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为什么可再生能源成本下降如此之快?

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世界经济论坛网站发表牛津大学学者Max Roser的文章,题目是:Explained: why renewables became so cheap so fast(解释:为什么可再生能源成本下降如此之快?)

长期以来,化石燃料一直主宰着全球能源行业,原因有一个:价格便宜。从历史上看,化石燃料比其他类型的能源便宜得多。因此,可再生能源的转型关键是人们能否负担得起。

要想看到前进的道路,我们必须了解现在。今天,化石燃料——煤炭、石油和天然气——占世界能源产量的79%,如下图所示,左边的条形图显示了死亡人数,右边的条形图比较了温室气体的排放量。

燃烧化石燃料造成的空气污染每年在世界各国造成360万人死亡;这是所有谋杀、战争死亡和恐怖袭击死亡人数总和的6倍。上图清楚地表明,化石燃料的替代品——可再生能源和核能——比化石燃料更安全、更清洁。

那么,为什么世界要依赖化石燃料呢?

化石燃料在世界能源供应中占主导地位,因为过去它们比所有其他能源都便宜。如果我们想让世界用更安全、更清洁的替代能源,我们必须确保这些替代能源比化石燃料便宜。世界电力供应以化石燃料为主。到目前为止,煤炭是最大的能源,供应37%的电力;其次是天然气,供应24%。燃烧这些化石燃料发电和取暖是全球温室气体的最大单一来源,造成全球排放量的30%。

下面的图表显示了过去10年中,化石燃料和核能的上网电价(反映了其成本)是如何变化的。在过去10年里,核能发电的成本变得越来越贵,天然气发电变得越来越便宜,而世界上最大的电力来源——煤电的成本几乎保持不变。

如果我们想过渡到可再生能源,最重要的是它们相对于化石燃料的成本。下面这张图表与上一张相同,但包括了可再生能源的成本(不含补贴)。就在10年前,建造一座燃烧化石燃料的新发电厂比建造一座新的太阳能光伏发电厂或风力发电厂要便宜得多。但在过去的几年里,这种情况已经完全改变了。2009年,公用事业规模的太阳能光伏发电成本为每兆瓦359美元。从那以来到2019年的10年内,光伏成本下降了89%。近年来,风能和太阳能近年来增长迅速;2019年,可再生能源占全球新增产能的72%。

为什么我们看到可再生能源的成本下降如此之快?

化石燃料和核能的成本在很大程度上取决于两个因素,即燃料的价格和发电厂的运营成本。可再生能源发电厂不同:运营成本相对较低,而且不需要任何燃料。决定可再生能源成本的是发电厂的成本,技术本身的成本。

要理解太阳能为何如此便宜,让我们回顾往事。

我们能找到的可用太阳能技术的第一个价格点是1956年。当时,1瓦太阳能光伏的成本是1865美元(根据通货膨胀和2019年的价格调整)。今天,一块由房主安装在屋顶上的太阳能电池板可产生约320瓦的电力。这意味着,按1956年的价格计算,今天的一个太阳能组件将耗资596800.12美元

以这样的价格——单块电池板50多万美元——太阳能显然无法与化石燃料竞争。那为什么太阳能技术的历史没有就此结束呢?太阳能不但没有消亡,反而发展成为当今世界上最便宜的电力来源,原因有二。

第一,即使价格很高,太阳能技术也确实独特的应用场景。太阳能的第一次实际应用是为1958年的“先锋一号”卫星供电。正是在这个高科技的航天领域,有人愿意为太阳能技术买单,即使价格极高。

第二个重要原因是,当更多的太阳能组件生产出来时,价格下降了。更多的生产给了我们学习如何改进生产过程的机会,这是在实践中学习的经典案例。高科技部门的最初需求意味着一些太阳能技术的生产,而这种最初的生产开始了需求增加和价格下降的良性循环。

