技術(shù)驅(qū)動變革,2023年那些讓人眼前一亮的清潔能源技術(shù)
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廣東國能中林投資有限公司 日期:2024-01-08 519 屬于:行業(yè)動態(tài)
目前,世界每年生產(chǎn)約 30 太瓦時的電力。隨著發(fā)展中國家的現(xiàn)代化進程,以及發(fā)達(dá)國家將國家大量的能源投入到制造數(shù)字貨幣和訓(xùn)練人工智能等諸多方面,這一總量還將急劇上升。
煤炭占人類能源的絕大部分,約為35%,天然氣位居第二,約為23%。其次是第一種 "清潔 "能源--水力發(fā)電,約占15%,但水力發(fā)電需要大量高碳排的混凝土,而且依賴于地理條件,因此并不是一個真正的增長領(lǐng)域。
核電緊隨其后,但其貢獻率約為9%,而且還在下降。核電不產(chǎn)生碳排放,而且從統(tǒng)計數(shù)字上看,它是所有能源中最安全的一種,但由于偶爾會發(fā)生像切爾諾貝利和福島那樣備受矚目的事故,它不幸背上了污名。
風(fēng)能和太陽能大幅增長,分別達(dá)到7.3%和4.5%,這兩種能源將成為大多數(shù)國家當(dāng)前去碳化戰(zhàn)略的未來支柱,同時還將與儲能技術(shù)相結(jié)合,以消除供需之間令人煩惱的不一致性。包括地?zé)崮?、波浪能和潮汐能在?nèi)的"其他可再生能源 "則剛剛走出起步階段,僅占全球能源的 0.34%。
因此,我們面臨的挑戰(zhàn)是:創(chuàng)造大量新的清潔能源發(fā)電能力,足以取代為地球上大部分地區(qū)提供電力的煤炭和天然氣,足以滿足人類對能源日益增長的需求,并足以覆蓋諸如整個運輸行業(yè)和其他燃燒化石燃料的行業(yè),使這些行業(yè)清潔化的過程中逐漸轉(zhuǎn)向電力。
01太陽能
在新的太陽能技術(shù)領(lǐng)域,我們并沒有看到特別令人興奮的一年。光伏電池的效率記錄可能在某個實驗室里悄悄上升,但具有成本競爭力的商用太陽能的效率與過去幾年差不多,而且該行業(yè)似乎發(fā)展得相當(dāng)不錯。
圖說:加利福尼亞州太陽能運河的渲染圖。Nexus 項目;來源:Solar Aquagrid LLC
亞利桑那州重啟了一個最初在印度試用的想法,即在運河上放置太陽能電池,冷卻水并希望防止水在沙漠的高溫下蒸發(fā)。
圖說:雙作用太陽能塔可在沙漠地區(qū)全天候產(chǎn)生清潔能源;來源:AI generated using DALL-E
一群中東研究人員重新審視了巨型太陽能上升氣流塔的想法,在其周圍增加了一圈冷卻下氣流塔,從而創(chuàng)造出一種雙效清潔能源塔,只要把它們建在沙漠中,并為冷卻下氣流塔供水,就能全天候發(fā)電。
圖說:工程師在發(fā)射前將太空太陽能演示器SSPD-1裝載到 Momentus Vigoride 航天器上;來源:Caltech
而在更廣泛的范圍內(nèi),加州理工學(xué)院的太空太陽能項目團隊已經(jīng)成功地將能量從太空傳送到地球上。在一億美元私人資金的支持下,該團隊正在快速推進其大膽的計劃,向太空發(fā)射一個3.5平方英里(9平方公里)的大型自組裝太陽能電池陣列,在那里,它將收集多達(dá)地球上太陽能電池板八倍的能量,而且沒有夜晚的干擾,全天候?qū)⒛芰總魉偷降孛妗?/span>
02風(fēng)能
風(fēng)能領(lǐng)域有很多創(chuàng)新想法,其中很多都集中在海上。世界上最好的風(fēng)力資源大多位于深水區(qū),在那里建造在淺水區(qū)或陸地上運行良好的大型風(fēng)扇式渦輪機并不現(xiàn)實。因此,有幾種漂浮風(fēng)力發(fā)電的想法都在努力將自己打造成技術(shù)上和經(jīng)濟上最可行的發(fā)電方式。
