可再生能源最大的问题

用风，水和太阳能，也许用一点木头为世界经济供电，直到人们仔细观察才是个好主意。经济可以使用少量的风，水和太阳能，但可以大量添加这些类型的能源数量不一定对系统有利。

从理论上说，对可再生能源的改变可能有助于拯救世界生态系统，但也将使电网变得越来越不稳定。为了防止电网故障，电力系统将需要向化石燃料和核电提供商支付大量补贴，这些矿物燃料和核电提供商可以在没有间歇性发电的情况下提供备用发电。建模者倾向于忽略这些困难。结果，他们提供的模型对风能和太阳能的收益（能源回报）提供了不切实际的有利看法。

如果强制风，水和太阳能的方法走得足够远，可能会消灭生活在生态系统中的大多数人，从而对拯救世界生态系统产生不幸的影响。几乎可以肯定，当立法者最初通过授权时，这不是预期的影响。

历史表明，过去，风和水从未在总能源供应中占很大比例。

图1。在英格兰和威尔士1561-70至1850-9和意大利1861-70中，每人的年能源消耗（兆焦耳）。图由剑桥大学的托尼·瑞格利（Tony Wrigley）提供。

图1显示，在工业革命之前和期间，风能和水能占总能耗的1％至3％。

为了使能源运转良好，它需要能够产生足够的“回报”，以进行收集和使用方面的努力。风和水似乎可以为一些专门的任务提供足够的回报，这些任务可以断断续续地完成，并且不需要热能。

几年前，当我访问荷兰时，我看到了17和18世纪的风车。这些风车在需要时将水从荷兰的低地抽出。一个家庭将住在每个风车内。该家庭将通过在风车叶片上增加或除去布来调节所需的泵送水平。为了赚取大部分收入，他们还将耕种到附近的一块土地上。

这种总体安排似乎已经为家庭提供了足够的收入。我们可以得出结论，从风能和水能无法传播超过总能耗的1％-3％来看，来自风车的能量回报不是很高。这足以满足我所描述的布置，但是它没有提供足够的额外能量来鼓励设备的广泛使用。

在工业革命时期，煤炭在大多数经济任务中的表现远远优于风或水。

经济史学家托尼·瑞格利（Tony Wrigley）在他的《能源与英国工业革命》一书中，讨论了无机经济（一种能源是人类劳动，牛和马等动植物能源以及风能和水能）与无能源经济之间的区别。 （一种还具有煤炭和其他能源优势的能源）。箭牌公司指出，在图1所示的时期内，基于煤炭的能源丰富的经济具有以下好处：

-可以减少森林砍伐。在添加煤炭之前，人们对木材的需求量很大，这些木材用于供家庭和企业取暖，烹饪食物以及制作木炭，用这些木炭可以冶炼金属。当煤炭可用时，它的价格便宜到足以减少木材的使用，从而对环境有利。

-煤炭使金属和工具的数量大大增加。只要用于制造金属的热源是树木的木炭，就可以将可生产的金属总量限制在非常低的水平。

-通往煤矿的道路得到了大大改善，以适应煤炭运输。这些更好的道路也使其他经济受益。

-耕种变得更有生产力。在1600至1800年之间，谷物作物的作物产量（扣除给牲畜的进食量）净额几乎翻了三倍。

-可以避免马尔萨斯对人口的限制。1600年至1850年间，英格兰人口从420万增至1670万。如果不添加煤炭来使经济能源丰富，那么有机经济造成的低粮食产量将使人口受到限制。

[3]如今，风，水和太阳能已不属于箭牌所称的有机经济。相反，它们完全取决于化石燃料系统。

可再生能源名称反映了这样一个事实，即风力涡轮机，太阳能电池板和水力发电大坝在从环境中捕获能量时不会燃烧化石燃料。

现代水力发电大坝是用混凝土和钢材建造的。它们是使用化石燃料建造和修理的。风力涡轮机和太阳能电池板使用的材料略有不同，但是由于使用化石燃料，这些材料也才可用。如果我们在化石燃料系统方面遇到困难，我们将无法维护和修理这些设备或用于分配其捕获的能量的电力传输系统。

