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分布式光伏发电与第三次工业革命

2012-12-03 08:36:27 新浪网   作者: 史珺  

随着中国政府2012年底的一系列政策的推出,分布式光伏发电在中国逐渐受到重视。这个在日本和德国早已大量应用的方式,其实不止是光伏发电的安装方式那么简单。在蒸汽机和信息技术两次工业革命之后,第三次工业革命的时代已经开始到来。第三次工业革命的重要标志就是分布式发电与互联网技术的紧密结合。今后,每个建筑物都会变为一座发电主体,这不仅仅是解决了建筑用电的问题,而是会带来诸如电力输送方式、信息传播、人们的生活方式和工作方式的巨大变化,同时,也会给新能源、新材料、建筑结构、信息技术和网络技术带来一次新的技术革命和工业浪潮。本文叙述了分布式发电的意义,同时阐明,今后多种能源形式并存是大的趋势。

一 工业革命的原因是能源使用和管理方式的变化

人类历史上所有经济和生产力的进步在产生条件上有两个共同之处:一是能源使用方式发生变革;二是可以管理这些能源系统的新信息手段的出现。在远古的采集狩猎时代,能源是人力,后来扩展为畜力;随后,在大河文明国度,如中国长江、印度恒河河谷、美索不达米亚两河流域、墨西哥的河流上,水利成为运输和灌溉的动力方式,以现在的眼光来看,当时这些能源都是绿色能源。过去,人类通过耕作将太阳能储存在谷物中,尽管无人认识到这一点,但这是太阳能的最早的利用方式。当时,组织千百万草原上的部落从游牧到规律耕作,需要精致复杂的统治体制,君王需要组织人民修建运河,灌溉,需要建设城市、铸造货币;文字应运而生,以满足管理和统治的需要。这种能源方式造就了当时的封建和奴隶制度。

19世纪,蒸汽机的出现,使得煤炭从仅供燃烧成为了各种机械的动力,人类手工印刷术被蒸汽驱动的印刷术取代,这是通讯方式的一大进步;使人类可以大量印发书籍和刊物;公立学校是因为识字的工人的需要。同时,蒸汽机的大量使用,使得过去的整个基础设施系统----为柴火和木炭设计的火炉和锅炉,伐木工和其它人类供应者,输送和储存方法,价格体系,中间商,公众习惯,都发生了变化,一个新的煤炭开采、预处理、运输和利用系统建立了起来,这些人、事和变化推动了蒸汽驱动的工业革命。这是第一次工业革命。第一次工业革命催生了资本主义的发展。

20世纪,内燃机使得石油逐步替代了煤炭的许多能源范围,汽车开始广泛使用,电力设施、公路、工厂城市大规模建设,不断扩张的汽车、卡车、坦克、飞机以及燃油的舰船宣告了碳氢化合物时代的到来。石油很快改变了地缘政治秩序。这些新的基础建设架构、经济体系催生了电话、电报、电视和后来的互联网等信息技术,使得管理更大范围的、更大流动性的国民经济成为可能。电力取代蒸汽成为主要的能源使用方式。因此,虽然信息技术似乎是第二次工业革命的一个标志,但它实际上只不过是因应了石油和电力这两种煤炭与蒸汽之后的能源方式的使用和管理的一个手段。

前两次工业革命给人类带来了生活和工作方式的巨大飞跃,进入了所谓的现代化时代。但现在,现有的能源生产和利用系统存在着越来越多的问题,难以满足新的发展需要。这些问题包括:化石能源在枯竭,价格飞涨加重成本负担,同时,能源利用效率十分低下;中央电网体系已经非常过时,基础设施规划也过时。以汽车为例,汽车的发动机和传动系统只能把汽油的能量的20%变成动力转化为驱动车轮的实际动力。而汽油的能量只有石油的85%,如果再考虑石油的来源,太阳能转化为石油的能源转换效率,那就更低得令人难以置信了。相比之下,光伏的17%左右的转换效率,并非那么低廉了。再考虑到,石油、煤炭等化石能源也是来自太阳能,那么,从太阳能到动能的转换,可能光伏是一种最为高效的能源转换方式了。[page]

二 第三次工业革命的标志----分布式发电

第三次工业革命的标志是什么,不同的专家有不同的见解。但从前两次工艺革命的特征分析下来,多数经济学家的较为统一的共识是,互联网和可再生能源的结合,形成新能源互联网,这就是第三次工业革命的标志。

