为什么100％可再生能源只是梦想

“风能和太阳能将拯救我们”的故事是基于一长串的误解以及苹果与橙子的比较。人们似乎以某种方式相信我们75亿人口的经济可以与非常短的能源供应相处。此简短列表将不包括化石燃料。有些人也会排除核武器。如果没有这些能源类型，我们会发现一小部分能源类型-BP称为水力发电，地球生物质（地热，木材，木材废料和其他杂物；还包括来自植物的液体燃料），风能和太阳能。

不幸的是，过渡到如此短的燃料清单确实行不通。这些是我们遇到的一些问题：

[1]风能和太阳能在帮助世界摆脱对化石燃料的依赖方面取得了极其缓​​慢的进展。

根据《 BP世界能源统计评论》的数据，2015年，化石燃料占全球能源消耗的86％，而核能又占世界能源消耗的4％。因此，世界上“首选燃料”仅占总数的10％。风能和太阳能合计仅占世界能源消费量的不到2％。

图1。根据《 BP 2016年世界能源统计评论》中的数据得出的世界能源消耗。

我们在摆脱化石燃料方面的进展也不是很快。追溯到1985年，化石燃料占总量的89％，风能和太阳能都微不足道。如上所述，当今的化石燃料占总能源消耗的86％。因此，在30年中，我们设法将化石燃料的消耗量减少了3％（= 89％– 86％）。风能和太阳能的增长贡献了3％的减少中的2％。以每30年减少3％（或每十年减少1％）的速度，将需要860年，或者直到2877年才能完全消除对化石燃料的使用。迄今为止，所做的“改进”是通过对风能和太阳能的巨额补贴实现的。

图2。根据《 BP 2016年世界能源统计评论》，全球按来源发电。

仅查看电力部分的情况就不太糟了（图2）。在这种情况下，风能占2015年发电量的3.5％，太阳能占1.1％，总计占4.6％。化石燃料仅占总量的66％，因此这部分似乎是可以进行更改的地方。但是，用优先燃料替代所有化石燃料或所有化石燃料加核能似乎是不可能的。

[2]电网电力可能是我们拥有的最不可持续的能源形式。

如果要过渡到基于可再生能源的经济，我们将需要过渡到基于电力的经济，因为当今大多数可再生能源都使用电力。这样的经济将需要依靠电网。

美国电网通常被称为“世界上最大的机器”。美国土木工程师学会对美国的能源系统给予D +等级。它说，

美国依靠老化的电网和管道分配系统，其中一些起源于1880年代。自2005年以来，对电力传输的投资有所增加，但是持续的许可问题，天气事件和有限的维护导致故障和电力中断的数量增加。

简单地维护电网是困难的。一位作者谈到了更换老化的支撑电力线的钢结构的挑战。另一篇文章谈到了在灾难性故障和中断服务之前需要更换变压器的必要性。维护和修理传输线的技术要求保持矿物燃料的可用性。一方面，有时需要使用直升机来安装或维修传输线。即使使用卡车进行维修，也需要使用石油产品来操作卡车，并使道路保持良好的维修状态。

电力，实际上是电网分配的电力，在某种意义上是我们创造比化石燃料“做更多”的能源产品能力的最高点。电网电力使所有类型的电机都能工作。它允许工业用户产生非常高的温度，并根据需要将其保持。它允许流程计算机化。毫不奇怪的是，将来关心能源消耗的人们想要保持与过去一样的方向前进。不幸的是，这是昂贵的，难以维护的方向。暴风雨经常导致断电。为了保持系统正常运行，我们进行了一场永无止境的战斗。

[3]我们对能量的最大需求是在冬天，那时太阳不那么发光，我们不能指望吹来的风。

显然，我们在空调方面要消耗大量电力。很难想象，从长期来看，空调将成为主要的能源消耗，但是，如果我们面临能源瓶颈的话。总是有可能使用风扇代替，并在较高的室内温度下生活。

