面：
（1）作者認為，到2050年的時候，美國的能源可以完全由風能，太陽能，以及水能提供，輔助以各種儲能設施（電池儲能除外）和需求響應從而實現零碳排放；
（2）多種低價儲能策略將會用來彌補系統中新能源供電的波動。儲能方式分別為：壓縮空氣儲能，冰儲能，地下熱儲能，抽水儲能，以及氫儲能。值得一說的是，為了達到低成本的目標，電池儲能只考慮了在電動汽車中的應用；
（3）文章對于供電和用電的規(guī)劃主要基于其所開發(fā)的Loadmatch算法，此算法的核心目標是保證系統中的負荷和供電的平衡；
（4）100%新能源供電的電力系統的運行策略是：首先優(yōu)先使用風光水的供電來滿足負荷的需求；其次，對于多于風光水的負荷，如果是可進行需求響應的負荷則管理負荷推遲供電，如果不能進行需求響應則使用儲能對其供電，從而滿足負荷的要求；
（5）對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100%新能源供電的電網的運行。下圖展示了電網在冬季中四天的運行狀況。其中A圖是電網的負荷和發(fā)電曲線；B圖是各種源的發(fā)電和發(fā)熱曲線；C圖是各種負載，儲能，以及損耗的需求曲線。如圖所示，太陽能和風能成為了最主要的能量來源。當風、光不足時，則由水能來主要供電。
圖1：100%新能源供電的美國電網在冬季中四天的運行狀況:（A）系統的總負荷和總發(fā)電和供熱曲線；（B）各種源的發(fā)電和發(fā)熱曲線；（C）各種負載，儲能，以及損耗的需求曲線。
按照雅各布森教授的計劃，美國將會按照下面曲線的發(fā)展能源產業(yè)，在2030年時新能源滿足80%的能量需求，并最終在2050年踏上100%清潔能源的康莊大道，實現零排放。
圖2：雅各布森教授設計的美國100%新能源之路
此外，雅各布森教授還和美國國家地理雜志共同推出了一個網頁來展示其在第一篇文章中所設計的美國各州的100%新能源之路。不得不稱贊的是網頁設計的清晰明了，視覺沖擊強烈，讓讀者能夠感受到新能源發(fā)展的勢在必行。
圖3：展示100%新能源之路的網頁
02
當然理想是豐滿的，現實卻總是骨感的。
克拉克和來自于包括斯坦福大學，加州大學伯克利分校，加州大學圣地亞哥分校，卡內基梅隆大學等名校在內的一共21名能源和環(huán)保方面的學者對雅各布森教授的研究提出了嚴重質疑。他們認為雅各布森教授只是提出了一種假設，卻忽視了物理上的可行性。克拉克稱雅各布森教授的研究，充其量只能稱為一個有意思探索，而且所采用的假設還是漏洞百出?？死说葘⑺麄兊馁|疑也發(fā)表在了《美國國家科學院院刊》上面，指出雅各布森教授研究的主要問題在于：
（1）雅各布森教授的模型依賴于水電的過度擴容。圖1中，在100%新能源的系統中，水電需要在太陽落山時迅速啟動，并要提供大約1300GW的峰值功率，而這一數值是現在美國現存水電發(fā)電量的14倍。需要大量新增的水輪機專門為了給風、光做備用電源使用，并且要保證有充足的儲水才能彌補風、光波動造成的發(fā)電不足。雅各布森教授沒有考慮到要在短短的35年就將水電擴容13倍的巨大的挑戰(zhàn)，也沒有考慮到水電擴容之后所帶來的其他的生態(tài)危機。
（2）風、光、水、儲等新增能源的建設都是極其巨大的。如下圖所示，新增的風、光、水、儲的容量將分別是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年的對比圖
（3）即使各種新增能源能夠在2050年擴容到所需要的容量，但能不能將這些新增的清潔能源的發(fā)電輸送出來又是另外一個問題。和中國一樣，美國的水電、風電也是遠離負荷中心的，要將發(fā)電輸送到用電量大的地方就必須大批建設高壓輸電工程。而這些輸電工程的投資之巨，建設周期之長，建設難度之大，也是雅各布森教授沒有考慮的；
（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能和相變材料儲能等技術。但有些技術或處于研究階段，或還沒有成熟到可以大規(guī)模商用。雅各布森教授的研究中每一個家庭都會有一套地下熱儲能的假設更是不可能實現的。如果缺少了儲能設施這么關鍵的一環(huán)，那么新能源發(fā)電的波動性就無法彌補，電網的穩(wěn)定性無法保證，100%新能源的實現則更是天方夜譚；
（5）大規(guī)模新裝的風機所需的土地也是無法實現的。雅各布森教授的研究中共計需要50萬平方公里的土地，占美國國土面積達到了6%。再加上新建太陽能電廠所需的土地，需求量會更大。如何征地也是個大難題；
（6）雅各布森教授提出的Loadmatch模型僅僅考慮了系統中的發(fā)電與負荷的平衡，但卻忽略了有功與無功的潮流，頻率與電壓的控制，以及運行和規(guī)劃的備用等保證系統能夠穩(wěn)定運行的其他很多因素。
基于這些問題，克拉克認為雅各布森的研究是沒有足夠和實際的分析的，沒有應用價值，當然在此基礎上提出的100%新能源的實現路徑也就是無源之水，無本之木了。
