可再生能源的不便之处

世界经济的能源需求似乎很容易模拟。能源消耗的测量方法多种多样，包括千瓦时，每桶石油当量，英制热量单位，千卡和焦耳。如果两种能量产生相同数量的能量，它们是等效的，对吗？

例如，xkcds建模师Randall Munroe在此视频中解释了可再生能源的好处。他告诉我们，根据他的模型，太阳能如果扩大到荒谬的水平，可以为我们自己和我们的六个邻居提供足够的可再生能源。如果将风力扩大到荒唐的水平，它可以为我们自己和我们的许多邻居提供足够的可再生能源。

但是，这种分析有一个主要问题：风能和太阳能产生的能源不是经济需要的能源。风能和太阳能只在特定的时间和地点产生间歇性的电力。世界经济所需要的是各种不同的能源类型，这些能源类型可以满足当今世界上许多设备的能源需求。正确的位置，并保存在一天的正确时间和一年中的正确时间。由于可能发生的干旱，甚至可能需要逐年存储这种能量。

我认为这种情况类似于研究人员认为，如果人类可以在未来20年内将其饮食改变为100％的草料，将会有所帮助或更加有效。草是一种能源产品，但它不是人类通常消耗的能源产品。少量似乎对人类没有毒性。它似乎增长得很好。从二氧化碳的角度来看，改用草料作食物似乎是有益的。人类没有进化为吃草的事实类似于当今经济中的制造业和运输业并未围绕间歇性使用而发展的事实。来自风能和太阳能的电力。

用草代替食品可能“起作用”，但需要使用全新的系统

如果我们考虑其他物种，我们发现有四个肚子的动物实际上可以吃草养活。这些动物的牙齿通常会不断生长，因为草中的二氧化硅会磨损牙齿。如果我们能够绕开这些小细节，我们也许可以进行更改。我们可能需要增加胃口并增加不断增长的牙齿。还可能需要其他调整，例如较小的大脑。如果仅草饮食不足以支持当今的大脑生长和活动，则尤其如此。

当今几乎所有能量分析的问题在于它们使用狭窄的边界。他们只关注问题的一小部分（通常是设备本身的成本（或“能源成本”）），并假设这是更改所涉及的唯一成本。实际上，研究人员需要认识到可能需要全新的系统，类似于多余的胃和不断增长的牙齿。该问题有时被描述为需要在分析中具有“广泛的界限”。

如果xkcd分析排除了系统的间接能源成本，包括与所有新需要的系统相关的能源，则分析结果可能会发生很大变化。风能和太阳能共同为自己的房屋和十几个邻居的房屋供电的能力很可能会消失。可再生系统的太多输出将被用来使多余的胃和不断增长的牙齿等同于该系统的工作。如果需要缩小大脑的等效面积，世界经济也可能不会像过去那样运作。

“数十个邻居使用的能量”是否是适当的指标？

在继续分析间歇性可再生能源建模中出了什么问题之前，让我先谈谈孟罗量化其能源分析结果的方式。他谈到“一个家庭及其邻里所消耗的能量”。我们经常听到有关新的电力供应商可以为多少个家庭提供服务或暴风雨使多少个家庭脱机的新闻。Munroe使用的度量标准与此类似。但是，这是否告诉我们在这种情况下我们需要知道什么？

我们的经济要求许多类型的用户消耗能源，包括政府修建道路和学校，农民种植农作物以及制造商制造各种设备。将非住宅能耗排除在计算之外没有多大意义。（实际上，我们不确定Munroe在他的计算中包括了什么。他的措辞表明他只包括住宅能耗。）我的分析表明，在美国，居民用户仅消耗总能源的三分之一。1其余部分由企业和政府消耗。

如果要调整门罗斯的指标以包括企业和政府消耗的能源，我们需要将所示的提供能源的居民家庭数量除以三。因此，这些单位将不是“我们四个邻居消耗的能源，包括政府和企业的相关能源使用”，而不是“邻居大量消耗的能源”。当我们除以三时，甚至在进行任何其他调整之前，由风能和太阳能提供的看似巨大的利​​益就变得小得多。

