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作者：Mark P.Mills（曼哈頓研究院高級研究員） 一個月前，加州州長紐森發(fā)布緊急命令，采購更多天然氣發(fā)電量，以避免停電。而在夏季早些時候，加州電網(wǎng)運營商“竊取”了亞利桑那州公用事業(yè)公司購買的、從俄勒岡州轉運過來的電力，這可能預示著將有更多此類行動。最近幾周，歐洲大陸也遭遇了停電、近乎停電，以及因風力大幅減弱引發(fā)的電價飛漲。歐洲各地的電網(wǎng)運營商紛紛購買燃料，重啟舊的天然氣和燃煤發(fā)電廠。歐洲請求俄羅斯提供更多的天然氣，德國燃煤發(fā)電廠用完了燃料，導致人們爭相獲得更多燃料（全球價格翻倍）。甚至從瑞典到亞洲的電網(wǎng)，被遺忘已久的燃油發(fā)電廠也被開動用來提供緊急供電。現(xiàn)在的問題是，用硅谷的話來說，所有這些對電力供應和價格的干擾，是可再生能源倡導者所青睞的新能源基礎設施（由風能和太陽能主導）的一個“特點”，還是一個暫時的“缺陷”？這種所謂的能源轉型的支持者承認，通向后碳氫化合物世界的道路可能是坎坷的，但他們說，解決方案是加快建設更多的風能和太陽能設備。因此，現(xiàn)在的關鍵問題不是我們是否需要這樣的轉型，甚至不是它的成本，而是它是否有可能在現(xiàn)在的時間框架內(nèi)實現(xiàn)(“到2035年無碳”)。我們要感謝加州在這個問題上給我們指明了方向。8月下旬，為了追求“過渡”愿景，同時避開大面積停電，加州在硅谷以南60英里的莫斯蘭汀(Moss Landing)啟用了世界上有史以來最大的電網(wǎng)規(guī)模電池。全風能/太陽能電網(wǎng)的支持者似乎在說，我們需要做的就是建立足夠多的此類電池，越快越好，以克服傳統(tǒng)燃料發(fā)電的波動性。莫斯蘭汀的電網(wǎng)規(guī)模電池，大約是此前世界紀錄保持者的10倍——馬斯克在2017年為南澳大利亞電網(wǎng)建造的電網(wǎng)規(guī)模的電池，曾引起了全球轟動。世界各地都在熱衷于追求電網(wǎng)規(guī)模的存儲，紐約市也不例外，該州公共服務委員會最近批準在皇后區(qū)建設一個電池“工廠”，規(guī)模大致相當于特斯拉在澳大利亞的項目。然而，為應對風能和太陽能發(fā)電的間歇性問題而制造足夠的電池，有三個基本的制約因素。首先，在以工業(yè)規(guī)模建造任何新事物時，需要時間來克服不可避免的工程挑戰(zhàn)；其次，就電池規(guī)模本身，如果大部分供電是基于自然條件，那么為了維持社會正常用電，我們需要的電池數(shù)量是驚人的；最后，從規(guī)模問題中直接引申出來的是，要制造綠色夢想家們想要的那么多電池，獲取所需的足額原材料也很困難。讓我們從第一個制約因素開始。僅在剪彩幾天后，莫斯蘭汀巨型電池就下線了。熱力和火災探測系統(tǒng)自動關閉了電池，激活可灑水裝置，并通知了當?shù)叵啦块T。幸運的是，這次沒有發(fā)生任何事情，但工程師們必須認真對待大型鋰電池引發(fā)的火災，因為這類火災很難、甚至不可能被撲滅。類似的技術問題同樣困擾著電動汽車制造商，但電網(wǎng)規(guī)模電池的量級增加了挑戰(zhàn)。巨型電池擁有10萬個鋰電池模塊，其鋰含量相當于2萬輛特斯拉汽車。人們最不希望看到的就是在太空就能看到莫斯蘭汀像煙火一樣亮起。去年夏天，南澳大利亞州的特斯拉Megapack確實著火了，燒毀了許多拖拉機拖車大小的“電池組”。兩年前，亞利桑那州一家規(guī)模較小但仍屬公用事業(yè)規(guī)模的電池廠也發(fā)生了類似火災，導致爆炸，幾名消防員受傷。該州在調(diào)查期間暫停了電網(wǎng)規(guī)模電池的推廣。截至撰寫本文時，莫斯蘭汀約總容量的75%仍處于下線狀態(tài)，正如一個標題所寫的那樣，“沒有回歸時間表”。這些挑戰(zhàn)是工程發(fā)展過程中正常的一部分。如此規(guī)模的電池從未被制造過。毫無疑問，工程師會找到這些問題的原因，并進行適當?shù)男迯汀?strong>這個過程可能不會像狂熱者希望的那樣快，但各地的運營商都希望在建造數(shù)百甚至數(shù)千個這樣的設施之前把它做好。這就給我們帶來了一個規(guī)模問題：加州、美國和世界，究竟需要多少像價值4億美元的莫斯蘭汀電池這樣的設施？