光伏狂飙：当“便宜”成为颠覆一切的力量
文摘
2024-07-06 03:00
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“我在这里出售的是世界上所有人都渴望得到的动力。”当1767年，马修·博尔顿向作家詹姆斯·博斯韦尔展示他那改变世界的蒸汽机时，他清楚地知道自己贩售的并非仅仅是机械，而是推动时代巨轮滚滚向前的力量源泉。两百年后的今天，我们再次站在历史的拐点，见证着另一种“动力”——光伏，以势不可挡之势正席卷全球。![]()
然而与蒸汽机时代不同的是，光伏的崛起并非源于对新技术的狂热追捧，而是一个近乎悖论的逻辑：便宜。这种“便宜”的力量如此强大，以至于颠覆了所有预测，将光伏推向了可再生能源竞赛的领跑位置，也引发了人们的疑问和困惑：是什么让光伏如此便宜？这种“便宜”又能持续多久？整个2023年，世界太阳能电池的面积不到10,000平方公里，产生了约1600太瓦时的能量（一太瓦是一万亿瓦）。这占全球发电量的约6%，占全球一次能源消耗的略高于1%。后一个数字听起来相当边缘化，不过当您考虑到提供世界上大部分一次能源的化石燃料效率较低时，情况就不那么边缘化了。煤炭和石油的一半以上一次能源最终以废热的形式浪费，而不是以电能或前进运动的形式存在。一块硅片，通常每边182毫米，厚度约为五分之一毫米，正面有细线，背面有电极。将光照射在电池上，它就会产生电势——电压——在硅片之间：因此称为“光伏”或“光伏”。在电池的正面和背面之间运行电路，在直接日光照射下，该电势可以提供约7瓦的电能。就这么一个简单的装置——光伏发电。其平准化成本（LCOE）——项目为获得固定回报率的融资而需要支付的收支平衡价格，在过去几十年里经历了断崖式下跌，从每兆瓦时数百美元降至如今的40美元左右，远低于煤炭等传统能源。这种惊人的降价速度，源于光伏产业链中多个环节的良性循环：清洁能源技术和经济学方面的资深分析师迈克尔·里布里奇（MichaelLiebreich）这样说：2004年，世界花了一整年才安装了一千兆瓦的太阳能发电容量（1千兆瓦等于10亿瓦，或一千分之一太瓦）；2010年，它花了一个月；2016年，花了一周。2023年，全世界有单日安装一千兆瓦的情况。在2024年的某段时间，数据机构BloombergNEF的分析师预计将安装520-655千兆瓦的容量：这相当于每天两个2004年。这种非凡的增长源于三种简单因素的相互作用。当工业生产更多时，它们的生产成本就会降低。当东西变便宜时，对它们的需求就会增加。当需求增长时，就会生产更多。在太阳能的情况下，需求是由本世纪初的补贴创造和维持的，时间足够长，以至于价格下降变得显著，并且很快变得可以预测。推动指数增长的积极反馈在全球范围内启动。但过去20年太阳能增长的情况是，天真的推断一次又一次地击败了最终在这些担忧的知情下做出的清醒预测。2009年，当世界太阳能装机容量为23千兆瓦时，国际能源署的能源专家预测，到2030年，20年后，装机容量将增加到244千兆瓦。2016年，仅在20年中的6年，它就达到了这一里程碑。根据能源分析师NatBullard的说法，在2010年代的大部分时间里，实际太阳能安装量通常比国际能源署的五年预测高出235%。最接近预测实际发生情况的人是环保主义者，他们因狂热和经济文盲而受到嘲笑，例如绿色和平组织在2009年预测2030年将有921千兆瓦的太阳能装机容量。然而，即使这也被低估了。去年，世界太阳能装机容量达到了1419千兆瓦。我国作为全球光伏制造中心，凭借其庞大的制造规模和产业链优势，不断压低着光伏组件的制造成本。首先是技术进步:从硅晶圆的提纯到电池效率的提升，光伏技术持续进步，推动着度电成本的下降。硅晶圆的原料是石英砂，即氧化硅的结晶形式。硅晶圆厂在电弧炉中将它加热到1900度，并加入一些以焦炭形式存在的碳。沙子中的氧气与碳反应生成一氧化碳，留下熔融的多晶硅。然后将其冷却、粉碎并与盐酸反应以产生一种称为三氯硅烷的挥发性液体，然后反复蒸馏以去除所有杂质痕迹。最先进的晶圆厂以“10个9”为单位工作，这意味着它们从三氯硅烷中获得的多晶硅纯度为99.99999999%。然后可以将这种硅重新熔化并冷却，使其每个原子都坐在单个晶体中适当指定的位置。