我們一直關(guān)注的最激進、最吸引人的想法之一是World Wide Wind公司的對轉(zhuǎn)垂直軸風(fēng)力渦輪機。與塔筒式風(fēng)扇相比,它們有望以更低的成本產(chǎn)生更多的電力,同時在深水中也具有更大的可擴展性和可部署性。該公司于 11 月份宣布取得重大進展,在挪威部署了 19 米長的原型機。
圖說:T-Omega 部署了其革命性浮動風(fēng)力渦輪機設(shè)計的 1/16 比例原型;來源:T-Omega
T-Omega公司的另一個原型機也下水了,它的設(shè)計簡潔明了,更像是一個摩天輪,配有一個浮動的金字塔底座。其設(shè)計理念是降低制造、部署和維護成本,該公司通過從兩端固定上部發(fā)電機等方法消除了上部發(fā)電機所承受的大量壓力。隨著小規(guī)模波浪槽測試的完成,該公司現(xiàn)已在馬薩諸塞州新貝德福德附近部署了一個 1/16 比例的原型。
圖說:在風(fēng)速較高時,大葉片將塔架拉直,將較小的部分暴露在風(fēng)中;來源:Touchwind
我們對 Touchwind 非常奇特的單葉片渦輪機非常著迷,它正在荷蘭進行 6 米原型的測試。這只奇特的設(shè)計會傾斜,以便從慢風(fēng)中獲取更多電力,但在暴風(fēng)雨情況下,它又會直立起來,以減少暴露在風(fēng)中的機會。Touchwind公司稱,與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相比,這臺機器的發(fā)電量更多,而成本只有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的一半。
圖說:小型氣流織機設(shè)計圖;來源:Airloom Energy
回到陸地上,我們饒有興趣地了解了懷俄明州的Airloom Energy公司,該公司已經(jīng)開發(fā)出一種外形非常奇特的系統(tǒng)原型,它將垂直翼片置于橢圓形軌道上,制造出的風(fēng)力渦輪機成本僅為普通塔架的三分之一,而且更接近地面。在比爾·蓋茨和Breakthrough Energy的支持下,Airloom 正在研制 50 千瓦的原型機。
03核能
先進的核裂變發(fā)電在今年迎來了具有里程碑意義的時刻,中國宣布世界上第一座商用第四代核電站投入運行。華能石島灣高溫氣冷堆核電站正式投入商業(yè)運行,標(biāo)志著中國在第四代核電技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
圖說:華能石島灣高溫氣冷堆示范工程外景;來源:新華社
但對于未來學(xué)家來說,核聚變領(lǐng)域才是重頭戲。近年來,核聚變領(lǐng)域因一些商業(yè)運營而重新煥發(fā)活力,每家公司都聲稱自己擁有足夠靈活的創(chuàng)業(yè)精神和技術(shù)進步,足以超越主要政府和國際項目數(shù)十年來的研究成果。
例如,加州公司 TAE 在在 2 月份就進行了世界上首次磁約束氫硼聚變讀數(shù)證明了一種不需要氚的核聚變方法的潛力。氚是其他反應(yīng)堆的一種關(guān)鍵燃料,但供應(yīng)非常短缺,而且難以制造。另一方面,氫硼核聚變需要更高更熱的等離子體溫度——TAE 希望在 2030 年代初達(dá)到約 10 億度或更高的溫度,屆時它將擁有世界上第一個并網(wǎng)的核聚變工廠。
不過,OpenAI 的薩姆·阿爾特曼(Sam Altman)打賭,他的公司 Helion 將以更快的速度達(dá)到這一目標(biāo)。Helion 公司于今年 5 月簽署了一份協(xié)議,在 2028 年之前為微軟提供至少 50 兆瓦的清潔核聚變電力,否則將支付罰款。這一大膽舉動的前提是,Helion 公司獨特的反應(yīng)堆技術(shù)(聲稱發(fā)電價格不到煤炭的三分之一)將以瘋狂的速度發(fā)展。我們暫時對其表示懷疑。
其他新聞方面,世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆JT-60SA在日本成功點火,英國托卡馬克能源公司(Tokamak Energy)公布了商業(yè)核聚變工廠的設(shè)計方案,稱該工廠將于 2030 年代初準(zhǔn)備就緒。