在当今世界上有77亿人口的情况下，如果我们不希望人口下降到非常低的水平，则绝对需要充足的能源供应。

有一个神话，世界无需化石燃料就能相处。箭牌公司写道，在纯粹的有机经济中，绝大多数道路都是深陷于车辙的土路，无法通过轮式车辆穿越。这使得陆路运输非常困难。当时曾使用运河来提供水运，但如今我们几乎没有可用的运河可以实现相同的目的。

的确，用于家庭和企业的建筑物可以用木头建造，但是这类建筑物往往会经常烧毁。也可以使用石头或砖块建筑。但是，仅使用人类和动物劳动，并且几乎没有可容纳轮式手推车的道路，砖房或石房往往会占用大量人力。因此，除了非常有钱的人以外，大多数房屋将由木材或草皮等其他当地可用材料制成。

箭牌公司的分析表明，在将煤炭添加到经济中之前，人类的劳动生产率非常低。如果今天，我们仅尝试使用人工，牲畜以及风能和水能来经营世界经济，那么我们很可能无法为很多人种植粮食。1650年世界人口仅约5.5亿，约占当今人口的7％。如箭牌所述，不可能通过有机经济满足当今人口的基本需求。

（请注意，此处的有机含义不同于“有机农业”。今天的有机农业也由化石燃料能源提供动力。有机农业用卡车带来土壤改良剂，灌溉土地并为水果制作“有机喷雾剂”，全部使用化石燃料。）

风能，水能和太阳能仅占2018年全球能源消费总量的11％。试图将11％的产量提高到接近总能耗的100％似乎是不可能的任务。

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图2。根据《 2019 BP世界能源统计回顾》的数据，按燃料计算的世界能源消耗量。

让我们看一下将当前的可再生能源百分比从11％提高到100％所需要的。在过去五年中，被视为可再生能源（水电+生物质等+风能与太阳能）的合并后集团的平均增长率为5.8％。未来很难保持如此高的增长率，因为很难找到新的水电大坝位置，并且生物质供应有限。让我们假设尽管有这些困难，但仍可以保持该5.8％的增长率。

若要将数量从2018年的低水平可再生能源供应量增加到2018年的能源总供应量5.8％的增长，将需要39年。如果人口在2018年至2057年之间增长，则可能需要更多的能源供应。根据此分析，将可再生能源的使用从11％的基础提高到接近100％的水平，似乎并不比在“发电”更短的时间内有合理的机会解决我们的能源问题。

如果我们关注的任务是用可再生能源发电，发电量等于世界目前的总发电量，那么情况就不会那么糟糕了；水电+生物质等+风能和太阳能；在这种情况下，可再生能源在2018年提供了全球电力供应的26％。

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图3。根据2019年BP世界能源统计回顾的数据，按类型划分的世界电力产量。

替代电力（图3）而不是能源供应的问题在于，电力只是世界能源供应的一部分。不同的计算得出不同的百分比，用电量占总能耗的19％至43％。1无论哪种方式，仅用风能，水能和太阳能替代电力生产似乎都不足以实现所需的碳排放量减少。

风能和太阳能的主要缺点是其每小时，每小时和季节的变化。水能也随季节变化，春季或雨季提供最多的电力。

回到建模者最初研究风，太阳能和水产生的电力的可变性时，他们希望随着添加的这些电源数量的增加，可变性将趋于抵消。这种情况发生的次数很少，但不尽如人意。取而代之的是，随着向电网中添加更多的可变性，问题变得越来越严重。

当某个区域首先向电网增加一小部分风能和/或太阳能（可能为10％）时，通常运行的电气系统便能够应对变化。采取这些措施来应对供需的小幅波动，例如需要关闭主要的燃煤电厂进行维修，或者需要大型工业客户减少其需求。