个人电脑和互联网使人们的沟通方式发生了翻天覆地的变化,过去是一对多、自上而下、集中式、垂直式的信息传播方式,现在是横向的、用户对用户式的网络传播。这些方式究竟是进步,还是一种灾祸的隐患,现在还存在着争议。但是,目前在欧洲特别是德国,已经将这种扁平式的通讯科技用于能源系统,结合成分布式能源,精英的经济学家和政治家已经意识到,目前欧洲正处于第三次工业革命的开端。

与那些仅在少数地方蕴藏、需要大量投资的传统能源不同,分布式能源的唯一特点就是,它在世界上每个角落都可以被找到。这能源不一定是光伏,但光伏注定是分布式能源的主要方式。

作为第三次工业革命的支柱,分布式能源和互联网的结合,将表现五个方面:

1)能源从化石能源向可再生能源转型;欧盟成员承诺,可再生能源消费量到2020年占到20%;中国政府也作了同样的承诺(只不过中国的可再生能源与欧盟的可再生能源的定义有所区别)。这种承诺的背后,是对传统能源将要枯竭的焦虑,和对气候变化导致的环境问题的威胁的担忧。

2)将每个住宅和工业建筑转化为微型发电厂;欧盟意识到,他们曾走过集中光伏电站和风电的弯路,但逐步发现人们无法通过集中风光发电来支持整个欧洲的经济发展。人们需要重新认识构成世界的一砖一瓦,将每一处建筑转变成为能就地收集可再生能源的迷你能量采集器。这项工程可持续四十年到一百年。现在,我们有大型的公共能源公司,未来,我们会有数以百万计的小型住宅发电并把多余的电回售给电网,电力生产成本会越来越便宜。

3)在每一栋建筑物以及基础设施中使用各类能源存储技术以保存间歇式能源;将氢和其它可储存的能源存在建筑里,利用社会全部的基础设施来储藏间歇性可再生能源,并保证有持久可依赖的环保能源供应;这种带有能量储存功能的建筑物会使得电力供应更加稳定和灵活。

4)利用互联网技术将不同地区的电力网转化为能源共享网络;利用网络通信科技把电网转变为智能通用网络,从而让千百万人可以把周围建筑产生的电能输送到电网中去,在开放的环境中实现与他人的资源共享,其工作原理就像信息在网络上产生和传播一样;电力的共享给人们生活带来的变化,不会亚于信息共享带来的变化。

5)将运输工具转向插电式以及燃料电池动力车,所用的电力可以通过共享的电网平台进行买卖。改变由汽车、火车、公交车、卡车等构成的全球运输方式,使之成为由插电式和燃料电池等以可再生能源为动力的运输工具构成的交通运输网。在全国和国际间建立统一标准的充电站,人们可以在充电站买卖电能。这会形成一个全新的交易机制和体系,并催生出许多硬件、软件、服务和金融衍生体系。

上述五个方面将带来巨大的商机。欧洲的下一步发展规划已经考虑了如何针对第三次工业革命来采取相应的政策。整个欧洲的房屋将作为节点连成网络,这个网络将不断扩张,而且必须蔓延到国际和洲际。因为只有属于不同的大陆和时区、不同地理、气候条件的房屋加入,才能有足够调剂余缺的交易产生。同时,随着上述五大支柱的基础设施工程建设一步步展开,政府将成为这个跨区的工程的规划、协调、运作的管理者。

分布式发电,尽管十分重要,但蕴藏的商机和经济规模只是上述五个方面中最小的一部分。真正巨大的改变,是分布式发电带来的后续能源使用方式的改变,也就是其它四个方面。不少国家意识到了这一点,并为此开始进行布局,例如前面提到的德国。韩国总理李明博也在呼吁建立横跨亚洲的职能电网和能源网络。但并非每个国家都意识到了第三次工业革命的上述五个支柱,例如,奥巴马希望重振绿色经济,但没有把这五项支柱联系在一起,而是花数千亿美元在单独的项目上,导致了美国光伏行业的与自身实力不符的落后。