04地?zé)崮?/span>
如果我們能隨心所欲地利用地殼下的大量熱能,那么人類的所有能源問題都會在一夜之間消失。因此,重新煥發(fā)活力的地?zé)嵝袠I(yè)活動頻繁,并希望極大地擴展其能力和影響。
圖說:谷歌在內(nèi)華達(dá)州新建的先進地?zé)岚l(fā)電廠;來源:Google
2023 年的標(biāo)志性成就來自Fervo,該公司與 Google 合作,利用類似于石油和天然氣行業(yè)的壓裂技術(shù)在內(nèi)華達(dá)州開發(fā)和建造了一座先進的地?zé)岚l(fā)電廠。Fervo 公司利用流體壓力來裂解地下熱巖,擴大了可獲取熱量的表面積。。這使得地?zé)崮茉诟鼜V泛的領(lǐng)域變得可用且具有成本競爭力,并且可用于擴展和增強現(xiàn)有的地?zé)岚l(fā)電廠。
圖說:將壓力電池與地?zé)崮芙Y(jié)合起來可以釋放廉價的能源存儲和淺層地?zé)崮埽?/span>來源:Sage Geosystems
Sage Geosystems則更進一步,開創(chuàng)了一種新型儲能技術(shù),將地下的地球當(dāng)作一個巨大的風(fēng)箱。利用可再生能源將水泵入熱巖石的裂縫中,給裂縫加壓,使其打開。當(dāng)需要能源時,閥門被打開,地球的重量將水重新擠壓上來--但現(xiàn)在,水被地?zé)崮芗訜崃?。Sage 表示,這種“吞吐”的方法可以有效地為你提供一個地下電池,它返回的能量是你投入的能量的兩倍。
隨著可再生能源革命的步伐加快,儲能在利用綠色電力方面的作用變得前所未有的重要。特別是在電網(wǎng)級能源存儲領(lǐng)域,各種公司層出不窮,他們正在努力以盡可能低的成本存儲和釋放多余的可再生能源。此前,環(huán)球零碳對相關(guān)技術(shù)已進行了詳細(xì)分析,在此不進行贅述,詳見:比爾·蓋茨為何“癡心”長時儲能,這十大儲能技術(shù)或改變世界。
2024年,清潔能源領(lǐng)域?qū)^續(xù)出現(xiàn)新的技術(shù)突破和顛覆,因為人類正努力引導(dǎo)氣候這艘遠(yuǎn)洋巨輪遠(yuǎn)離快速逼近的冰山。我們拭目以待!
煤炭占人類能源的絕大部分,約為35%,天然氣位居第二,約為23%。其次是第一種 "清潔 "能源--水力發(fā)電,約占15%,但水力發(fā)電需要大量高碳排的混凝土,而且依賴于地理條件,因此并不是一個真正的增長領(lǐng)域。
核電緊隨其后,但其貢獻率約為9%,而且還在下降。核電不產(chǎn)生碳排放,而且從統(tǒng)計數(shù)字上看,它是所有能源中最安全的一種,但由于偶爾會發(fā)生像切爾諾貝利和福島那樣備受矚目的事故,它不幸背上了污名。
風(fēng)能和太陽能大幅增長,分別達(dá)到7.3%和4.5%,這兩種能源將成為大多數(shù)國家當(dāng)前去碳化戰(zhàn)略的未來支柱,同時還將與儲能技術(shù)相結(jié)合,以消除供需之間令人煩惱的不一致性。包括地?zé)崮?、波浪能和潮汐能在?nèi)的"其他可再生能源 "則剛剛走出起步階段,僅占全球能源的 0.34%。
因此,我們面臨的挑戰(zhàn)是:創(chuàng)造大量新的清潔能源發(fā)電能力,足以取代為地球上大部分地區(qū)提供電力的煤炭和天然氣,足以滿足人類對能源日益增長的需求,并足以覆蓋諸如整個運輸行業(yè)和其他燃燒化石燃料的行業(yè),使這些行業(yè)清潔化的過程中逐漸轉(zhuǎn)向電力。
01太陽能
在新的太陽能技術(shù)領(lǐng)域,我們并沒有看到特別令人興奮的一年。光伏電池的效率記錄可能在某個實驗室里悄悄上升,但具有成本競爭力的商用太陽能的效率與過去幾年差不多,而且該行業(yè)似乎發(fā)展得相當(dāng)不錯。
圖說:加利福尼亞州太陽能運河的渲染圖。Nexus 項目;來源:Solar Aquagrid LLC