但是，一旦风和/或太阳能的数量大幅增加，就需要采取不同的策略。有时，可能需要减少风能和/或太阳能的产生，以防止电网负担过重。可能需要使用电池来缓解突然的转变，这种转变是在电力需求仍然很高的一天结束时太阳落山时发生的。这些相同的电池还可以帮助缓解暴风雨期间风力供应的突然转变。

除了短暂的间断性外，供应的季节性波动甚至与需求的季节性波动不匹配的问题更加严重。例如，在冬季，太阳能电池板的电量可能很低。在一个温暖的国家，这可能不是问题，但是如果一个国家寒冷并且用电取暖，则可能是一个主要问题。

处理季节性间歇性现象的唯一真正方法是拥有化石燃料或核电站作为后备。（在如此长的时间内，如此大量的电池备份似乎是不可行的。）这些备用工厂不能整年闲置以提供这些服务。他们需要训练有素的员工，他们愿意并且有能力全年工作。不幸的是，在电网未明确要求其服务时，定价系统无法提供足够的资金来充分补偿这些备份系统。不知何故，需要为待机服务付费，以抵消风，太阳能和水不可避免的季节性变化。

对于那些向电网提供后备服务的电力供应商，电力价格体系往往产生的电价太低。

作为一个小背景，经济是一个通过物理学定律运行的自组织系统。在正常条件下（无强制性要求或补贴），它通过价格和获利能力发出信号，说明哪些类型的能源供应将在经济中“起作用”，而哪种类型只会产生过多的失真或给系统造成问题。

如果立法者要求允许间歇性风能和太阳能“先行”，那么这项授权本身就是一项实质性的补贴。首先允许风能和太阳能使用，会使价格对其他生产者而言过低，因为它往往会将价格降低到低于那些具有较高固定成本的生产者所要求的水平。2

如果能源官员决定在电网确实不需要这些供应时向电网增加风能和太阳能，那么这种行动还将倾向于通过低费率将其他供应商赶出电网。已经建成并向大气中添加零二氧化碳的核电站由于低费率而特别处于危险之中。由于这一问题，俄亥俄州立法机关最近通过了对两个核电厂的11亿美元救助计划。

如果强制性指令导致市场扭曲，那么随着向电网中添加更多的风能和太阳能，这种扭曲很有可能（实际上很可能）变得越来越严重。使用更多强制性（低效）电力，如果客户想要继续使用电力，他们将发现自己需要补贴所有电力供应商。

没有授权和补贴的基于物理学的经济体系为有效的电力供应者提供了激励，而对效率低下的电力供应者提供了抑制。但是，一旦立法者开始修改该系统，他们很可能会发现以生产效率非常低下为主导的系统。随着处理间断性成本激增以及定价系统越来越失真的情况，客户可能会越来越不满意。

系统如何工作的建模者并不了解具有大量风和太阳能的系统如何工作。取而代之的是，他们对最有利的初始情况进行了建模，在这种情况下，运营储备将处理可变性，并且减少供应将不是问题。

各种建模者试图弄清楚风能和太阳能的回报是否足够，以证明支持它的所有成本。他们的模型非常简单：在设备的整个使用寿命期间，“能量消耗”与“能量消耗”相比。或者，他们将计算能源回收期。但是他们模拟的情况与现实世界并不十分吻合。他们倾向于建模一种接近最佳情况的情况，其中不考虑可变性，电池和备用电力供应商。因此，这些模型倾向于对间歇性风能和太阳能设备的预期收益给出过于乐观的估计。

此外，另一种类型的模型，即电力成本平均模型，也提供了失真的结果，因为如果系统正常运行，它不考虑备用提供商所需的补贴。建模者可能还不需要备用电池。

有人告诉我，在工程界，预期成本和收入的计算机模型还远远不够。建议的新设计的实际测试首先在小规模上进行测试，然后在更大的规模上进行测试，以查看它们是否会在实践中起作用。推销“可再生能源”的想法听起来太好了，以至于没有人考虑过在计划付诸实践之前对计划进行测试的想法。