建設能滿足居民和企業(yè)數(shù)十年持續(xù)所需電力的電網(wǎng)，需要的不僅僅是滿足偶發(fā)的需求高峰，還必須了解發(fā)電廠不可避免的停電頻率和持續(xù)時間，并為此做好準備。如今，美國的8個電網(wǎng)共同擁有數(shù)十萬兆瓦的“冗余”發(fā)電量。這種備用或“峰值”容量可以在任何需要的時候被調(diào)用，并且可以無限期地運行。由于太陽能和風能不可能隨意調(diào)度，規(guī)劃者面臨的關鍵問題是，對于一個以太陽能和風能為主要能源的電網(wǎng)來說，需要多少電力儲存。請記住，莫斯蘭汀400兆瓦的儲存只能支撐4個小時。電網(wǎng)規(guī)模電池的大問題不是人們經(jīng)常提到的日照和風的晝夜變化，而是季節(jié)性的變化，以及長時間、甚至多日天氣事件的偶發(fā)性，例如，整個大陸的靜風（如歐洲最近經(jīng)歷的）或云層覆蓋。數(shù)十年的氣象數(shù)據(jù)表明，雖然不可能精確預測這種情況何時會發(fā)生，但它們將會發(fā)生，而且是在幾十年內(nèi)頻繁發(fā)生。并非偶發(fā)這一現(xiàn)實表明，建設更多的輸電線路并不能解決這一問題。想想這對加州的影響吧。如果全國其他地區(qū)都改用太陽能/風能電網(wǎng)，加州就不能指望鄰近的發(fā)電廠來彌補區(qū)域風能和太陽能供應下降造成的損失（目前進口電力占加州每年電力的四分之一）。一個簡單的計算近似表明，一個過渡期的加州將需要大約100個莫斯蘭汀巨型電池、耗資約400億美元，才能度過幾天的電力枯竭。在政府揮霍無度的這些日子里，400億美元似乎不算多。當然，如果日照和風能缺失的情況再持續(xù)一天，那么加州需要再準備100億美元的電池儲備。而且，由于目前正在建造或計劃建造的電池都無法像普通電網(wǎng)設備那樣使用幾十年，這些電池需要更換，因此總投資將遠遠超過1000億美元。另一個選擇呢？滿足加州日常用電規(guī)模的常規(guī)電網(wǎng)可以可靠地運行幾十年、準備常規(guī)冗余電量僅花費100億美元。在國家層面上，這種差距甚至更令人清醒。一項基于國家氣象數(shù)據(jù)的詳細分析得出結論，全太陽能/風能電網(wǎng)只需12個小時的存儲，就能保證美國99.97%的電力供應。聽起來不錯，但你算一下就知道了：平均而言，這種統(tǒng)計學上的可靠性水平意味著每年會有幾個小時的電力為零。但這還不包括不可預測但不可避免的事件——甚至每幾年才發(fā)生一次——由于持續(xù)缺乏足夠的陽光或風而造成的全大陸停電。這樣的電網(wǎng)聽起來像是“第三世界”，而不是“高科技”，而我們?yōu)榇艘ㄙM更多支出。同樣的分析發(fā)現(xiàn)，一個全太陽能/風能的電網(wǎng)至少需要今天兩倍的發(fā)電裝機容量。這是因為需要遠遠超過正常的峰值發(fā)電量，不僅要在有陽光和風力的時候滿足峰值需求，還要生產(chǎn)冗余的電力儲存在電池中。這樣的現(xiàn)實暴露了經(jīng)常重復的那個說法的愚蠢，即太陽能或風能已經(jīng)實現(xiàn)了“電網(wǎng)平價”（grid parity）——這意味著當它們運行時，每千瓦時的發(fā)電成本與傳統(tǒng)機器差不多。為了達到每年一臺傳統(tǒng)機器所提供的電量，并且連續(xù)數(shù)年，你至少需要兩臺太陽能/風能機器，外加電池。這種組合使得太陽能、風能和電池的投資成本大約是電網(wǎng)規(guī)模的傳統(tǒng)電力的3倍。即便如此，僅在美國電網(wǎng)層面，12小時電量的存儲成本就將達到1.5萬億美元左右，而這仍會讓美國偶爾陷入黑暗。另一種選擇呢？一個傳統(tǒng)電網(wǎng)，外加約1000億美元的冗余電量備用設施。盡管如此，由于現(xiàn)有和預期的補貼和規(guī)定，能源信息管理局預測，在未來幾十年，國家電網(wǎng)的電網(wǎng)規(guī)模電池數(shù)量將增加7000%——這將使存儲電量足以支撐半小時以下的全美用電。另一種選擇是效仿德國的做法：保持一個大致相同規(guī)模的常規(guī)發(fā)電的影子電網(wǎng)作為備份。這種解決方案的費用將不是由太陽能/風能設施的建造者承擔，而是由納稅人承擔。這種解決方案是德國普通居民電費比美國普通居民高出300%的主要原因。更糟糕的是，正如歐洲在其冬天來臨之際所發(fā)現(xiàn)的那樣，這種雙網(wǎng)方案面臨著因不可避免的供應鏈中斷引發(fā)的偶然卻激進的燃料價格飆升。