亞利桑那州重啟了一個最初在印度試用的想法,即在運河上放置太陽能電池,冷卻水并希望防止水在沙漠的高溫下蒸發(fā)。
圖說:雙作用太陽能塔可在沙漠地區(qū)全天候產(chǎn)生清潔能源;來源:AI generated using DALL-E
一群中東研究人員重新審視了巨型太陽能上升氣流塔的想法,在其周圍增加了一圈冷卻下氣流塔,從而創(chuàng)造出一種雙效清潔能源塔,只要把它們建在沙漠中,并為冷卻下氣流塔供水,就能全天候發(fā)電。
圖說:工程師在發(fā)射前將太空太陽能演示器SSPD-1裝載到 Momentus Vigoride 航天器上;來源:Caltech
而在更廣泛的范圍內(nèi),加州理工學(xué)院的太空太陽能項目團隊已經(jīng)成功地將能量從太空傳送到地球上。在一億美元私人資金的支持下,該團隊正在快速推進其大膽的計劃,向太空發(fā)射一個3.5平方英里(9平方公里)的大型自組裝太陽能電池陣列,在那里,它將收集多達(dá)地球上太陽能電池板八倍的能量,而且沒有夜晚的干擾,全天候?qū)⒛芰總魉偷降孛妗?/span>
02風(fēng)能
風(fēng)能領(lǐng)域有很多創(chuàng)新想法,其中很多都集中在海上。世界上最好的風(fēng)力資源大多位于深水區(qū),在那里建造在淺水區(qū)或陸地上運行良好的大型風(fēng)扇式渦輪機并不現(xiàn)實。因此,有幾種漂浮風(fēng)力發(fā)電的想法都在努力將自己打造成技術(shù)上和經(jīng)濟上最可行的發(fā)電方式。
我們一直關(guān)注的最激進、最吸引人的想法之一是World Wide Wind公司的對轉(zhuǎn)垂直軸風(fēng)力渦輪機。與塔筒式風(fēng)扇相比,它們有望以更低的成本產(chǎn)生更多的電力,同時在深水中也具有更大的可擴展性和可部署性。該公司于 11 月份宣布取得重大進展,在挪威部署了 19 米長的原型機。
圖說:T-Omega 部署了其革命性浮動風(fēng)力渦輪機設(shè)計的 1/16 比例原型;來源:T-Omega
T-Omega公司的另一個原型機也下水了,它的設(shè)計簡潔明了,更像是一個摩天輪,配有一個浮動的金字塔底座。其設(shè)計理念是降低制造、部署和維護成本,該公司通過從兩端固定上部發(fā)電機等方法消除了上部發(fā)電機所承受的大量壓力。隨著小規(guī)模波浪槽測試的完成,該公司現(xiàn)已在馬薩諸塞州新貝德福德附近部署了一個 1/16 比例的原型。
圖說:在風(fēng)速較高時,大葉片將塔架拉直,將較小的部分暴露在風(fēng)中;來源:Touchwind
我們對 Touchwind 非常奇特的單葉片渦輪機非常著迷,它正在荷蘭進行 6 米原型的測試。這只奇特的設(shè)計會傾斜,以便從慢風(fēng)中獲取更多電力,但在暴風(fēng)雨情況下,它又會直立起來,以減少暴露在風(fēng)中的機會。Touchwind公司稱,與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相比,這臺機器的發(fā)電量更多,而成本只有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的一半。
圖說:小型氣流織機設(shè)計圖;來源:Airloom Energy
回到陸地上,我們饒有興趣地了解了懷俄明州的Airloom Energy公司,該公司已經(jīng)開發(fā)出一種外形非常奇特的系統(tǒng)原型,它將垂直翼片置于橢圓形軌道上,制造出的風(fēng)力渦輪機成本僅為普通塔架的三分之一,而且更接近地面。在比爾·蓋茨和Breakthrough Energy的支持下,Airloom 正在研制 50 千瓦的原型機。
03核能
先進的核裂變發(fā)電在今年迎來了具有里程碑意義的時刻,中國宣布世界上第一座商用第四代核電站投入運行。華能石島灣高溫氣冷堆核電站正式投入商業(yè)運行,標(biāo)志著中國在第四代核電技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