20世纪60年代,太阳能的主要应用仍然是卫星。但良性循环开始了,这意味着太阳能组件的价格缓慢但稳步下降。随着价格的下降,这项技术从太空传到了我们的地球。20世纪70年代的第一次地面应用是在偏远地区,用于灯塔、偏远的铁路交叉口或疫苗的冷藏。当时,太阳能组件的价格为每瓦106美元,全球太阳能光伏发电装机容量只有0.3兆瓦。与1956年相比,价格已经下降了94%,但相对于世界能源需求而言,太阳能仍然非常昂贵,因此非常小。0.3兆瓦的容量只够每年为大约20人提供电力。

更多的应用意味着价格的下降,价格下降意味着更多的应用。在很长一段时间内,太阳能技术的发展是通过政府补贴和支持来实现的——可以说,早期的高价购买可再生能源可以让每个人以后都能少花钱。

太阳能光伏组件的学习率为20.2%,即每增加一倍的累计装机容量,太阳能组件的价格就会下降20.2%。高学习率意味着太阳能发电的核心技术迅速下降。太阳能组件的价格从每瓦106美元下降到0.38美元,相对于1976年成本下降了99.6%。陆上风电行业实现了23%的学习率。产能每翻一番,价格就会下降近四分之一。海上风电的学习率为10%,但仍然相对昂贵——仅比核能便宜25%,比煤炭贵一点。专家们预计,未来几年,海上风电的发电量将变得非常便宜,因为海上风电有更大的风力涡轮机容量,持续不断的海上风力发电允许更高的负荷系数。

可再生能源发电的成本正在迅速降低。那么,它的竞争对手呢?我们先来看看煤。

煤炭,世界上最大的电力来源。2011年到2019年,全球新建煤电成本从111美元降至109美元。同期太阳能成本下降了89%,风能下降了70%,但煤炭成本的价格只下降了2%。煤电的成本在未来不会发生太大变化,有两个原因:

首先,大幅度提高燃煤电厂效率的空间不大。典型的发电厂效率约为33%,而目前效率最高的发电厂达到了47%。即使是从三分之一到三分之二的巨大、前所未有的改进,也只能与太阳能光伏组件每7.5年取得的进步相对应。

其次,所有化石燃料的电价不仅取决于技术,而且在很大程度上取决于燃料本身的成本。发电厂燃烧的煤炭成本约占总成本的40%。即使建造发电厂的成本会下降,燃料成本意味着总成本有一个下限。

第二大化石燃料来源天然气的电力在过去十年中确实变得更便宜了。联合循环天然气发电厂的电力下降了32%,全球平均成本为每兆瓦时56美元。但是,过去10年中天然气发电价格下降的主要原因是天然气价格在这一特定时期内碰巧下降。天然气价格在2008年达到峰值后急剧下降,页岩气水力压裂增加的供应是一个关键原因。然而,天然气价格的下降并不是长期趋势,今天的天然气价格比20多年前高。基于与讨论煤炭的相同原因(设备和燃料成本),我们不应预期未来几十年天然气发电的价格会大幅下降。

关于核能, 2009年以来核电价格上涨了,这一增长是长期趋势的一部分。价格上涨的一个原因是加强了对核电的监管,以提高安全性。第二个原因是,近年来世界上没有建造许多核电站,因此供应链规模小、缺乏竞争力,没有规模效应,与可再生能源形成了鲜明对比。核技术不是很标准化,而且很少建造,但太阳能光伏组件和风力发电厂恰恰相反,非常标准化,而且经常建造。

但核能在未来仍可能变得更为重要,因为它可以补充可再生能源。可再生能源有其弱点:首先,可再生能源的间歇性电力供应仍然是一个挑战,未来无碳世界可行的能源组合可能包括所有低碳能源、可再生能源以及核能。第二,可再生能源的土地使用量很大,核能的一大环境效益是它只占用很少的土地。除了现有的核裂变反应堆外,科研人员正在努力研制核聚变反应堆,这可能会彻底改变世界的能源供应。

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