當對任何大宗商品的需求普遍飆升時，價格就會躥升，尤其是當燃料買家選擇(在政府命令下)避免參與長期、低成本的供應商協(xié)議時。還有一種解決方案是宣稱電池的成本將很快出現(xiàn)“革命性”的下降。我們很難追蹤所有關于“改變游戲規(guī)則”的電池新技術的媒體報道。今天要制造的電池是現(xiàn)在就存在的、而不是什么未來的新奇產(chǎn)品。當然，我們期待研究人員發(fā)現(xiàn)更好的化合物，但從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)化生產(chǎn)需要很多年。第一輛特斯拉轎車大約出現(xiàn)在2012年，此時距離20世紀70年代中期因鋰電池研究而獲得諾貝爾獎已經(jīng)30多年了。是的，隨著時間的推移，鋰電池會變得更便宜，也許會像熱衷者所宣稱的那樣，成本下降一半。但是，正如一項詳細的分析所指出的那樣，為了使系統(tǒng)性的電網(wǎng)規(guī)模的存儲變得負擔得起，我們需要看到近100倍的成本降低，而這是遙遙無期的。再來看下物理障礙。電池是儲存能量非常昂貴的一種方式，因為它們是如此的材料密集型——1磅油所含的能量，需要大約50磅的電池來儲存；而制造一個50磅電池，需要開采和加工大約2.5萬磅的礦物。這種物理差異在電網(wǎng)規(guī)模電池上還會增加。僅僅建造可供全美12小時用電的莫斯蘭汀級別的存儲電池，需要開采的礦物材料足以供應全世界所有智能手機電池200年的生產(chǎn)所需。這還沒有算上過渡到電動汽車所需的額外材料，或建造風能和太陽能設施本身所需的礦物材料。一個鮮為人知的事實是，使用風能/太陽能/電池設備來提供與傳統(tǒng)碳氫化合物設備相同的能量，需要多出約1000%的初級材料用于制造。世界現(xiàn)在沒有開采、也沒有計劃開采足額的礦物和金屬，以制造綠色能源轉型過渡階段所需的電池。即使被忽視了，但對于這一事實沒有任何爭議。出人意料的是，國際能源署在對風能/太陽能/存儲電池路線所需的驚人、甚至是不可能的礦物需求進行分析之后，竟然很快就出具另一份報告，提出要更積極地追求能源轉型。與此同時，芬蘭地質調(diào)查局最近的另一項研究，匯總了能源轉型對如銅、鎳、石墨和鋰等普通礦物的總需求（更不用說更稀有的礦物），結論是需求將超過這些礦物的已知全球儲備。剛剛開始的轉型之路，很快就會給全球礦產(chǎn)供應鏈帶來空前的壓力。在商品的現(xiàn)實世界中，這將轉化為更高的價格。正如國際能源署指出的那樣，僅原材料就占電池成本的50%至70%，看到這么多分析師認為電池將變得更加便宜，令人費解。礦物密集型的能源轉型道路，也有一些令人不安的地緣政治影響。中國是大多數(shù)所需關鍵材料的最大來源國。多數(shù)情況下，中國控制了該供應鏈的近一半，美國只是一個小角色。在美國匆忙建造電池組裝廠，就相當于在美國生產(chǎn)汽車，但所有的汽油都要進口。轉型支持者的反駁總是說，就像在計算機和通信領域看到的那樣，“清潔技術”正以所謂的“指數(shù)級”速度變得更好。但是，像道路、橋梁、發(fā)電廠和大型電池等實體基礎設施的改善速度，根本無法達到信息系統(tǒng)的改善速度。這些都是植根于物理的現(xiàn)實，而不是政策或補貼。的確，電網(wǎng)規(guī)模的風能、太陽能和電池發(fā)電設備比30年前要好得多，即使沒有補貼和法規(guī)，我們也應該期待建造更多的設備。但是，認為如今風能/太陽能/儲能電池可以完全取代傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，就像在20世紀50年代認為核能不僅可以為我們所有的電網(wǎng)供電，還可以為我們的船舶和汽車供電一樣，是很幼稚的。大規(guī)模使用核能比許多人想象的要困難得多。歷史可能會將2021年的夏天——從歐洲即將到來的寒冷和昂貴的冬天，到加州搖搖欲倒的系統(tǒng)停電——作為世界開始測試提供和儲存電力供應鏈的極限時刻。加州的電力成本將超過德國的天價水平，甚至加州公共事業(yè)委員會也注意到，現(xiàn)在規(guī)劃的路線圖將意味著“隨著時間的推移，能源賬單將變得更難負擔”。如果有人對零碳競賽的結果下注，那么，很有可能在我們有機會耗盡關鍵能源礦產(chǎn)的供應之前，消費者對飆升的成本的耐心——伴隨著可靠性的下降——就會耗盡。在這方面，加州正在領路。
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