风能和太阳能的间接成本会是什么？

有许多间接费用：

1）传输成本远高于其他类型的电力，但在大多数研究中并未将其转换为风能和太阳能。

国际能源机构2014年的一项研究表明，风能的传输成本大约是煤炭或核能的传输成本的三倍。随着间歇性可再生能源在总能源消耗中所占的比重越来越大，超额成本的数量往往会增加。风能和太阳能传输成本较高的部分原因如下：

（a）需要为风能和太阳能建造更多的线路，这是因为传输线需要缩放到最大输出而不是平均输出。通常有25％到35％的时间可获得风能输出；太阳能通常有10％到25％的时间可用。

（b）与传统发电相比，捕获可再生能源与消耗可再生能源之间的距离往往更长。

（c）在化石燃料发电厂中不产生可再生电力，对电网电力的许多方面具有相同的控制。因此，传输系统必须进行校正，而其他类型的电力则不需要校正。

2）随着长距离电力传输的增加，需要增加传输线的维护。如果执行不当，则有可能发生火灾，尤其是在干燥多风的地区。

最近有证据表明，传输线维护不足是重大的火灾隐患。

在加利福尼亚州，电力线维护不足导致北加州公用事业公司PG＆E破产。在最近几周中，PG＆E启动了两项预防性切断电源的措施，其中一项措施影响了多达200万人。

得克萨斯州野火缓解项目报告说：“过去三年半中，电力线路在德克萨斯州造成了4000多场野火。”

委内瑞拉从主要水力发电厂到加拉加斯的输电线路很长。该国经历的一次停电似乎与该传输线附近的火灾有关。

为了防止这些火灾，可以采取一些措施，例如将电线埋在地下。使用绝缘线代替普通的传输线似乎有帮助。但是任何解决方案都涉及成本。在对添加大量可再生能源的间接成本进行建模时需要认识到这些成本。

3）如果富人以外的任何人都使用电动汽车，则需要在充电站上进行大量投资。

显然，富人负担得起电动汽车。他们一般都设有带电源的车库。通过这种布置，他们可以在方便的时候容易地给由电力驱动的车辆充电。

问题是，较富裕的人往往没有向电动汽车充电的类似机会。他们也负担不起等待车辆充电的时间。如果电动汽车是合适的选择，他们将需要便宜的快速充电站，该充电站位于许多地方。快速充电的成本可能需要包括道路维护费用，因为这是当今燃油价格中所包含的成本之一。

4）间歇性增加了非常大的成本层。

一个普遍的信念是，可以通过相当小的变化来处理间歇性问题，例如定时定价，智能电网以及如果没有足够的电力可以切断一些选定的工业客户的电源。如果该系统基本上是化石燃料和核能系统，而可再生能源所占的比例很小，则这种信念或多或少是正确的。随着更多间歇性可再生能源的加入，情况发生了变化。

一旦将超过一小部分的太阳能添加到电网中，就需要使用电池来消除在一天结束时工人返回家园并想吃晚餐的快速过渡，即使太阳已经组。在暴风雨中切断风能也会带来电力问题。电池可以帮助消除这些过渡。

还有长期的问题。在一年中的任何时候，大暴风雨都会使几天的电力中断。因此，如果一个系统仅使用可再生能源运行，则最好至少备份三天的电池。在下面的短视频中，比尔·盖茨对尝试提供三天的电池的想法表示沮丧备份东京市使用的电量。

目前我们还没有足够的电池来为世界供电提供三天的备用电池。如果世界经济要依靠可再生能源，则电力消耗将需要从今天的水平上升，这使得储存三天的电力供应更加困难。

如果要大量使用可再生能源，那么比三天的电力存储更困难的问题是需要季节性存储。图1显示了美国能源消耗的季节性模式。

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图1。根据美国能源信息署的数据，按月显示的美国能源消耗。“所有其他”是总能量，减去电力和运输能量。它包括用于家庭取暖的天然气。它还包括用于农业的石油产品以及用于工业目的的各种化石燃料。