直到本世纪初，这种麻烦的唯一值得一提的产品是芯片行业制造的硅片。太阳能电池行业靠边角料生存。但是，2000年代中期的补贴使光伏电池的需求超过了计算机行业可以剩余的数量。随着多晶硅价格的上涨，亚洲公司开始进行投资，以建造为光伏电池行业供应多晶硅晶圆厂。我国很快就在这一领域处于领先，并保持着领先地位。2023年，我国企业生产了全球93%用于太阳能电池的多晶硅。有些是纵向整合的，自己制造光伏电池。有些则将钻石锯切晶锭切割成晶圆片、晶圆片表面的精确抛光以及精确校准的掺杂留给客户，这种掺杂使硅成为半导体。我国最大的两家多晶硅生产商GCL-Poly和通威在2023年各自拥有37万吨的生产能力，足以满足需求。通威表示，它正在投资约39亿美元建设一家新工厂，该工厂最终将能够每年生产40万吨。多晶硅市场分析师约翰内斯·伯恩鲁特（JohannesBernreuter）表示，中国有每年700万吨的生产能力，足以生产3.5太瓦的太阳能电池板。成本是一大优势，GCL-Poly和其他公司在新疆拥有多家工厂，附近有大型燃煤电厂，而这些电厂本身几乎建在大型煤矿之上。电力占多晶硅生产成本的40%，在隔壁开采的煤炭在折旧工厂中燃烧，直接为电弧炉供电成本相当低廉。在不久的将来，太阳能可能会更便宜。持续保持竞争优势的奥秘竟是竞争。燃烧燃料的发动机安装在备用发电机或摩托车上时差异巨大。旋转涡轮机必须根据燃煤电厂的蒸汽或水电站的水进行调整。这种专业化产生了摩擦和锁定效应，有利于现有企业。西门子几十年来一直保持着燃气轮机制造领域的领先地位。在光伏电池中，找不到这种持久的优势。太阳能电池是标准化产品，基本上都是以相同的方式制造的；它们根本没有活动部件，更不用说现代涡轮机的复杂性了。制造商通过竞争成本，要么制造在给定光量下略微增加电能的电池，要么降低成本。BloombergNEF的行业分析师珍妮·蔡（JennyChase）说：“进入壁垒是资本支出。”“您可以购买必要的机器，它不是超级技术密集型的。”产品的商品化性质不仅导致供应方之间无情的竞争。它还提供了难以置信的多样化和深度的需求。国际能源署的HeymiBahar认为这是该技术最大的优势之一。他说，太阳能的革命性在于它“面向所有类型的投资者”。此外还包括政策扶持:早期政府补贴为光伏产业发展提供了至关重要的推动力，使其能够跨越成本曲线，随着产量扩大，工艺成本降低的程度通常用单位成本在累计产量加倍时下降的程度来表示。从20世纪70年代中期到21世纪初，光伏电池的累计装运量增加了100万倍，即20倍。同时，价格下降了500倍。这意味着每当安装的容量加倍时，成本就会下降27%，也就是说，每当安装的容量增加360%时，成本就会减半。如果将2000年代末作为拐点，当时补贴导致建造专门为太阳能电池生产多晶硅的铸造厂，那么现在的比率已经超过40%。进入良性循环。这种良性循环的结果是，光伏发电成本每三年就会下降一半，远远超过任何其他能源技术。正如绿色和平组织在2009年预测的那样，到2030年，全球太阳能装机容量将达到921吉瓦，这一数字在当时被认为是环保主义者的狂热臆想，然而现实却是，2023年全球太阳能装机容量已经突破了1419吉瓦。光伏发电成本的快速下降，为解决气候危机带来了希望，但也带来了新的机遇和挑战。电网消纳：太阳能发电的间歇性和波动性，对电网的稳定运行提出了挑战。当电网中有大量的太阳能时，白天的电价可能会降至零甚至更低。最近几个月，西班牙、葡萄牙、德国、法国、加州和德克萨斯州的太阳能丰富电网都经历了负批发电价。随着时间的推移，安装大量太阳能的市场都可以期待类似的情况，这使得太阳能在这种市场中的进一步投资潜力利润似乎有限。储能：如何将白天充足的太阳能储存起来，供夜间使用，是光伏产业面临的另一大难题。电池和其他存储技术允许在时间维度上进行套利，而不是空间维度；可以在电网价格较低的中午生成能量，并在太阳落山时价格较高的时间段回售。更重要的是，电池与太阳能电池一样，可以大规模生产，是中国工业政策的目标。因此，它们正在经历一条比太阳能更陡峭的经验曲线。智库洛基山研究所计算，电池存储的千瓦时成本在过去30年中下降了99%。通过为已经出现零价格的市场中的新太阳能提供投资案例，电池增加了对太阳能电池板的需求。