在世界上变冷的部分地区，未来能源使用中很大一部分似乎将在冬天为房屋和企业供暖。为了说明使用燃料取暖可能导致的季节性变化，图3显示了美国每月天然气消耗量图表。美国天然气用于部分（但不是全部）家庭取暖。天然气也用于电力和工业用途。

图3。根据美国能源信息署（US Energy Information Administration），美国每月的天然气消耗量。

显然，天然气消耗量显示出很大的可变性，冬季使用量达到峰值。面临的挑战是在不使用大量化石燃料的情况下提供以类似方式变化的电力供应。

[4]如果一个家庭直接为冬天的热量燃烧煤炭或天然气，但随后转换为使用相同燃料产生的电热，则成本可能会更高。如果第二种改变是成本更高的电力类型，那么热量的成本将更高。

当化石燃料或生物质燃烧并转化为电能时，就会损失能量。假设转换效率为38％，BP会通过显示产生这种电量所需燃烧的燃料量来尝试纠正其数据。因此，BP所显示的核能，水能，风能和太阳能的能量数量代表了如果用于加热公寓或烹饪食物所产生的热量。取而代之的是，它们的反射量是其发电量的2.6倍（= 1/38％），即化石燃料需要燃烧的量。

结果，如果一个家庭从直接基于燃烧煤炭的热量转变为基于煤基电力的热量，这种变化往往会非常昂贵。《华尔街日报》报道，北京的清洁热计划使村民感冒：

尽管为居民用户提供了电费补贴，但村民在接受国家提供的取暖器采访时说，他们的整体成本已大幅上涨。一些人说，冬季取暖的费用约为300美元，而煤炭约为200美元。

潜在的问题是，在电厂中燃烧煤炭会产生更好但更昂贵的产品。如果将这种电用于煤炭无法直接执行的过程（例如新建汽车生产厂），那么这种较高的成本很容易被经济吸收。但是，如果这种成本较高的产品以更昂贵的方式简单地提供了以前可用的服务（加热），那么经济就很难“消化”成本。它成为解决中国烟雾问题的非常昂贵的方法。应该注意的是，从二氧化碳的角度来看，这种改变的方向是错误的，因为最终，由于将煤转化为电能然后再利用该电能进行加热的效率低下，必须燃烧更多的煤炭进行加热。

以后用风电代替煤基电怎么办？中国北方有大量风力涡轮机闲置。一个问题是架设输电线路的高昂成本，因为输电线路会将电力输送到北京等城市中心。同样，如果这些风力涡轮机到位，现有的燃煤电厂将运转较少的时间，从而给这些燃煤发电机组造成财务困难。如果这些公司需要补贴才能继续支付其日常费用（包括工资和债务偿还），则会产生第二笔额外费用。电价将需要更高，以覆盖这些成本。一个用煤基电力难以供热的家庭，用风能电力将面临更大的问题。

烹调用热量和产生热水的热量类似于保持公寓温暖的热量。如果直接燃烧煤炭或天然气以产生热量，则比使用电力便宜（在能源和对消费者的成本上）。同样，这与将化石燃料转化为电能的转换效率有关。

[5]消费者的低能源价格非常重要。不幸的是，当添加到电网中时，对风或太阳能的好处的许多分析都给他们的真实成本带来了误导性印象。

如何评估风能和太阳能的成本？这仅仅是安装风力涡轮机或太阳能电池板的费用吗？或者，如果实际上是将这种间歇性电力并入电网系统，并在需要时将其交付给客户，那么它是否包括电力输送系统必须承担的所有额外费用？

标准答案可能是因为它最容易计算，是因为成本只是风力涡轮机或太阳能电池板本身的成本（或能源成本），加上逆变器。在此基础上，风能和太阳能似乎很便宜。基于这种有限的分析，许多人得出的结论是，过渡到风能和太阳能可能会有所帮助。

不幸的是，情况更加复杂。也许，前几台风力涡轮机和太阳能电池板不会对现有的电网系统造成太大影响。但是随着越来越多的风力涡轮机或太阳能电池板的增加，将会有额外的成本。其中包括长距离输电，蓄电和维持备用发电运行所需的补贴。如果将这些成本包括在内，那么实际的总安装电力输送成本将远远高于仅太阳能电池板或风力涡轮机的成本。

