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作者：Mark P.Mills（曼哈顿研究院高级研究员） 一个月前，加州州长纽森发布紧急命令，采购更多天然气发电量，以避免停电。而在夏季早些时候，加州电网运营商“窃取”了亚利桑那州公用事业公司购买的、从俄勒冈州转运过来的电力，这可能预示着将有更多此类行动。最近几周，欧洲大陆也遭遇了停电、近乎停电，以及因风力大幅减弱引发的电价飞涨。欧洲各地的电网运营商纷纷购买燃料，重启旧的天然气和燃煤发电厂。欧洲请求俄罗斯提供更多的天然气，德国燃煤发电厂用完了燃料，导致人们争相获得更多燃料（全球价格翻倍）。甚至从瑞典到亚洲的电网，被遗忘已久的燃油发电厂也被开动用来提供紧急供电。现在的问题是，用硅谷的话来说，所有这些对电力供应和价格的干扰，是可再生能源倡导者所青睐的新能源基础设施（由风能和太阳能主导）的一个“特点”，还是一个暂时的“缺陷”？这种所谓的能源转型的支持者承认，通向后碳氢化合物世界的道路可能是坎坷的，但他们说，解决方案是加快建设更多的风能和太阳能设备。因此，现在的关键问题不是我们是否需要这样的转型，甚至不是它的成本，而是它是否有可能在现在的时间框架内实现(“到2035年无碳”)。我们要感谢加州在这个问题上给我们指明了方向。8月下旬，为了追求“过渡”愿景，同时避开大面积停电，加州在硅谷以南60英里的莫斯兰汀(Moss Landing)启用了世界上有史以来最大的电网规模电池。全风能/太阳能电网的支持者似乎在说，我们需要做的就是建立足够多的此类电池，越快越好，以克服传统燃料发电的波动性。莫斯兰汀的电网规模电池，大约是此前世界纪录保持者的10倍——马斯克在2017年为南澳大利亚电网建造的电网规模的电池，曾引起了全球轰动。世界各地都在热衷于追求电网规模的存储，纽约市也不例外，该州公共服务委员会最近批准在皇后区建设一个电池“工厂”，规模大致相当于特斯拉在澳大利亚的项目。然而，为应对风能和太阳能发电的间歇性问题而制造足够的电池，有三个基本的制约因素。首先，在以工业规模建造任何新事物时，需要时间来克服不可避免的工程挑战；其次，就电池规模本身，如果大部分供电是基于自然条件，那么为了维持社会正常用电，我们需要的电池数量是惊人的；最后，从规模问题中直接引申出来的是，要制造绿色梦想家们想要的那么多电池，获取所需的足额原材料也很困难。让我们从第一个制约因素开始。仅在剪彩几天后，莫斯兰汀巨型电池就下线了。热力和火灾探测系统自动关闭了电池，激活可洒水装置，并通知了当地消防部门。幸运的是，这次没有发生任何事情，但工程师们必须认真对待大型锂电池引发的火灾，因为这类火灾很难、甚至不可能被扑灭。类似的技术问题同样困扰着电动汽车制造商，但电网规模电池的量级增加了挑战。巨型电池拥有10万个锂电池模块，其锂含量相当于2万辆特斯拉汽车。人们最不希望看到的就是在太空就能看到莫斯兰汀像烟火一样亮起。去年夏天，南澳大利亚州的特斯拉Megapack确实着火了，烧毁了许多拖拉机拖车大小的“电池组”。两年前，亚利桑那州一家规模较小但仍属公用事业规模的电池厂也发生了类似火灾，导致爆炸，几名消防员受伤。该州在调查期间暂停了电网规模电池的推广。截至撰写本文时，莫斯兰汀约总容量的75%仍处于下线状态，正如一个标题所写的那样，“没有回归时间表”。这些挑战是工程发展过程中正常的一部分。如此规模的电池从未被制造过。毫无疑问，工程师会找到这些问题的原因，并进行适当的修复。这个过程可能不会像狂热者希望的那样快，但各地的运营商都希望在建造数百甚至数千个这样的设施之前把它做好。这就给我们带来了一个规模问题：加州、美国和世界，究竟需要多少像价值4亿美元的莫斯兰汀电池这样的设施？