Energy in Future
 
Dr.-Ing. Dieter Bokelmann

说明和表格

全球一次能源概况(2018年)

2018年,全球利用一次能源的发电量为168693 TWhPrimenw旨在利用可再生能源取代煤炭、石油和气,总量为136641 TWh考虑生物质能以及核能、水能、风能、太阳能、地热能和其他可再生资源所产生的电能。

按使用类型、转化效率和有效能源分类的全球一次能源

利用2018年美国能源消耗桑基图(USEn2018)推导出一次能源转化成有效能源的转化效率,从而创建了表Effi1并在此基础上创建表PrimINOUT。尽管美国能源消费结构不一定与世界平均水平相符,但这项研究的准确性与此无关,原因是缺少部分数据。在表Effi 1中,直接从图中推导出5个效率值。就其他用途而言,计算得的平均效率值为37.34%,因此总效率31.83%与右侧表USEn2018中的数值相同——相对于97.7夸德输入能源INPUT Energy能源服务Energy Services136641 TWh的一次能源转化成43492 TWh有效能源的转化效率为31.83%。不考虑可再生能源,且对进一步调查研究而言,误差无关紧要。

注:1夸德相当于2400百万吨石油

 

计算4种能源(太阳能/直接电能、太阳能/人造燃料,风能/直接电能,风能/人造燃料)发电的每千瓦时净成本(不含税)。

因为均三法则进行计算,所以基数的大小(表格中简化了需取代的一次能源,以TWh计)与每千瓦时成本无关。同样地,基数也可为100,000 TWh,但结果相同。参见表4+2(以德国太阳能相关的2个特例为例,因为太阳辐照量减少,因此仅为1100kWh/ kWP·年,而不是1500kWh/ kWP·年)。假设为偿还投资额借贷一笔期限为20年的年金贷款(表Credit20J)。此外,根据18,考虑修理、保养附加费用占24.6%,以及能源运输或网络建设或转化成人造燃料(例如蓝色原油blue crude或氢气)有关的附加费用占112%。不考虑生物燃料。最后,考虑税前投资盈利能力有关的附加费用占10%。表4+2未提及州税有关的附加费用。厘定的价格为净值。每千瓦时成本上升至

² 对于直接利用风能发电而言,为0.099欧元/kWhWindELW

² 对于直接利用太阳能发电而言,为0.126欧元/ kWhSolELW);对于德国直接利用太阳能发电而言,为0.172欧元/ kWh(太阳辐照量减少,SolELD

² 对于利用风能转化燃料发电而言,0.165欧元/ kWhWindFW

² 对于利用太阳能转化燃料发电而言,为0.211欧元/ kWhSolFW对于德国利用太阳能转化燃料发电而言,为0.287欧元/ kWh(红外辐射,SolFD

 

风能发电比太阳能发电价格低,由于转化损耗,从逻辑上,燃料发电比直接使用太阳能或风能(假设损耗约为40%已发电的价格要高。表4+2还包括对太阳能和风能发电设备的面积要求(以每TWh发电量所需发电设备面积占全球地表面积的百分比计)等内容。对于各种类型的太阳能发电,根据较低实际年辐照量计算德国的成本。这自然会导致成本较高,对于直接利用太阳能发电而言,0.172欧元/ kWh(表SolELD),对于利用太阳能转化燃料发电而言,0.287欧元/ kWh(表SolFD)。

 

效率系数,用于根据煤炭、石油、气等一次能源产量确定4种太阳能/风能替代方案下的必要发电量

Effi2说明了将有效能源转化成太阳能和风能所供电量的转化系数。这是用作直接电能(系数1值为76~100)或用作转化燃料(将直接利用的电能转化为燃料时,系数1乘以值60,以及系数2(视使用方式而定))时的系数。

 

对极端情况下4种发电替代方案的计算(100%单一来源)—必要的景观耗电和总成本(净值)

涉及景观用途和全球总成本的4个表

4个表(SolELSolFWindELWindF)中,通过太阳能风能与直接利用电能转化燃料相结合,假设4替代方案的每种情况下所需发电量为100%。年发电成本按净额以及全球所需地表面积(不包括南极洲的土地面积)计算。

图表和等级

参见图Dia4Alt。假设特殊情况下4可能的变量中每一种的发电量为100%,直接利用电能的年发电成本明显低于利用转化燃料发电的年发电成本。如果直接利用电能,最好选择太阳能发电来降低景观耗电量。燃料转化变的发电成本明显更高,景观耗电量也更高。可行的情况下,不宜将风能转化成燃料,但利用风能的年发电成本低于利用太阳能的年发电成本。因此特殊情况下,100%直接利用太阳能发电为最佳替代方案。但由于只有一种组合在技术上可行,所以优先顺序为直接利用太阳能发电、直接利用风能发电、利用太阳能燃料发电(尽管价格高于风能),而利用风能燃料发电应当作最后一招

 

全球能源构成、不含税的净成本以及区域要求示例

该方案采用50%的太阳能和50%的风能,均按30%直接利用太阳能/风能发电和20%利用太阳能/风能转化燃料发电。景观耗电量占全球景观耗电量的2.19%,在容许框架下不包括南极洲(表PossExaW)。

 

德国能源构成、不含税的净成本以及面积要求示例

考虑3种方案。

在方案1FinTaxD)中,利用所有一次能源发电的同时,利用太阳能发电和风能发电。因为2018100%一次能源中,太阳能占1.3%,风能占3% 19),所以在本方案中,估计太阳能占35%,估计风能占65%。在太阳能和风能中,总共有10%100%一次能源转化为燃料。遗憾的是,本方案并不可行,因为所需的面积为德国国土面积的12.33%乘以1.2(海上)。也许转化率充其量达到3%(?),其余的电能或燃料需进口,但对全球而言,本方案在技术上可行。德国土地面积相对较小,仅占全球土地面积(不包括南极洲)的0.31%,但相对于较大土地面积而言,德国一次能源占全球一次能源的比例较小(系数7)。