以加州为例。2017年，加州电网首次出现由阳光驱动的负价格，当时安装了约19吉瓦的太阳能。从那时起，加州的太阳能发电能力翻了一番，部分原因是现在有10吉瓦的电池存储容量；最近，电池一度成为加州电网中最大的电力来源。在德克萨斯州，电池运营商2023年的收入达到了5.32亿美元。因此，电池也可能在空间和时间维度上移动电力成为了一个新生意。劳伦斯伯克利国家实验室估计，美国有2.6TW的发电和存储容量正在排队等待电网连接——足以使该国的已安装发电能力翻一番。这个队列中包括一整太瓦的太阳能。SunTrain（卡尔森博士的公司行星技术公司是这家公司的投资者）将此视为一个带轮的电池市场。该公司计划在除了附近有一条铁路线之外没有其他优点的地方使用太阳能农场作为充电站，为建在货车车厢里的重但便宜的电池充电。与目前从威斯康星州向东运输煤炭的火车类似，一列100节车厢的火车可以为用户提供3吉瓦时的电力（足以满足72.5万户家庭三天的用电需求）。利用火车的电力移动甚至比监理特高压书店先还容易和省钱。尽管面临挑战，但光伏产业的发展势头依然强劲。国际能源署预测，到2050年，太阳能将成为全球最大的电力来源。光伏的未来充满希望，它将照亮一个能源充裕的世界，带来以下改变：未来将重塑能源格局，光伏将与风能、水能等可再生能源一起，逐步取代化石能源，成为全球能源供应的主体。能源获取更加平等:光伏发电的分布式特点，使其特别适用于偏远地区和发展中国家，为解决全球能源贫困问题提供了有效途径。能源成本大幅下降:随着光伏发电成本的持续下降，人类将进入一个能源极大丰富的时代，这将推动经济社会发展模式的深刻变革。比薯片还便宜的太阳能还将刺激创新，进一步提高全球的电力需求。19世纪经济学家威廉·杰文斯指出，当能源价格下降时人们会使用更多的能源。当能源具有大量的未计入外部性时，例如化石燃料，杰文斯的“反弹效应”现象可以成为环境担忧的来源，即使它提供了经济利益。如果能源的唯一主要成本是拥有电网连接的边缘土地的成本——或者，如果用户愿意搬到附近居住，甚至没有这种成本——那么它就会变得更加良性。正如TerraformIndustries创始人凯西·汉德默所说：“人们应该能够在地球上的任何地方随意放置太阳能电池板并连接一些设备”。光伏的“便宜”，将成为撬动未来、颠覆一切的力量，为人类创造一个更加清洁、可持续和繁荣的未来。绿色氢气是通过用可再生能源为电解槽供电来生产的，电解槽将水分解为氢气和氧气。绿色氢气也被广泛宣传为一种比电池提供的时间更长的方式来存储能源。但是电解槽的成本使它变得昂贵。来自帕萨迪纳喷气推进实验室的汉德默博士认为，这种方法基于不再适用的经济假设。人们一直认为，因为电力是有成本的，所以让电解槽尽可能多地将输入的电能转化为氢气是一个好主意。提高氢气产量的技术——铂族金属电极、高压和高温、复杂膜和热交换器——使电解槽变得昂贵。这意味着它们必须尽可能地每天24小时使用，以收回投入其中的资本。如果相反，你生产了一个没有花哨功能的电解槽，它使用的电能多了60%，但所需的资本支出却少了很多。然后，你把它放在最简单的可想像的太阳能系统旁边——这种系统以太阳能电池板产生的直流电形式提供电力，这也是电解槽使用的形式，因此不需要大多数系统使用的逆变器将电能输送到电网中，变成交流电（AC）。与花哨的电解槽系统相比，你可能需要更多的电能来产生单位氢气。但是，由于电价非常便宜，资本支出也大大减少，你仍然可以获得收益。它按照这些思路建造的廉价电解槽/离网太阳能演示系统可以以每公斤2.5美元的成本产生氢气，并且它有实现每公斤1美元成本的路线图，分析师认为氢气必须达到这一水平才能与化石燃料竞争。它非常适合发展中市场并不是一个巧合。汉德默认为，人们应该能够“在地球上的任何地方随意放置太阳能电池板并连接一些设备”，以生产他们需要的任何氢气。然而历史的经验告诉我们，没有一种技术是完美的灵丹妙药，光伏也不例外。如何在享受光伏带来的经济效益的同时，妥善解决其带来的挑战，需要政府、企业和全社会的共同努力。只有这样，我们才能真正迎来光伏照耀下的美好未来。
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