建设能满足居民和企业数十年持续所需电力的电网，需要的不仅仅是满足偶发的需求高峰，还必须了解发电厂不可避免的停电频率和持续时间，并为此做好准备。如今，美国的8个电网共同拥有数十万兆瓦的“冗余”发电量。这种备用或“峰值”容量可以在任何需要的时候被调用，并且可以无限期地运行。由于太阳能和风能不可能随意调度，规划者面临的关键问题是，对于一个以太阳能和风能为主要能源的电网来说，需要多少电力储存。请记住，莫斯兰汀400兆瓦的储存只能支撑4个小时。电网规模电池的大问题不是人们经常提到的日照和风的昼夜变化，而是季节性的变化，以及长时间、甚至多日天气事件的偶发性，例如，整个大陆的静风（如欧洲最近经历的）或云层覆盖。数十年的气象数据表明，虽然不可能精确预测这种情况何时会发生，但它们将会发生，而且是在几十年内频繁发生。并非偶发这一现实表明，建设更多的输电线路并不能解决这一问题。想想这对加州的影响吧。如果全国其他地区都改用太阳能/风能电网，加州就不能指望邻近的发电厂来弥补区域风能和太阳能供应下降造成的损失（目前进口电力占加州每年电力的四分之一）。一个简单的计算近似表明，一个过渡期的加州将需要大约100个莫斯兰汀巨型电池、耗资约400亿美元，才能度过几天的电力枯竭。在政府挥霍无度的这些日子里，400亿美元似乎不算多。当然，如果日照和风能缺失的情况再持续一天，那么加州需要再准备100亿美元的电池储备。而且，由于目前正在建造或计划建造的电池都无法像普通电网设备那样使用几十年，这些电池需要更换，因此总投资将远远超过1000亿美元。另一个选择呢？满足加州日常用电规模的常规电网可以可靠地运行几十年、准备常规冗余电量仅花费100亿美元。在国家层面上，这种差距甚至更令人清醒。一项基于国家气象数据的详细分析得出结论，全太阳能/风能电网只需12个小时的存储，就能保证美国99.97%的电力供应。听起来不错，但你算一下就知道了：平均而言，这种统计学上的可靠性水平意味着每年会有几个小时的电力为零。但这还不包括不可预测但不可避免的事件——甚至每几年才发生一次——由于持续缺乏足够的阳光或风而造成的全大陆停电。这样的电网听起来像是“第三世界”，而不是“高科技”，而我们为此要花费更多支出。同样的分析发现，一个全太阳能/风能的电网至少需要今天两倍的发电装机容量。这是因为需要远远超过正常的峰值发电量，不仅要在有阳光和风力的时候满足峰值需求，还要生产冗余的电力储存在电池中。这样的现实暴露了经常重复的那个说法的愚蠢，即太阳能或风能已经实现了“电网平价”（grid parity）——这意味着当它们运行时，每千瓦时的发电成本与传统机器差不多。为了达到每年一台传统机器所提供的电量，并且连续数年，你至少需要两台太阳能/风能机器，外加电池。这种组合使得太阳能、风能和电池的投资成本大约是电网规模的传统电力的3倍。即便如此，仅在美国电网层面，12小时电量的存储成本就将达到1.5万亿美元左右，而这仍会让美国偶尔陷入黑暗。另一种选择呢？一个传统电网，外加约1000亿美元的冗余电量备用设施。尽管如此，由于现有和预期的补贴和规定，能源信息管理局预测，在未来几十年，国家电网的电网规模电池数量将增加7000%——这将使存储电量足以支撑半小时以下的全美用电。另一种选择是效仿德国的做法：保持一个大致相同规模的常规发电的影子电网作为备份。这种解决方案的费用将不是由太阳能/风能设施的建造者承担，而是由纳税人承担。这种解决方案是德国普通居民电费比美国普通居民高出300%的主要原因。更糟糕的是，正如欧洲在其冬天来临之际所发现的那样，这种双网方案面临着因不可避免的供应链中断引发的偶然却激进的燃料价格飙升。当对任何大宗商品的需求普遍飙升时，价格就会蹿升，尤其是当燃料买家选择(在政府命令下)避免参与长期、低成本的供应商协议时。