能源研究人员称评估问题为“边界问题”。在决定增加风力涡轮机或太阳能电池板是否合理时，真正需要考虑什么成本？我和其他几位研究人员认为，需要比目前大多数已发表的分析所使用的范围更大的界限。我们正在计划写一篇学术文章，解释说由于边界问题，当前的能源投资的能源收益（EROEI）计算不能真正与化石燃料EROEI进行比较。相反，需要“使用点” EROEI。对于风能和太阳能，使用点EROEI会因特定应用而异，具体取决于适应风能或太阳能的变化程度。通常，它们可能远低于当前发布的风能和太阳能EROEI。实际上，对于某些应用，它们可能小于1：1。

一个相关的主题是人工回报。劳动报酬等于一个普通工人能用工资买得起多少。在[4]中，我们看到了这样一种情况，供暖的成本似乎增加了，因为从（a）燃烧煤炭直接用于供暖，到（b）使用燃烧煤炭产生的电力过渡到（ c）使用风力涡轮机产生的电力。这种模式正在侵蚀工人的购买力。这个方向最终导致崩溃。这不是经济通常会故意遵循的方向。如果风能和太阳能真正有用，它们必须足够便宜，以允许工人用工资购买更多而不是更少。

[6]如果我们想在冬天取暖，并且尝试使用太阳能和风能，则需要以某种方式找出从夏天到冬天的电力存储方式。否则，我们需要以高成本运行双重系统。

通常讨论用于电力的能量存储，但这通常是关于在相对短的时间内（例如几小时或几天）存储相对少量的电能的想法。如果我们真正的需求是从夏季到冬季储电，那么这将不够长。

从理论上讲，有可能相对于夏季的电力需求极大地过度建设风能和太阳能系统，然后建造大量的电池以存储夏季产生的电能以供冬季使用。这种方法无疑将非常昂贵。除了电池本身的成本之外，存储的电池中可能还会有相当多的能量损耗。我们还将冒用尽太阳能电池板，风力涡轮机和/或电池所需资源的风险。

一种更可行的方法是在冬天将化石燃料燃烧作为热量，因为它们很容易存储。生物质，例如木材，也可以储存直到需要。但是，很难找到足够的生物量供整个世界燃烧以供家庭取暖和做饭之用，而又不会减少世界树木的过多份额。这是远离化石燃料可能非常困难的主要原因。

[7]今天，有几个国家在其能源结构中使用异常大量的电力。这些国家似乎是特例，其他国家很难效仿。

《 BP世界能源统计评论》的数据表明，以下国家的能源结构中电力比例最高。

-瑞典-72.7％-挪威-69.5％-芬兰-59.9％-瑞士-57.5％

这些都是人口少，水力发电量大的国家。我希望水力发电的价格非常便宜，尤其是如果这些水坝是几年前建造的，现在已经全额付款。瑞典，芬兰和瑞士也有核能提供电力，它们各自的电力供应约占三分之一。这种核电是很久以前建造的，因此现在也要付费。国家的地理位置也可能减少汽车交通的使用，从而减少其能源混合物中汽油的比例。对于其他国家而言，要创建价格相当便宜的大型电力供应将非常困难。

一般而言，富裕国家的电力份额高于穷国：

-经济合作与发展组织总计–（富裕国家）– 2015 – 44.5％–非经济合作与发展组织（较少的富裕国家）– 2015 – 39.3％

中国是一个有趣的例子。从1985年到2015年，其电力使用中的能源份额变化如下：

-中国-1985年– 17.5％-中国– 2015年– 43.6％

1985年，中国似乎直接使用了大部分煤炭，而不是将其转换为电力。这可能并不难做到，因为煤炭易于运输，只需将其燃烧即可用于多种供热需求。后来，工业化允许更多地使用电力。这解释了其电力比率在2015年上升至43.6％，几乎与富国的44.5％比率一样高。如果电比率进一步提高，则很可能是因为电力以其成本优势较少甚至甚至成本劣势的方式使用，例如用于加热和烹饪。