中国政府在开始的时候,似乎对新能源的支持非常犹豫。但从2012年的四季度开始,中国政府先后出台了一系列的政策,尤其是在分布式光伏发电方面。中国政府应当是意识到了光伏发电的成本下降使得光伏成为支柱能源的时间不再遥远,而可能是两三年内的事情,再不做好准备,就会错失这个千载难逢的机遇。中国政府可能也从美国的集中式光伏应用的不成功中吸取了教训;加上自从“金太阳”和上网电价政策后,中国西部光伏的狂热和东部的冷淡,使得中国政府意识到,必须要支持分布式光伏发电,才能使得中国光伏向正确的方向前进。

只要认真思考就能够认识到,必须将上述五个方面的工作协同进行,才能创造最大的价值和效果。

中国可以成为第三次工业革命的领导者,因为,广袤的地域和巨大的市场,年轻人对新观点和新事物的兴趣,企业家们近乎狂热的对利润的追求,和敢于冒险的精神,等等;这些,都是十分有利于新生的工业革命的温室和土壤。但是,要正确引导这些有利的条件,对政策制定者的建议是,政府、企业和公民社会需要在中央、地方层面,多进行交流和协调,尽快开始第三次工业革命的基础设施建设,建立起新经济模式的发展规划。[page]

三 我国发展分布式光伏发电的意义

在中国,积极发展分布式光伏发电具有重大的意义。

首先,我国的光伏发电的布局与中国的地势相同,都是西高东低。西部日照条件好,土地辽阔,而且大多是戈壁和沙漠,非常适合光伏发电,而且是集中式的大型光伏电站。但是,另一方面,西部的经济不发达,导致用电需求量很小,而西部地区,恰恰是传统能源十分丰富的地区,如煤炭,石油。既然那么多火力发电厂都无法满负荷发电,电网公司自然没有兴趣接入目前还很零散、发电又不稳定的光伏发电。

这并不是巧合。沙漠和戈壁,必然导致工业和商业的荒凉;像拉斯维加斯那样的例子,是个例外,在中国出现的可能性不大。而工商业发达的地区,必然是土地昂贵的地区,大规模的地面电站,地价过于高昂了。

解决这个问题的唯一方案就是放置在屋顶的分布式发电。屋顶的分布式发电不仅不占地,而且可以直接供给建筑内的人、机器和设备。东部的电力需求大,而能源也少,因此电价也高。按照目前光伏发电的成本,即便无需补贴,只要发电自用,也能够具有经济意义。例如,上海地区白天的工业用电电价达到1.14元/千瓦时,而光伏发电的成本,目前只有0.8元/千瓦时左右。

德国从2005年开始启动光伏市场以来,主要发展的是屋顶分布式发电。从目前近八年的实践来看,目前,德国累计光伏装机已经超过30GW,原来担心的光伏发电的电力质量没有任何问题,而光伏发电受气象条件影响,随着光伏屋顶电站数量的增多,不仅没有放大,反而有相互抵消的作用,也就是说,屋顶装得越多,对整个电网来说越稳定。更重要的,由于屋顶发电的大部分电力首先是满足建筑物内用电,因此,外输到电网的并不多,而且,内部的这些电力代替了原来要从电网传输过来的电力,反而使得电网的压力大大减轻。这就是用户侧并网的优势。此外,由于是用户侧并网,因此,用户自用电的价格是相对于购电电价来比较的,而不是上网电价,因此,价格要高得多。以法兰克福为例,普通用户电价为0.14欧元/千瓦时,而上网电价为0.08欧元/千瓦时,现在德国政府给屋顶光伏的电价是0.22欧元/千瓦时,因此,实际政府的补贴只有0.06欧元/千瓦时。因此,分布式光伏发电相对于发电侧并网的大型地面光伏电站来说,应用优势要大得多,应当成为光伏发电的一种主要形式。

此前,中国的分布式发电有一个很大的难题。那就是并网难。但是,2012年10月26日,国家电网公布的《分布式光伏发电的服务意见》解决了这一难题,不仅并网无需到审批,而改由电网公司备案,而且,6MW以下的分布式电站还免收接入费,6MW的电站,需要约20万平方米的屋顶,因此,这个规模能源等于将所有的单体的工业厂房和商业建筑悉数涵盖在内,更遑论住宅了。随后几年光伏的发展将会证明,这个政策虽然只是执行层面的,但其对于中国光伏乃至能源的贡献,将远远大于“金太阳”、“金屋顶”等政策。虽然仅靠一个部门主管机构的一两份文件就像彻底解决这个问题是不可能的,但从这一系列的文件可以看出,我国政府关于光伏的政策,正在朝着正确的方向不断地迈进。

