只要碳排放问题不解决,光伏行业30年都干不完

2022
01/15

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前瞻网
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‍‍ 实现碳减排最主要的手段之一是靠太阳能光伏发电

‍‍ 12月18日,在工业和信息化部电子第五研究所、深圳市科学技术协会的指导下,由前瞻产业研究院、前瞻碳中和战略研究院、前瞻经济学人主办,华联城市中心承办的 “洞见趋势「碳」望未来——2021前瞻碳中和低碳科技产业发展峰会” 盛大召开。 武汉大学物理科学与技术学院教授、国家重大科学研究计划首席科学家、加州大学伯克利分校博士肖旭东发表了《光伏发电与双碳目标》的主旨演讲,在业内引起广泛关注。

一、我国面临能源供应挑战和环境危机 我们国家本来是一个地大物博的国家,但是在能源方面,尤其化石能源方面,却是个地大物“薄”的国家。 从能源储备来看,我国的各类能源储备几乎都比不上美国,哪怕是煤炭储量也仅仅是美国的一半多一点。《世界能源统计年鉴2021》以及美国能源情报署数据显示:中国煤炭储量为1350.69亿吨,美国为2189.38亿吨。 即使从世界占比来看,跟我们的人口相比,我们的能源储备也是远远不足的。哪怕是煤炭储量也仅占世界的12.6%(约1/8),而我们的人口却占世界人口的1/5;更不用说石油、天然气等原材料。 肖旭东教授在峰会上提到,我们国家一次能源消耗方面,煤炭是最主要的,此外水电、风电、太阳能发电等等也占一定的比重。在以前,我们国家的煤还有输出,但是过去十几年我们必须要进口。而像天然气和石油则是一直依靠进口,其中2/3石油依赖进口。这说明在能源方面,整个国家面临挑战。 从全球电力结构来看,主要还是靠化石能源发电,占比达61.3%;然后是水电、核电、风电、太阳能电,占比为35.2%;其他能源占的比例相对比较少。 从装机容量来讲,中国煤电装机容量大概54%,风电、光电装机容量10%左右,水电有19%。但是这并不是最后的结构。像煤炭一天24小时可以发电,但是太阳能发电一天平均下来发3-4个小时。太阳能发电如果要解决电力问题,装机容量要比煤电、火电大的多得多才行。 我们国家在前些年,火力发电占整个电力结构80%左右,这几年稍微有所下降,降至70%,但 太阳能占比依然非常低,去年只贡献了3.4%的电力

除了资源方面面临挑战,使用化石能源对环境也造成了一些严峻问题,例如雾霾、冰川消融、气候变暖等等。肖旭东教授表示,碳排放是此次前瞻碳中和低碳科技产业发展峰会上讨论的主题之一,实现双碳目标需要减排。但目前我国碳排放占全世界的26-28%,比我们人口占比要多,减排过程中我们有很多事情要做。 二、实现碳减排最主要的手段之一是靠太阳能光伏发电 肖旭东教授指出,2020年,国际上来讲已经是碳达峰。我们国家因为是发展中国家,经济还要继续有增量,现在要控制碳排放不现实,所以我们国家提出的目标是比国际晚十年碳达峰。我们争取在2030年的时候碳排放达到最高。从今天到2030年我们还有几年时间可以有一点增量,但到2030年之后,我们就要开始减排放。 为了实现碳减排目标,在此次前瞻碳中和低碳科技产业发展峰会上,刘科院士已经提出了多种方式(详见前瞻经济学人文章 《2021前瞻碳中和峰会专家刘科院士:电动车的盲目扩张是在增加碳排放,而非减少碳排放》 )。但肖旭东教授聚焦于光伏发电,他认为实现碳减排,其中一个最主要的手段是靠太阳能光伏发电。 2030年,整个世界要装7-10TW的光伏发电装置,如果我们用的电全部用光伏提供,要多少装机容量?约等于30TW。而到了2050年,目标是全球70%发电量是光伏和风能提供的。我们国家是到2060年达到碳中和,国际目标是2050年达到碳中和, 这要求以后30-40年内我们要大力发展光伏发电。 为什么要大力发展光伏发电?这是因为每发一度电, 如果用火电发的话,每生产一千瓦时电力(即一度电),煤炭发电需要排放900g二氧化碳当量,但是如果用光伏发电的话约等于10-30g。 所以用光伏发电的碳排放率是火力、煤的1/30-1/50,这还包括了生产光伏太阳能所有设备过程中造成的碳排放。 从这个结果可以看到,光伏发电确确实实应该能帮助我们实现减排,不管相对于煤发电或者石油发电或者气发电,而且下降的倍数相当大。 太阳能发电的一个优势是它是取之不尽的,只要有太阳,我们就可以向太阳要能源。 在过去十几年内,我们国家一直是太阳能,尤其是光伏组件最大生产国,在国际上占比通常是60-80%。这些年光伏产业的科学家、技术员、企业家们竭尽全力把光伏组件做到世界顶尖水平,把光伏组件成本做到全世界最低水平,使得我们用光伏发电成为一件有经济价值的事情。 肖旭东教授在峰会上感慨道:若干年前我去欧洲讲课的时候,我说‘我们自己是把污染留给了自己,把洁净带给了欧洲、美国’,原因是什么?那个时代我们自己制造光伏太阳能板。但是我们自己用不起,都卖到德国、意大利、西班牙,甚至卖给印度我们都自己不一定用得起。 但2013年开始,我们国家装机容量开始显著增加,到过去这两年每年增加量已经达到世界最高。现在我们的装机容量按国家来算的话,是全世界最多的,很快将接近全世界装机容量的一半。数据显示: 全球累计光伏安装量达700GW,而到今年年底,中国累计光伏安装量将超过300GW。 那么,需要多少太阳能光伏板才够发全球现在所需要的电? 肖旭东教授在峰会现场算了一下: 大概30TW的光伏板, 哪怕到本世纪中期都可以满足全世界所需要的电量。全球每年的光伏装机容量大约为100多个GW,中国今年可能增加50-60GW安装量。30TW,平均一年装一个TW(一个TW是一个GW的1000倍),哪怕现在一年装300GW,也还要两三年,因此有很大的发展空间。 另外,光伏电磁板通常寿命30年左右,等装完这30个TW,就发现第一年装的一个TW又要进行替换,因此这个行业里面的工作可以永远做下去。 根据加州理工大学一个教授绘制的一张图表,中国需要装5个TW左右的光伏板。到今年年底,我国累计装机量可达300个GW,就是0.3TW,0.3到5还有很长的路程要走。我们每年安装速度也就50-60GW左右,所以如果不加快速度几十年都装不过来。 针对峰会现场观众提到的‘光伏行业会不会热闹两三年就死掉了’,肖旭东教授斩钉截铁地称, “只要要解决电力问题、要解决世界碳排放问题,这是非常长远的目标,30年干不完。”