不幸的是，德国和其他国家/地区进行的实际测试表明，考虑到所有成本后，间歇性可再生能源是一种非常昂贵的发电方式。当多余的电能被简单地倾倒在电网上时，邻国就会感到不满。二氧化碳总排放量也不一定会下降。

长距离传输线是问题的一部分，而不是解决方案的一部分。

早期的模型表明，可以使用长距离传输线来消除可变性，但这在实践中效果不佳。发生这种情况的部分原因是，大范围地区的风况趋于相似；部分原因是，当家庭仍在烹饪晚餐且太阳落山时，需要采用广泛的东西方混合来解决晚上的快速减速问题。 。

同样，长距离传输线往往需要花费多年的时间来许可和安装，部分原因是许多土地所有者不希望他们越过自己的财产。在某些情况下，线路需要埋在地下。报告表明，地下230 kV线路的成本是可比架空线路成本的10至15倍。地下电缆的预期寿命似乎也较短。

一旦长途传输线就位，维护将非常依赖化石燃料。如果该地区有暴风雨，则经常需要维修。如果该地区没有道路，则可能需要使用直升机来进行维修。

大多数人没有意识到的一个问题是，地面长途传输线经常会引起火灾，尤其是当它们穿过炎热干燥的地方时。北加州公用事业公司PG＆E因其输电线路引起的火灾而申请破产。此外，委内瑞拉的至少一次重大停电似乎与最大的水力发电厂输电线路产生的火花有关。从成本或能源收益的角度来看，这些火灾成本也应成为任何对过渡到可再生能源是否有意义的分析的一部分。

如果风力涡轮机和太阳能电池板确实为经济提供了主要的净收益，那么它们就不需要补贴，甚至不需要先补贴。

为了使风能和太阳能电力生产商能够与其他电力供应商竞争而无需先补贴，这些电力供应商需要大量的备用电池。例如，可能需要风力涡轮机和太阳能电池板提供足够的备用电池（可能需要花费8到12个小时），以便它们可以与其他电网成员竞争，而无需先补贴。如果使用这种间歇性能源确实有意义，那么即使使用电池，这些提供商也应该仍然可以获利。他们还应该能够对所获得的收入缴税，以支付所接受的政府服务，并希望缴纳一些额外的税以帮助该系统的其余部分。

在上文中，我提到过，在英格兰增设煤矿后，通往煤矿的道路得到了大幅改善，使之适合整个经济。真正的能源（相对于产出而言投资成本不太高的能源）应该会产生“剩余能源”，从而为整个经济提供帮助。我们可以观察到这种类型的道路在改善道路上的影响，这对整个英格兰的经济都有利。任何所谓的甚至无法支付自己应得税款的能源供应商，其行为都更像是水le，从他人那里汲取能源和资源，而不是为经济的其余部分提供过剩能源。

推荐建议

我认为，现在是消除可再生能源规定的时候了。在某些情况下，可再生能源将是有意义的，但这对每个参与人员都是显而易见的。例如，一个由石油发电的岛屿可能想利用一些风能或太阳能发电来降低总成本。之所以能够节省成本，是因为作为发电燃料的石油价格高昂。

在已经安装了大量风能和/或太阳能的地区，监管机构需要意识到可能需要向后备供应商提供补贴，以保持电气系统正常运行。否则，电网可能会因缺乏足够的备用电力供应而失败。

间歇性电力由于其趋向于使其他提供商破产的趋势，将使电网故障的发生速度比其他情况更快。未来的最大危险似乎是电力供应商和化石燃料生产商的破产，而不是用尽石油或天然气之类的燃料。因此，我几乎没有理由相信许多人会认为电力比石油“持续时间更长”。这是哪个群体首先受破产影响最大的问题。

我看不出有任何真正的理由使用补贴来鼓励使用电动汽车。我们今天面临的油价问题是，它们对石油生产商来说太低了。如果我们要防止石油生产崩溃，就需要保持石油需求上升。为此，我们鼓励生产尽可能便宜的汽车。通常，这将意味着生产使用石油产品运行的汽车。

盖尔·特维尔伯格