[8]水力发电非常适合平衡风能和太阳能，但数量有限。它也存在间歇性问题，限制了可以指望多少。

如果我们查看美国逐月的水力发电，就会发现它也存在间歇性问题。最高的月份是5月或6月，那时积雪融化，水力发电量增加。在秋季和冬季它往往较低，因此对于填补冬季所需的巨大电力缺口不是很有帮助。

图4。根据美国能源信息署的数据，按月划分的美国水力发电量。

与我们的能源需求相比，这还存在一个很大的问题。图5显示了美国水电或水电加太阳能加风能（水电+ S + W）与当前天然气消耗的匹配情况。

图5。根据美国能源信息管理局的数据，美国与水力发电的天然气消耗量以及与水电，风电和太阳能（hydro + W + S）的比较。

当然，电量（水电和水电+ S + W）是“毛额”电量，显示了要生产这些电量需要多少化石燃料能源。如果要用电为家庭和办公室取暖或做饭，则应将天然气的热能与水力和水力+ S + W的热能进行比较。在那种情况下，水和水+ S + W的量会更低，仅为所示量的38％。

此示例显示了与我们当前的天然气消耗相比，我们的水，太阳能和风能消耗有多么有限。如果我们也想替代石油和煤炭，我们将面临更大的问题。

[9]如果我们需要在没有化石燃料的情况下进行发电，那么我们将不得不严重依赖水力发电。Hydro每年都有很大的可变性，因此很难依靠。

每年的自然变化不仅很小，而且变化很大。在图1和2中，水力发电似乎是总量中很大的一块，可以用来平衡风能和太阳能的间歇性，但是当人们逐年查看数据时，很明显水力发电量在国家一级。

图6。根据BP 2016年《世界能源统计》，六个欧洲大国的水力发电量。

实际上，对于更大的集团，水力发电甚至是可变的，例如图6中的六个国家之和，以及一些总水力发电量更大的较大国家。

图7。根据BP 2016年《世界能源统计评论》，一些较大的国家和图6中的六个欧洲国家产生的水力发电合在一起。

从图6和7中我们可以了解到，即使使用了大量的长距离输电，水力发电量每年也会变化。实际上，波动性将大于这些图表中显示的变化，因为春季的可用水量往往最高，而在一年中的其余时间通常要低得多。（有关美国水电公司，请参见图4。）因此，如果一个国家希望依靠水电作为其主要电力来源，那么该国就其真正可依靠的目标而言，必须将其期望值设定得较低。

而且，当然，沙特阿拉伯和其他几个中东国家根本没有任何水力发电。中东国家也往往没有生物质。因此，如果这些国家选择使用风能和太阳能来协助发电，并希望在间歇性与其他方面取得平衡，那么它们非常需要使用本地可用的东西，例如天然气。水电含量很少（或根本没有）的其他国家包括阿尔及利亚，澳大利亚，孟加拉国，丹麦，荷兰和南非。

这些问题提供了进一步的理由，说明各国为何愿意继续使用化石燃料，甚至可能使用核燃料。

[10]关于我们的能源问题的性质存在误解。许多人认为，我们将“用尽”化石燃料，或者石油和其他燃料的价格将上涨得很高。实际上，我们的问题似乎是负担能力之一：能源价格的上涨幅度不足以弥补生产电力和其他能源产品的成本上涨。增加风能和太阳能往往会使低商品价格的问题更加严重。

最终，消费者只能购买他们的工资将允许他们购买的东西。债务增加也可以在一段时间内有所帮助，但这是有局限性的。结果，即使生产这些商品的成本上升，工资增长的不足也意味着商品价格的缺乏。这与大多数人的期望相反。大多数人从未考虑过峰值能源将来自包括铀在内的所有类型能源产品的低价的可能性。因此，由于缺乏可负担性，我们似乎正面临能源需求高峰（以低价表示）。