与这种模式相反，太阳能生产在6月趋于高峰。在12月至2月跌至低位。水力发电在春季趋于高峰，但每年的水量经常变化很大。风力功率每年，每年和每月都变化很大。

我们的经济无法处理许多电力供应的起止点。例如，熔化金属需要保持高温。停电时，电梯不应在楼层之间停止。当鲜肉保持低温时，需要继续制冷。

有两种方法可以解决季节性能源问题：

极大地过度建设了基于可再生能源的能源系统，以便在最需要总能源的时候（通常在冬天）提供足够的电力。

添加大量的存储设备（例如电池存储设备）以将电力存储数月甚至数年，以减少间歇性。

这些方法中的任何一种都是极高的成本。这些成本就像为人类系统增加了额外的负担。据我所知，迄今为止，它们尚未包含在任何模型中。如果有意使用可再生能源而不是总能源消耗的一小部分，则必须在分析可再生能源成本和收益的任何模型中包括其中一种方法的成本。

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图2说明了通过在电气系统中添加大量备用电池而可能产生的高能源成本。在此示例中，备用电池实质上消除了系统提供的“净能量”。在此分析中，能源投资的能源回报率（EROEI）将能源输出与能源输入进行比较。它是用于评估设备是否提供足够的能量输出以证明前端能量输入合理的众多指标之一。

图2。格雷厄姆·帕默斯（Graham Palmers）的动态能源图表，其图表来自“澳大利亚能源”的能源投资回报。

图2中的示例基于澳大利亚墨尔本的用电量模式，那里气候相对温和。该示例结合了太阳能电池板，电池和备用柴油发电。太阳能电池板和备用电池可为95％的年度用电量提供电力，这些装置最容易覆盖这些电力。剩余的5％用于柴油发电。

通过添加明显更多的电池，大量的太阳能电池板或它们的某种组合，可以将图2的示例调整为“仅可更新”。这些额外的电池和太阳能电池板将很少使用，从而使系统的EROEI降低到更低的水平。

迄今为止，电力系统能够避免过度建造或增加大量备用电池的成本的主要原因是它们占电力生产的份额很小。2018年，风能占世界电力的5％;太阳能占2％。占世界能源供应的百分比分别为2％和1％。

电力系统能够避免解决间歇性问题的第二个原因是，备用电力供应商（煤炭，天然气和核能）被迫提供备用服务，而没有对其提供的服务的价值进行充分补偿。发生这种情况的方式是给予风能和太阳能“先行”的补贴。这种做法造成了一个问题，因为备份提供者的固定成本很高，而且经常无法得到足够的补偿。

如果有任何计划停止使用化石燃料，所有这些备用电力供应商，包括核电都将消失。（核还取决于化石燃料。）可再生能源将需要自立。这是间断性问题变得势不可挡的时候。化石燃料的存储成本相对较低。蓄电成本巨大。它们既包括存储系统的成本，又包括使用存储时发生的能量损失。

实际上，与间歇式可再生能源先行相关的资金不足问题在一些地方已经成为压倒性的问题。俄亥俄州最近选择向煤炭和核能提供者提供补贴，作为解决此问题的一种方式。俄亥俄州也正在减少可再生能源的资金。

5）回收风力涡轮机，太阳能电池板和电池的成本需要反映在成本估算中。

能源分析中的一个常见假设似乎是，在风力涡轮机，太阳能电池板和电池的设计寿命结束时，所有这些设备都会以某种方式免费消失。如果进行了回收，将假定回收成本将小于可回收材料的价值。

我们现在发现回收不是免费的。通常，回收材料的能源成本大于开采新鲜物料所消耗的能源。在分析可再生能源的实际成本时需要考虑这个问题。

6）可再生能源不能直接替代我们今天拥有的许多设备/流程，这可能会导致经济运行方式大幅度下降，过渡期更长。

有很多东西是可再生能源无法替代的。今天，我们无法制造没有化石燃料的风力涡轮机，太阳能电池板或当今的水电大坝。这本身就明确表明，化石燃料系统至少需要在未来二十年内进行维护。

光靠可再生能源，我们无法做到许多其他事情。钢铁，化肥，水泥和塑料是比尔·盖茨在上面的视频中提到的一些例子。沥青和当今许多药物是不能仅使用可再生能源制造的商品的其他示例。我们将需要改变没有这些物品的生活。我们不能铺路（除了用石头铺路），也不能仅用可再生能源建造当今的许多建筑物。