面對如此尖銳的打臉，雅各布森教授簡直是叔可忍嬸不可忍。他指責克拉克的攻擊是“最卑鄙的學術欺詐”。隨后他寫了一篇抗辯文章回應克拉克的攻擊。不過在下看來，雅各布森教授的抗辯還是無法解決其研究在現實應用方面的缺陷，也就不在此贅述了，有興趣的可以下載來讀讀。
03
要建立全面新能源供電系統的設想在雅各布森教授之前已經被多次提出過。早在2014年夏威夷州就提出要在2050年實現全州的100%新能源供電。但夏威夷作為一個遠離美國本土的由幾個島組成的州和整個美國本土的情況還是不一樣。
美國在2016年總的用電量接近4萬億千瓦時，而包括水電在內的清潔能源只提供了其中的15%，因此要在2050年轉變?yōu)?00%新能源供電，難度之大是無法想象的。
除了建設難度之外，更重要的是經濟上的可持續(xù)發(fā)展。美國電力工業(yè)的推進主要由市場推進。只有符合市場需求的技術才會得到關注，否則即使是新技術如果沒有市場需求的話也很難得到推廣的。近期的熱點，如需求側相應，電池儲能以及微電網等技術也是在尋找到新的商業(yè)模式之后才開始火起來的。簡言之，美國的電力工業(yè)是自下而上的發(fā)展模式，與雅各布森教授企圖通過頂層設計然后向下推廣的路線在根本上是矛盾的。如果沒有市場的響應，即使設計的很理想恐怕也不可能得到推廣的。
另外，無論是雅各布森教授還是克拉克的研究都忽視了另外一個重要的能量來源--天然氣。由于天然氣價格的大幅下降，以及其本身所具有的啟動速度快，排放低，效率高等優(yōu)點，近年來得到了越來越多的重視，并新建了很多天燃氣電廠。在美國能源信息署做的預測中，2040年天然氣發(fā)電在電網中將占比38%。對比來說，美國能源信息署所做的預測才是符合市場發(fā)展預期的，也更有指導意義。
圖5：美國能源信息署對未來發(fā)電的預測
04
既然不符合市場和應用的要求，雅各布森教授研究如果要實現就必須依靠政府的大力投資和強制行政干預了。這不禁讓我想起來發(fā)生在20世紀80年代發(fā)生在美國的一個真實案例，記錄在《干凈的煤和骯臟的空氣》這本書中。
當時的美國有兩種工業(yè)用煤，東部生產的煤和西部的煤。東部生產的煤價格便宜，但是含硫量高，雜質多，效率低，污染也嚴重；而在西部生產的煤含硫量低，雜質少，效率高，污染小，但是價格比較貴。當時很多工廠樂于購買西部的煤，雖然貴一些，但是效率高，污染小。東部的煤礦主因為競爭力較弱，收益也就下降了。為了搶奪市場，他們就想了一個辦法，聯合起來游說政府增加環(huán)保力度。政府就頒布了環(huán)保條例，強迫要求所有燒煤的工廠安裝一種昂貴的過濾器。當工廠迫于壓力裝了這種昂貴的過濾器以后，導致他們的生產成本上升，也就沒有積極性去買那些污染少，但價格較貴的西部的煤了。為了降低成本只好去買那些污染嚴重的東部的煤。最后的結果當然是是空氣質量不但沒有變好，反而更加糟糕了。
100%新能源供電能否實現？如何實現？恐怕會在近期一直爭論下去。但是不可否認的一點是，如果不能從產業(yè)發(fā)展的本身出發(fā)，經濟規(guī)律出發(fā)，不僅最初節(jié)能減排的目標無法實現，還有可能適得其反，造成更大的浪費。
參考文獻：
[1] Peter Fairley, "Can the U.S. Grid Work With 100% Renewables? There's a Scientific Fight Brewing", IEEE Spectrum.
[2] Mark Jacobson, et al., "Low-cost solution to the grid reliability problem", Proceedings of the National Academy of Sciences.
[3] Mark Jacobson, et al., "100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States", Energy & Environmental Science.
[4] Mark Jacobson, et al., "The United States can keep the grid stable at low cost with 100% clean, renewable energy in all sectors despite inaccurate claims", Proceedings of the National Academy of Sciences.
[5] Christopher Clack, et al., "Evaluation of a proposal for reliable low-cost grid power with 100% wind, water, and solar", Proceedings of the National Academy of Sciences.