另外,肖旭东教授还计算了下‘如果中国电力都要光伏来解决的话,需要多少土地’? 算下来大概要28000平方公里, 约等于千分之三国土面积。 28000平方公里相当于14个深圳大小面积, 这些土地从哪来? 答案是,不同的地方贡献不同的土地。光伏可以在沙漠上大规模铺设、可以在山上安装、也可以在屋顶上安装,甚至可以在水面上安装。所以有很多不同方式解决所需的土地问题。 三、光伏行业五大技术之“争” 现在市场上主要有这几种形式的商用太阳能电池:单晶硅、多晶硅、非晶硅,非晶硅过去几年已经被市场淘汰了;还有另外两种薄膜肽。 但是近两年,尤其今年主要 被单晶硅占了主要市场,多晶硅都在逐渐萎缩。 因为单晶硅成本优势更大。若干年前薄膜太阳能电池成本最低,但是现在已经赶不上硅电池下降速度。 当我们考虑太阳能发电的时候,太阳能电池需要考虑三个因素,一个就是转化效率。转化效率低必然带来成本上升。第二个因素是成本,如果成本高,无论如何也说动不了用户明明5、6毛钱就能买一度电,硬要花3块钱去买太阳能电,这不经济。三是寿命,如果装了太阳能电磁板一年要换两次,哪怕最便宜的初始投资也变得贵。

光伏电磁板成本也是一个问题。 同样用一块硅片,如果做成集成电路的话,每平方厘米可以卖100多美金,但是如果做成太阳能电磁板,每平方厘米只能1分5美金。 同样硅做出的东西,但是太阳能方面的器件就卖不起价钱,原因是它能做的事情就是电磁发电,但是集成电路可以做很多其他东西,不用担心成本问题。 硅电池从1976年成本开始下降,到目前下降了99.6%。1976年,每瓦特太阳能光伏组件的价格是100美金,今天大概是2块人民币,几十年降了上千倍,哪怕跟2008年相比也是大幅下降,2008年的价格是35元人民币,去年最便宜降到1.5元。 除了硅电池,肖旭东教授还重点介绍了薄膜太阳能电池。 薄膜太阳能电池通常有一个优势,所需的材料比较少。硅片再怎么薄也在150微米厚度,但是薄膜太阳能电池2-3微米厚,可以省100倍左右的原材料。但是生产过程中以及技术成熟过程中,薄膜电池现在遇到了不少挑战。原来薄膜电池其实更便宜,现在硅电池比薄膜便宜。 其中,CIGS是近年来发展起来的新型太阳电池,目前在技术成熟度上遭遇一点点困难,虽然能造,但是成本相对比较贵。CIGS薄膜电池可以做得柔性、超薄,这是它的另一个优势,这个优势是硅电池替代不了的。对于一些特殊用途,比如上天、个人需要的电源,需要轻便的解决方案, CIGS依然是一个很好的首选。 过去五年左右还有一种新型电池叫做PSC电池,从2009年左右使用,那个时候它的效率一直很低,但是过去5-6年期间,从低效率一下提升到25.2%实验室转化效率,非常接近单晶硅转化效率, 成为一项明星技术。 PSC电池的优势在于它的成本可以低于硅的1/2,效率跟硅不相上下。它最大劣势是寿命,硅可以达到25年,它现在大概1年左右。因为PSC电池本身稳定性没有解决,所以它的经济价值暂时是不清楚的。换言之,没有解决稳定性之前,PSC电池应该没有多少价值。

总而言之,肖旭东教授在2021前瞻碳中和低碳科技产业发展峰会上发表的《光伏发电与双碳目标》主旨演讲为我国实现“双碳”目标提供了一定参考借鉴,引发了行业从业者的热烈探讨。碳中和是一场关乎中国的国运之战,也是一场广泛而深刻的经济社会变革。它埋藏着人类下一场技术革命,引领未来40年中国几乎所有重点产业的发展方向。任何个人、企业、组织都无法逃避,惟有把握时代命脉,顺势而为。 2021前瞻碳中和低碳科技产业发展峰会 吸引了全国地方政府及监管部门领导、协会企业代表,国际低碳技术专家、绿色低碳机构高管等300多位嘉宾参加了本次活动,为双碳愿景下低碳产业关键技术的成长模式与发展趋势、新时代低碳产业相关发展新机遇提供了突破口,既为企业的绿色转型提供了思路,也为地方政府进行生态文明建设和实现高质量发展提供了样板。

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关键词:
装机容量,低碳科技,太阳能,排放,光伏,效率

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