Energy in Future 
 
Dr.-Ing. Dieter Bokelmann - Facts Climate Change & Renewable Energy - Fakten Klimawandel & Erneuerbare Energien - Energie in der Zukunft - Energy Consulting

概要

本研究的目的是在考虑气候持续变化的情况下,确定以太阳能和风能100%替代化石燃料在技术上可行的程度,并且从成本和景观应用的角度来看都是合理的。

以美国2018年的能源流程图(桑基图)为基础,阐明了全球一次能源的生产和消费状况。

可再生能源的主要来源是光伏和风能。这些可以用作直接电能或发电的燃料。对于太阳能直接电能、太阳能制造燃料、风能直接电能、风能制造燃料这4种最终的变量,计算了其每千瓦时的生产成本以及税前的附加成本和电网的配电成本。

假设特殊情况下4种可能的变量中每一种的发电量为100%,风能直接电能和风能制造燃料比太阳能变量更便宜。风电的土地空间消耗(landscape consumption)比光伏发电大得多,投资额略低些。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,所以应考虑的顺序为:太阳能直接电能、风能直接电能、利用太阳能制造燃料,然后才是利用风能制造燃料。

全球方案在技术上和成本效益上都是可行的,其土地空间消耗占2.19%。而德国自身发电100%转化的情况不可能实现,因为土地空间消耗高达12.33%。这是由于能耗与土地面积之比与全球平均水平相比而得出的。对德国而言,在100%可再生能源发电中,土地空间消耗占2.39%,这仍然是可行的。即使加上替代燃料的运输,导致3.99%的土地空间消耗,但不需要进口能源,这在技术上和成本上仍然是可行的。

如果考虑利用可再生能源转换为一次能源的生产过程中全球和德国目前所开展的活动,则全球需要323年才能实现这个目标。而德国,达到100%实现的情况,需要293年(因为景观耗电而不可行),只替代发电则需要71年;替代发电加燃料运输,总共需要122年。

只有全球尽一切努力,才能遏制气候变化,从而加速太阳能和风能的增长,以在20年时间内在全世界达到计算值。到那时,应通过强大的燃气发电厂(联合循环发电厂)结合区域供热来供电(因此总效率应达90%以上)。这些发电厂的设计必须确保以后可采用合适的绿色燃料来运行。同时,不应过早关闭现有的核电厂,而是将其用作过渡期的一种缓冲。

可以通过融资来支付成本费用,但适当提高燃料价格肯定是可以接受的。就全球形势而言,这一挑战将带来以下好处。首先,在人口密度相对较低且有大量未使用土地面积的发展中国家和较贫穷的国家中,通过太阳能和风能发电,同时,建造和维护必要的设备也创造了就业机会。其次,在人口密度相对较高的高度发达国家,高质量电厂部件的技术开发和生产也为停止了石油和煤的生产的地方创造了新的替代性就业机会。

本网站所列网址的内容并不是我自己的作品。我已经尽我所知,通过多次验算对相关计算进行了检查与核实,但是我也无法完全避免误差,对任何有用的提示建议或献言献策,我都深表感谢。我自己的假设可能与目前的发展略有不同,但这对总体结果的影响相对较小。无论我们是在200年、150年或250年内实现目标,都太迟了。这整件事对于人类来说都是一种挑战。

我希望各位感兴趣的人士能够阅读和理解本网站上的信息,更希望其他国家的专家团队及其领导人们也能找到接受这一挑战的动力。如果消耗大量一次能源的大多数国家能够达成共识,那么这个世界就有机会以现状生存下去。如果没有,那么电影里出现过的末日景象将会真的降临。虽然仍有时间把损害控制在有限的范围内,但已经是为时晚矣了。

下图是一个简单的时间表,描述了20年后无二氧化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提升,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。每年一次能源的数量低于零,因为直接发电的比例显著提高了。

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。


最后,再次做个简要的总结。

1.        国际社会正在努力实现碳中和。

2.        尽管如此,投资活动过少,目标要很晚才能实现。

3.        在成本和土地使用方面,目标可在20年内实现,但投资活动需要增加15倍。由于这不大可能在短时间内实现,因此还必须采用替代方案。某些国家押注于保持或扩大核能发电。对德国而言,在达到100%无二氧化碳目标之前,不应关闭其现有核电站。除非德国人愿意接受停电次数增加的风险。

4.        可再生能源最有效的衍生形式是可直接用于发电的能源。

5.        转化成氢气或其他燃料的选项非常适合在无风能和太阳能时期作为缓冲,但效率要低得多。

6.        电动汽车因此处于风口浪尖,因其直接使用无二氧化碳电流,效率很高。大约80%的发电量被利用。

7.        即便在过渡时期,电动汽车由化石燃料提供电力,依然是一个更好的选择。整体能效约为55%(现代燃气轮机和燃煤发电厂的平均效率)以及80%的个体能效在40%以上,因此与采用高热损的内燃机相比,是一个更好的选择。尽管如此,总发电能力不足以满足这一目的。

8.        如果具备充足的发电能力,则采用缓冲介质氢或类似燃料运行的车辆(燃料电池或内燃机)将是一种替代方法,但只能使用多余绿色电力中的绿色氢。这尤其适用于长距离行驶的卡车和巴士。

9.        为形成夜间低用量缓冲区,必须将相应的无二氧化碳电力转化为燃料。随后利用余热,通过合适的燃气轮机将其转化为电能。

10.  存在改进空间,但会被全球无节制的人口增长和电力消耗的进一步增加所抵消。