制造商似乎有可能尝试用木材代替化石燃料，但为此目的，可用木材的数量将太少。全世界将在几年内遇到毁林问题。

7）过渡到可再生能源可能需要50年或更长时间。在这段时间内，风能和太阳能将更像化石燃料系统的附件，而不是它们的替代品。这也增加了成本。

为了使化石燃料工业继续发展，其成本的很大一部分将需要继续。化石燃料行业的工作人员需要每年支付薪水，而不仅仅是在公用事业需要备用电源的时候。化石燃料将需要管道，炼油厂和训练有素的人员。使用化石燃料的公司将需要偿还与现有设施有关的债务。如果将天然气用作可再生能源的备用，那么除了管道之外，还需要水库来储存冬季的天然气。即使将天然气使用量减少了90％，其成本也可能下降了很小的百分比，例如30％，因为大部分成本是固定的。

需要进行非常长的过渡的一个原因是，在许多情况下，甚至没有从化石燃料过渡的途径。如果要进行改变，则促进这些改变的发明是前提。然后，这些发明需要在实际情况下进行测试。接下来，需要新工厂来制造新设备。可能需要采取某种方式向现有所有者赔偿其现有以化石燃料为动力的设备的价值损失；如果没有，那么很可能会发生巨大的债务违约。只有在完成所有这些步骤之后，转换才能真正发生。

这些间接成本导致了一个巨大的问号，即鼓励风能和太阳能的广泛使用是否有意义。如果可再生能源在发电中真正替代化石燃料，则可以减少二氧化碳的排放。如果它们主要是系统的高附加成本，则存在一个真正的问题：强制过渡到风能和太阳能是否有意义？

风能和太阳能真的比化石燃料提供更长期的未来吗？

在xkcd视频的结尾，蒙罗（Munroe）观察到风和太阳能无限期可用，但化石燃料的供应却十分有限。

我同意芒罗的观点，即化石燃料的供应非常有限。发生这种情况的原因是，能源价格上涨得还不够高，我们无法从中提取很多。用化石燃料制成的成品价格必须足够低，以使客户能够负担得起。如果不是这种情况，将减少购买非必需品（例如汽车和智能手机）的可能性。由于汽车和智能手机是由包括化石燃料在内的商品制成的，因此这些制成品的较低“需求”将导致包括石油在内的商品价格下降。实际上，自2008年以来，我们似乎大多数时候都经历过油价下跌。

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图3。通货膨胀根据EIA石油现货价格和美国CPI-城市通货膨胀调整了布伦特原油周平均价格。

很难理解为什么可再生能源比化石燃料能持续更长的时间。如果他们的无补贴成本高于化石燃料，那将是对他们的一击。他们还非常依赖化石燃料来制造备件和维修传输线。

有趣的是，气候变化建模者似乎相信，将来可以提取大量的化石燃料。真正可以提取多少化石燃料的问题是另一个需要密切研究的建模问题。未来的提取量似乎在很大程度上取决于当前经济体系的整合状况，包括全球化程度。没有全球化，化石燃料的开采量可能会迅速下降。

我们对模型有太多信念吗？

尽管当今世界上大多数地区太阳能和风能的价格都比煤炭便宜，但使用可再生能源的想法固然很吸引人，但这个名称却具有欺骗性。除木材和粪便外，大多数可再生能源都无法再生。实际上，它们依靠化石燃料。

整个风能和太阳能是否值得的问题都需要仔细分析。对经济具有实质性好处的能源产品通常的标志是其生产尽管可再生能源的推动正在进行中，但新兴产业往往会非常有利可图，仍然存在一些重大缺陷。有了这些高额的利润，政府就可以向所有者征收重税。因此，利润可用于帮助其余经济部门。这是能源产品提供的“净能量”的物理表现之一。

如果风能和太阳能确实提供大量的净能源，那么它们将不需要补贴，甚至不需要先补贴。他们将舍弃利润以使整个经济受益。也许可再生能源arent就像许多人认为的那样有益。也许研究人员对扭曲的模型过于相信。

盖尔·特维尔伯格（Gail Tverberg）通过OurFiniteWorld.com