圖說:華能石島灣高溫氣冷堆示范工程外景;來源:新華社
但對于未來學(xué)家來說,核聚變領(lǐng)域才是重頭戲。近年來,核聚變領(lǐng)域因一些商業(yè)運營而重新煥發(fā)活力,每家公司都聲稱自己擁有足夠靈活的創(chuàng)業(yè)精神和技術(shù)進步,足以超越主要政府和國際項目數(shù)十年來的研究成果。
例如,加州公司 TAE 在在 2 月份就進行了世界上首次磁約束氫硼聚變讀數(shù)證明了一種不需要氚的核聚變方法的潛力。氚是其他反應(yīng)堆的一種關(guān)鍵燃料,但供應(yīng)非常短缺,而且難以制造。另一方面,氫硼核聚變需要更高更熱的等離子體溫度——TAE 希望在 2030 年代初達(dá)到約 10 億度或更高的溫度,屆時它將擁有世界上第一個并網(wǎng)的核聚變工廠。
不過,OpenAI 的薩姆·阿爾特曼(Sam Altman)打賭,他的公司 Helion 將以更快的速度達(dá)到這一目標(biāo)。Helion 公司于今年 5 月簽署了一份協(xié)議,在 2028 年之前為微軟提供至少 50 兆瓦的清潔核聚變電力,否則將支付罰款。這一大膽舉動的前提是,Helion 公司獨特的反應(yīng)堆技術(shù)(聲稱發(fā)電價格不到煤炭的三分之一)將以瘋狂的速度發(fā)展。我們暫時對其表示懷疑。
其他新聞方面,世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆JT-60SA在日本成功點火,英國托卡馬克能源公司(Tokamak Energy)公布了商業(yè)核聚變工廠的設(shè)計方案,稱該工廠將于 2030 年代初準(zhǔn)備就緒。
04地?zé)崮?/span>
如果我們能隨心所欲地利用地殼下的大量熱能,那么人類的所有能源問題都會在一夜之間消失。因此,重新煥發(fā)活力的地?zé)嵝袠I(yè)活動頻繁,并希望極大地擴展其能力和影響。
圖說:谷歌在內(nèi)華達(dá)州新建的先進地?zé)岚l(fā)電廠;來源:Google
2023 年的標(biāo)志性成就來自Fervo,該公司與 Google 合作,利用類似于石油和天然氣行業(yè)的壓裂技術(shù)在內(nèi)華達(dá)州開發(fā)和建造了一座先進的地?zé)岚l(fā)電廠。Fervo 公司利用流體壓力來裂解地下熱巖,擴大了可獲取熱量的表面積。。這使得地?zé)崮茉诟鼜V泛的領(lǐng)域變得可用且具有成本競爭力,并且可用于擴展和增強現(xiàn)有的地?zé)岚l(fā)電廠。
圖說:將壓力電池與地?zé)崮芙Y(jié)合起來可以釋放廉價的能源存儲和淺層地?zé)崮埽?/span>來源:Sage Geosystems
Sage Geosystems則更進一步,開創(chuàng)了一種新型儲能技術(shù),將地下的地球當(dāng)作一個巨大的風(fēng)箱。利用可再生能源將水泵入熱巖石的裂縫中,給裂縫加壓,使其打開。當(dāng)需要能源時,閥門被打開,地球的重量將水重新擠壓上來--但現(xiàn)在,水被地?zé)崮芗訜崃?。Sage 表示,這種“吞吐”的方法可以有效地為你提供一個地下電池,它返回的能量是你投入的能量的兩倍。
隨著可再生能源革命的步伐加快,儲能在利用綠色電力方面的作用變得前所未有的重要。特別是在電網(wǎng)級能源存儲領(lǐng)域,各種公司層出不窮,他們正在努力以盡可能低的成本存儲和釋放多余的可再生能源。此前,環(huán)球零碳對相關(guān)技術(shù)已進行了詳細(xì)分析,在此不進行贅述,詳見:比爾·蓋茨為何“癡心”長時儲能,這十大儲能技術(shù)或改變世界。
2024年,清潔能源領(lǐng)域?qū)^續(xù)出現(xiàn)新的技術(shù)突破和顛覆,因為人類正努力引導(dǎo)氣候這艘遠(yuǎn)洋巨輪遠(yuǎn)離快速逼近的冰山。我們拭目以待!