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深入分析:我們如何選擇正確的技術來引領清潔能源轉型?

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發表時間:2022-10-18 16:09作者:清潔技術

化石燃料提供了全球約80%的一次能源消耗總量,而這一數字在過去30年中沒有發生實質性變化。

  有許多潛在的可再生能源來源,包括風能、太陽能、地熱能、波浪能、潮汐能、水力發電、生物質能等,每一種技術都處于商業成熟和發展的不同階段。哪種可再生能源有潛力在未來幾十年提供大部分清潔能源?

  有時太多的選擇使決定變得困難。從定義上講,向清潔能源過渡是一個復雜的問題,是一項以前從未完成過的任務。有這么多選擇,我們如何選擇正確的技術來引領清潔能源轉型?并非所有可再生能源在任何地方或任何時候都能很好地發揮作用,一些技術僅在少數幾個地方實用(例如,蘇格蘭的潮汐能),而其他來源可能在世界許多地方都很好用。

  近年來,氣候科學的新發現指出,全球極端天氣事件在加劇,溫室氣體也在繼續增加。盡管可再生能源和清潔技術取得了一些進展,但在1999年至2019年期間,全球化石燃料的消耗量實際上增長了32%以上,在過去的二十年中,化石燃料仍提供了約80%的一次能源總量。事實上,我們仍處于化石燃料時代。

  2021年10月,中國山西強降雨導致中國多處煤礦大范圍內澇,導致煤炭短缺,太陽能電池板制造停滯,導致全球價格飆升?;剂吓c當前可再生能源之間的這種具有諷刺意味的聯系突顯了這樣一個事實,即煤炭及其化石表親(天然氣和石油)仍然相對便宜,而可再生能源尚未變得更具可持續性和具有成本競爭力,可再生能源未能真正實現全球擴張。所有能源,包括當前的可再生能源,都有碳足跡,需要盡量減少。能源選擇會持續數十年,代價高昂。

  在選擇可再生能源和清潔技術優先事項的高風險挑戰中,選擇最佳清潔能源以緩解氣候變化的標準可能是什么?這個問題是氣候危機的核心,合理的選擇必須是務實的,并且可能包括以下考慮的因素:

  1.接近零的溫室氣體排放

  2.可在世界各地區域使用

  3.高能量潛力和功率密度,幾乎可以滿足大多數需求

  4.由地球上豐富的無毒元素制成,具有全球可擴展性

  5.低成本,包括制造和安裝成本以實現全球可擴展性

  這些考量的因素應該優先考慮哪些可再生能源類型,但這并不意味著由此產生的選擇對世界各地的所有人都是最好的。讓我們將以上標準應用于不同形式的可再生能源。

  候選可再生能源類別的初步清單:

  1.接近零的溫室氣體排放。

  能源必須具有非常低的碳凈足跡的潛力。生物質和生物燃料涉及燃燒,并且經常有大量的化石燃料摻入。在干旱地區(高碳足跡),太陽能熱電廠通常需要大量的水來驅動渦輪機。大型水壩可能會產生重大影響,包括碳足跡,但微型水壩有可能變得更清潔。

  2.可在世界各地使用。

  雖然水力、地熱、波浪和潮汐都是很好的能源,但它們通常受地理限制。為了避免遠距離運輸能源的巨額成本,能源需要供應全球大部分地區。

  3.高能量和高功率密度。

  對于滿足大多數實際需求,可再生能源與化石燃料競爭是必要的。迄今為止,太陽能光伏在可再生能源中具有最高的理論潛力。

  一個重要且經常被忽視的因素是面積功率密度,它衡量必須投入多少面積來產生能量?;剂系哪芰棵芏群芨?,太陽能光伏具有最高的可再生能源面積功率密度。

  考慮到所應用的標準,太陽能光伏迄今獲得了高分:

  如果我們將太陽能光伏視為清潔能源轉型的潛在優先事項,我們必須仔細研究,因為光伏有多種類型。以下是不同世代的光伏技術:

  ?第一代光伏(1941年至今):這是第一個商業光伏技術。傳統晶體硅光伏仍占主導地位,約占全球太陽能組件銷售額的96%。如今,它已成為可靠的標準,盡管它在制造過程中確實存在巨大的能源成本和碳足跡,而且由于其重量和剛性,它僅限于某些市場。

  ?第二代光伏(CdTe和CIGS),在1990年代首次商業化:這些是薄膜材料,含有稀有元素(銦、鎵、碲),在大多數情況下還含有有毒元素(例如鎘)。砷化鎵是一種奇特的光伏太陽能電池,它提供更高的效率,但也含有稀有和有毒的元素,并且對于大多數應用來說過于昂貴。

  ?第三代光伏包括:

  o鈣鈦礦:目前不穩定,含有水溶性鉛。

  o量子點:處于開發初期,含有鉛或鎘,或尚未商業化。

  ?新一代光伏(第四代):具有良好和穩定性能潛力的新型光伏,使用無毒且豐富的地球元素。

  4.由地球上豐富的無毒元素制成,具有全球可擴展性。

  清潔能源的全球可擴展性不包括稀有和有毒元素的大量使用和部署,這意味著只有c-silicon和第四代光伏滿足這一要求。

  5.低成本。

  這是標準要求的最后一步,它包括可再生能源的制造和安裝。過去幾年,晶體硅是可再生能源裝置的全球領導者,但太陽能光伏發電僅提供不到全球能源消耗的0.4%。作為當前的主導技術,c-Si由于其剛性和重量限制了它可以安裝的地理位置,這增加了它的安裝成本。根據麻省理工學院的說法,理想的太陽能材料是一種輕質且靈活的光伏組件,由地球上豐富的元素制成,因此它們可以安裝在新的應用中,包括大多數建筑外飾,甚至是電動和混合動力汽車中。

  雖然目前的c-Si似乎是當今最好的太陽能解決方案,但我們需要做得更好,以應對氣候變化。


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