我们可以从北京家庭的供暖成本上升的例子中看到问题所在。经济学家想认为，成本的上升转化为工资的上升，但事实并非如此。如果成本上升是收益递减的结果（例如，煤炭来自更深，更薄的煤层），则其影响类似于效率的降低。效率低下的部门需要更多的工人和更多的资源，而将资源和工人留给其他效率更高的部门。结果是由于效率低下而趋于收缩的经济。

如果我们要运行一个双重系统，在可用时使用风能和太阳能，而在其他时间使用化石燃料，则成本将会很高。出现问题是因为化石燃料系统有许多固定成本。例如，煤矿和天然气公司需要继续为其贷款支付利息，否则它们将违约。管道每年需要运行365天，无论它们实际是否满员。问题是如何为这种双重制度获得足够的资金。

一种行之有效的电力定价系统是基于每个生产商的边际生产成本的“市场定价系统”。风能和太阳能得到补贴，因此它们往往具有负的边际生产成本。任何其他类型的电力生产商都不可能在该系统中竞争。众所周知，该系统无法产生足够的收入来维护整个系统。

有时，拍卖额外的“容量支付”，以解决总批发电价不足的问题。如果我们相信世界核组织，那么这些指控是不够的。美国的几座核电站计划间接关闭，因为这种定价方法使较老的核电站无利可图。近年来，天然气价格对生产商而言过低。我认为，这种电价计算方法也是造成此问题的原因之一。

在我们当前的情况下效果更好的另一个定价系统是公用事业定价系统，即“成本加成”定价。在该系统中，价格由监管者根据对所有必要成本（包括生产者的适当利润率）的审查确定。在双系统的情况下，它可以使价格高到足以支付所有所需的成本，包括超长距离的输电线路，再加上化石燃料和核电厂的所有高固定成本，每运行一小时即可年。

当然，这些高得多的电费率最终对于消费者而言将变得负担不起，从而导致购买量的减少。如果发生足够的此类采购缩减，结果将是衰退。但是至少电力系统不会因为其生产者的利润不足而早日失效。

结论

由于我上面概述的原因，几乎不可能过渡到全部可再生能源系统。我在以前的文章中还概述了许多其他问题：

-间歇性可再生能源不能很好地改造电网电力-间歇性可再生能源（风能和太阳能光伏）成为问题的十个原因-太阳能光伏的EROEI计算令人误解-美国风能面临的障碍-评估绿色能源解决方案的八大误区-八个能源神话的解释-科学美国人的可持续发展之路：让我们考虑细节-真正的石油限制故事；其他研究人员错过了什么

这个话题似乎并没有消失，因为它对似乎没有解决办法的困境具有“解决方案”很有吸引力。在某种程度上，风能和太阳能就像是高成本的安慰剂。如果将这些投入经济，至少人们会认为我们正在解决这个问题，也许我们的气候问题会好一些。

同时，我们发现间歇性可再生能源在现实生活中的问题越来越多。澳大利亚发生了一系列停电。南澳大利亚州几个小时的停电部分与电网上的高间歇性能源有关。减少未来复发的方法似乎非常昂贵。

Antonio Turiel写了西班牙所遇到的问题。西班牙增加了大量的风能和太阳能，但是在最近的冷风时期还没有。它通过阿尔及利亚的管道增加了天然气，但是现在阿尔及利亚已经减少了供应量。它增加了北部到法国的输电线路。现在，Turiel担心西班牙的电价会持续上涨，因为他认为法国没有采取充分的准备工作来满足其自身的电力需求。

如果国家之间的相互联系很少，法国的电力问题将一直存在于法国，而不会对邻国产生不利影响。一个人开始怀疑：输电线路会对新的电力供应产生不利影响吗？如果一个国家可以希望“市场”将从其他地方供电，那么该国家是否采取了适当的步骤来提供自己的电力？

在我看来，现在已经远离相信“可更新”的事物对系统有帮助的时候了。现在，当包含间接成本时，我们可以获得有关风能和太阳能价格如何的真实信息。不幸的是，在现实世界中，高成本最终会成为交易杀手，因为工资不会同时上涨。我们需要了解自己的真实身份，而不是生活在一个希望我们相信局势得到控制的政客们创造的童话世界中。

盖尔·特维尔伯格