在方案2FinTaxDEL)中,假设所有电能均是利用可再生能进行发电。此处,所需土地面积为2.39%,因此该方案可行性较高。

在方案3FinTaxDEL+TRANS)中,除方案2之外,还可通过可再生能源传输能源。所需土地面积上升至3.99%,因此该方案几乎不可行。

 

对德国而言,确保税收收入相同的必要税率额

发电的净成本,但除此之外,不可能不征税。即使在发电量100%自给自足的德国,该方案也不可行,已采用保证总税收收入与2017年相同的方式计算了税率。因此发电产生的税费为必要成本。在表FinTaxD假定的税率为4320万欧元的税收收入,以及由此得出的每千瓦时电量和每升燃料价格。已选定4种能源的规定税率(当然可以选择不同的税率),每千瓦时成本大致与实际成本相对应,即对于私人用户,约为0.30欧元/千瓦时;对于工业用,约为0.10欧元/千瓦时。

 

根据德国的情况,确保全球税收收入相的必要税率

就全球而言,采用德国2017年的税收收入(按照三法则计算),结果参见表FinTaxW。可随意选择所采用的税率。全球能源和燃料税率大相径庭。对于单个国家而言,燃料税率可能与全球能源的实际情况相去甚远。对德国而言,燃料税率则可能与全球能源状况挂钩。因为能源总量是已知的,除此之外,德国税率也相对较高。

 

通过实际比较和评估,在20年内实施时,每年需建设的太阳能+风能产能

在汇总数据表中,每年均对所需年发电量增长和当前年发电量增长进行比较,以满足方案要求。此外,最后对所需发电总量与现有发电量进行比较。最后为实现这一目标,计算了年数,以100%避免使用化石燃料。结果并不令人满意。对全球而言,为323年;对德国而言,在方案1中,为292年(因为对区域要求较高,所以不可行),在方案2中,为71年;在方案3中,为122年;不受全球其他国家影响的情况下,有迹象再次表明在德国,不可能实现100%代替化石燃料。因为所需面积较大,为12.33%。在德国,直接进口电能或从其他国家进口通过燃料发电方式产生的电能在绝大多数情况下不会产生二氧化碳。

计算还包括:首先,在未来20年内,必须更换既有太阳能和风能设备。其次,在设备建造过程会生产灰色能源,即原则上,只有装置运行时间达到其运行年限(约20~25年)的10%之后,才会在发电时不产生二氧化碳(约18~23年不会产生二氧化碳)。这两种情况在此处均未考虑,但在计算中必须加以考虑。但这这与未来数年内的某些改进和新发展潜力形成了对比。.

 

改进潜力

其中:

1.同时利用土地开发太阳能和风能。

2.提高太阳能效率。通过多层晶圆或通过多次辐照或其他发展。原则上,光伏也可与太阳能相结合。

3.提高风能效率。

4.开发新型电力存储系统,例如环保型大容量蓄电池系统和标准尺寸的电动汽车或加油站长途蓄电池拖车用的可自动更换电池组。

5.开发CC燃气轮机(利用GT余热的联合循环燃气轮机和耦合式蒸汽轮机),也可使用氢气和蓝色原油等绿色燃料。在夜间风息期,这些设备也可使用绿色燃料发电。

6.高效的跨国能源交换,最好为跨大陆交换(如从非洲到欧洲)(向德国出口电能)。

7.减少私人和商业运输活动。通过重组、行政命令和燃料价格限制私营企业的能源运输。通过更大范围的本地生产实现商业目标。

8.人口增长逆转

9.改变了消费者的实际消费习惯。

10.生产寿命较长的可回收优质产品。避免使用质量差、寿命短的廉价产品。

11.植树造林。

下图是一个简单的时间表,描述了20年后无碳能源采购的实施情况。石油、煤、燃气等矿物燃料将被减少到零。现有的生物质能源和现有的可再生电能的产量(包括核能)将保持不变(最终,如果太阳能、风能或其他能源的生产能力相应增加,则核能也可能会减少到零)。太阳能和风能这4种替代性可再生能源的份额由0上升到计算值。一次能源的数量低于零,因为直流电的比例显著提高了。

可再生能源当前的年投资度量的必要强化因素存在问题,参见数据表压缩包。如果要在20年内让全世界转变为无二氧化碳的能源生产,这个系数是16。最小量为 €2932亿是每年必须投资的,这必须在成本和土地使用方面得以实现。然而,太阳能和风能的生产能力能否在全球范围内增加到16倍,这是值得怀疑的。尽管如此,为了在合理的时间内实现这一目标,必须接受对核能供电的临时投资,随着目标的实现,这类投资稍后将被取消。

但不幸的是,在这一时期实施不太可能,其原因在于一方面并非所有国家都会参与,另一方面可再生能源投资所要求的年度增长(系数15至2019年)难以实现(尽管在技术层面,并非不可行)。所面临的事实是,每年的投资需要大幅增加。

德国必须集中精力将至少100%的发电转换为可再生能源发电,同时以氢气(或类似能源)的形式进口剩余的一次能源。德国适合大规模生产绿色氢气的土地过少。按目前的形式分析,这意味着每年要进口大约5000万吨氢气。

如果德国成功地将太阳能和风能的年投资额翻一番,并可从合适的国家(可提供技术支持)进口相当数量的绿色氢气,则其在30-35年内(1代人)应可实现无二氧化碳能源的目标。

下图显示出在这种情况下,德国一次能源生产的简单线性发展趋势