还有一种解决方案是宣称电池的成本将很快出现“革命性”的下降。我们很难追踪所有关于“改变游戏规则”的电池新技术的媒体报道。今天要制造的电池是现在就存在的、而不是什么未来的新奇产品。当然，我们期待研究人员发现更好的化合物，但从发现到工业化生产需要很多年。第一辆特斯拉轿车大约出现在2012年，此时距离20世纪70年代中期因锂电池研究而获得诺贝尔奖已经30多年了。是的，随着时间的推移，锂电池会变得更便宜，也许会像热衷者所宣称的那样，成本下降一半。但是，正如一项详细的分析所指出的那样，为了使系统性的电网规模的存储变得负担得起，我们需要看到近100倍的成本降低，而这是遥遥无期的。再来看下物理障碍。电池是储存能量非常昂贵的一种方式，因为它们是如此的材料密集型——1磅油所含的能量，需要大约50磅的电池来储存；而制造一个50磅电池，需要开采和加工大约2.5万磅的矿物。这种物理差异在电网规模电池上还会增加。仅仅建造可供全美12小时用电的莫斯兰汀级别的存储电池，需要开采的矿物材料足以供应全世界所有智能手机电池200年的生产所需。这还没有算上过渡到电动汽车所需的额外材料，或建造风能和太阳能设施本身所需的矿物材料。一个鲜为人知的事实是，使用风能/太阳能/电池设备来提供与传统碳氢化合物设备相同的能量，需要多出约1000%的初级材料用于制造。世界现在没有开采、也没有计划开采足额的矿物和金属，以制造绿色能源转型过渡阶段所需的电池。即使被忽视了，但对于这一事实没有任何争议。出人意料的是，国际能源署在对风能/太阳能/存储电池路线所需的惊人、甚至是不可能的矿物需求进行分析之后，竟然很快就出具另一份报告，提出要更积极地追求能源转型。与此同时，芬兰地质调查局最近的另一项研究，汇总了能源转型对如铜、镍、石墨和锂等普通矿物的总需求（更不用说更稀有的矿物），结论是需求将超过这些矿物的已知全球储备。刚刚开始的转型之路，很快就会给全球矿产供应链带来空前的压力。在商品的现实世界中，这将转化为更高的价格。正如国际能源署指出的那样，仅原材料就占电池成本的50%至70%，看到这么多分析师认为电池将变得更加便宜，令人费解。矿物密集型的能源转型道路，也有一些令人不安的地缘政治影响。中国是大多数所需关键材料的最大来源国。多数情况下，中国控制了该供应链的近一半，美国只是一个小角色。在美国匆忙建造电池组装厂，就相当于在美国生产汽车，但所有的汽油都要进口。转型支持者的反驳总是说，就像在计算机和通信领域看到的那样，“清洁技术”正以所谓的“指数级”速度变得更好。但是，像道路、桥梁、发电厂和大型电池等实体基础设施的改善速度，根本无法达到信息系统的改善速度。这些都是植根于物理的现实，而不是政策或补贴。的确，电网规模的风能、太阳能和电池发电设备比30年前要好得多，即使没有补贴和法规，我们也应该期待建造更多的设备。但是，认为如今风能/太阳能/储能电池可以完全取代传统的电力系统，就像在20世纪50年代认为核能不仅可以为我们所有的电网供电，还可以为我们的船舶和汽车供电一样，是很幼稚的。大规模使用核能比许多人想象的要困难得多。历史可能会将2021年的夏天——从欧洲即将到来的寒冷和昂贵的冬天，到加州摇摇欲倒的系统停电——作为世界开始测试提供和储存电力供应链的极限时刻。加州的电力成本将超过德国的天价水平，甚至加州公共事业委员会也注意到，现在规划的路线图将意味着“随着时间的推移，能源账单将变得更难负担”。如果有人对零碳竞赛的结果下注，那么，很有可能在我们有机会耗尽关键能源矿产的供应之前，消费者对飙升的成本的耐心——伴随着可靠性的下降——就会耗尽。在这方面，加州正在领路。
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