我国分布式发电的发展,首先将带来系统集成产业的兴起,其次,对于电网广域监控系统和微功率调度系统将有一个很大的促进。这只是直接的产业辐射。而随着越来越多的建筑具有自发电功能,能源的存储能源的使用,以及光伏光热一体化,建筑节能设施,将随后兴起。

在屋顶的分布式光伏发电达到一定的比例的时候,将形成节点式、横向、市际的能源基础设施,以及由此形成的市场,会促进人们许多新的工作方式和生活方式的形成。其影响将远远大于互联网给人们带来的变化。

我国还有部分地区没有送上电。在已经送上电的农村,还有许多家庭因为收入低,仅有的电器是电灯和电视,他们晚上天一黑就睡觉,只为了节省一些电费。如果采用光伏分布式发电,能够让那些现在用不起电的人都能够享受哪怕是最基本的电力设施可以提供的便利,如现代化的学校、医院、健康护理、食品和公共卫生、就业以及计算机技术等,那我们的国家将会发生巨大的变化。[page]

四 多种能源形式的并存

新能源和传统能源,并非谁替代谁的问题,更不是你死我活。分布式发电,也有多种形式。能源的利用方式的变化,可能比新的能源形式更重要。煤炭,最早只是用来取暖,后来被用来制玻璃、砖块和酿酒;之后,被用来驱动蒸汽机,这导致了第一次工业革命,为工业和交通催生了数不清的创新。煤炭极大地推动了钢铁和水泥的生产,后者是城市的骨骼和肌肉。煤炭用来发电,为城市提供照明和动力;近年来,煤炭又成为了天然气和液体燃料的来源。石油也是一样,从燃料到塑料,应用更加多种多样。

我们希望光伏称为一种美妙的能源,取之不尽,用之不竭,这种想法可以理解。光伏发电本身也会像煤炭的利用那样多种多样,晶体硅、薄膜、风光一体化、光伏光热一体化等等,总的方向是,转换效率越来越高,而成本则越来越低。但是,即便最终光伏得到了充分的应用,煤炭、石油、核能都还是会有各自的份额。1930年,地球95%的能源消费依赖于煤炭、石油和传统的生物质。1990年,依然还是这些燃料起着关键作用,只不过,那95%的能源组合中增加了天然气、核能、水电、风力、太阳能、地热能以及生物燃料。但是,具体到某个国家,一些新能源已经变成了不可或缺的重要选择。例如,在新西兰、冰岛、菲律宾,地热占能源消费的比例超过了15%,风力发电在德国占7%,在西班牙占10%,在丹麦的比例则更高。整个欧盟每年的新增电力已经全部由可再生能源承担了。

再看看汽车,这个能源消费大户。1970年,还只有汽油发动机,今天,除了大量的柴油外,还有乙醇燃料、混合动力、纯电动以及天然气汽车。要注意的是,这些新型汽车的任何一种不可能独霸整个全球市场,也不可能都在竞争中幸存。

当我们着眼于电力、运输、工业、商业、住宅、农业等整体需求时,会发现过去半个世纪发展起来的,是能源的多样化,是对新的技术选择的探索和扩充。不同的国家,有不同的合适的能源使用方式。中国的小区与美国的Community相比,对于利用能源的最合适的方式就可能大不相同。中国北方的热电联供,对于北美的独立屋就可能不适合。这是能源利用方式的本地化。这种本地化不仅取决于国家的自然资源,而且还取决于国家的政治、财富和文化。能源利用方式与社会的结构、观点甚至身份认同紧密地交织在一起。

可持续发展是我们所有人都同意的目标。但是,不能教条地理解可持续发展。化石燃料和大规模电力系统不能被排除在未来的能源构成之外。把化石能源看成是未来经济发展道路上的阻碍,这是个非常严重的错误。煤炭、石油和天然气驱动着今天的世界,因此,他们必须促进所有其它能源选择的发展。今后的分布式能源,也会是多种能源方式共同给一栋或者所有的建筑物供电。光伏发电,尤其是分布式光伏发电,如果能够与其它能源方式结合以得到最大的能源转换效率,将是今后一个很重要的产业方向。

历史给出的一个教训在于,过度依赖和指望任何单一的燃料或技术都是不明智的。




责任编辑: 曹吉生