可再生能源 – 未来的能源

可再生能源是什么?它相比化石燃料具有哪些优势?

随着世界人口的不断增长和工业的不断发展,能源需求也在不断上升。但煤炭和石油等化石燃料却是有限的,因此世界亟需取之不尽、用之不竭的替代能源,如水能、太阳能风能、生物质和地热能。以这些能源作为动力来源的电厂和系统不产生温室气体或污染物,不会危害环境和人体健康。

可再生能源还有许多其他优势:如可以减少德国对进口化石燃料的依赖,节省能源开支,同时避免卷入资源冲突。此外,围绕替代能源的高科技产业也在不断兴起,带来更多的就业机会。据德国联邦经济事务部的一项研究显示:2016年,可再生能源行业的就业人数为33.86万人,其中风电领域占16.02万人(德国)。


国际可再生能源署(IRENA)预计,2018年全球可再生能源领域的就业人数达到了1100万人,比2017年增加7%。其中光伏产业的就业人数最多,达到约330万人。

可再生能源包括哪些?

可再生能源可被分为五种不同的类型:太阳能、风能、水能、生物质和地热能。

太阳能和光伏

太阳在不断向地球辐射巨大的能量。从理论层面来说,太阳在一小时内辐射的能量足以满足整个地球一年的用电需求。因此,遍布世界各地屋顶和其他开放空间的光伏模块,是一种极具吸引力的解决方案。他们能够通过硅半导体把太阳光转化成电能。此外,光伏模块也可以把太阳能转化为热能,如太阳能集热器利用太阳光给油或水加热,热水再被用于供暖。全球最大的太阳能发电厂是中国的龙羊峡大坝光伏电站,该发电站由400多万块电池板组成,装机容量约为850 MW,足够14万户家庭用电。

根据德国联邦环境署的数据,2018年,德国光伏电厂的发电量达到46.2太瓦时(TWh),占可再生能源发电总量的11%,足够120多万户家庭用电。太阳能集热系统还能制造8.9 TWh的热能。

风能

风力发电机在德国随处可见。风力带动叶片旋转,发电机将动能转化成电能,就像自行车发电机一样。

2018年,德国风力发电量总计达到111.6 TWh,占可再生能源发电总量的26%。全球最大的风力发电机位于德国斯图加特附近的 Gaildorf。这个庞然大物高度达到246.5米,输出功率达到3.4兆瓦( MW)。

水电

流动的水也能产生能量。水力发电厂将涡轮机安装在河流中或水坝壁上,通过水流推动涡轮机轮毂旋转发电。世界上最大的水力发电站是中国的三峡大坝,其高达185米,长达2309米,输出功率达22.5吉瓦(GW)。

水力发电在德国能源结构中所占比重相对较小。2018年,水力发电厂的总发电量为16.5 TWh,占可再生能源发电总量的4%。而邻国挪威则不同,挪威由于有许多河流、湖泊和瀑布,所以水力发电占主导地位,占总发电量的96%以上。

生物质

其它可用于发电的资源包括植物和动物的排泄物。这些生物质在锅炉中燃烧时,可释放出热量,然后再用这些热量给水加热。产生的蒸汽驱动涡轮发电机发电,就像传统的燃煤发电厂一样。

生物质发电厂如果同时利用余热供热,就能达到最佳效率。全球最大的生物质发电厂位于波兰南部的 Polaniece,其输出功率高达200 MW。

2018年,德国生物质发电厂的发电量为51.3 TWh,占该国能源结构的12%。但它们还制造出147.3 TWh的热能。总体而言,生物质占可再生能源产热总量的34%。

地热能

在我们脚下的地球其实处于沸腾的状态。每往地下100米,地球的温度就会升高3摄氏度,而在靠近前火山活动中心的 Swabian Jura, 温度甚至可以达到每100米升高10摄氏度。这些热量其实可以用来发电。地热发电厂里的巨型钻机可以深入地面以下数百米处,通过水泵将水输送到炽热的地球内部,相对较冷的流体在此被转化为蒸汽,蒸汽再驱动涡轮发电机发电。

与生物质发电厂相比,地热发电厂在德国的作用较小。2018年,地热发电厂制造出约0.2 TWh的电能,以及14.7 TWh的地热能和环境热量。

如何储存可再生能源?

然而,可再生能源也面临着挑战:艳阳高照不可能日日出现,风力也不可能一成不变。因此,我们应该在能源产量高时进行储能。但如何储能呢?

电能储存装置

  • 源自可再生能源的电能可以储存在电池和超级电容器中,但目前还不可能实现大规模地储存。
  • 还可以选择将电能转化为天然气:电解厂利用多余的电力将水分解成氧和氢这两种化学成分。氢可以作为一种能源储存起来。在回收阶段,燃料电池再将氢的化学能转化为电能。

天然储能设施

  • 水库:可再生能源产生的多余电力可以用来驱动水泵,将水输送到地势较高的水库。水流返回到起始点时,流经涡轮发电机,使能量得以回收。
  • 其它储存方式:压缩机利用多余的电能将空气泵入地下压缩空气储气库——海底下面的盐穴或岩层。想要回收能量时,压缩空气再被注入驱动发电机的涡轮机。

德国的可再生能源发展概况

根据德国《2050年气候行动计划》,到2050年,德国的主要发电方式必须实现温室气体零排放。政策制定者已确定能够达成该目标的路线图。到2025年,可再生能源发电比重将达到45%。因此,德国《可再生能源法》(EEG)要求电网运营商必须让可再生能源发电厂实现大部分并网。

德国目前已取得多大的进步呢?2018年,由可再生能源制造出的能量总计达到428 TWh。其中,53%属于电能,热能约占40% (171 TWh),交通运输用能约占7% (32 TWh)。

这意味着,德国37.8%的电能和13.9%的热能都来自于可再生能源。该国因此减排了1.84亿吨二氧化碳。在2018年1月28日这一天,德国81%的用电都来自于绿色能源。

世界各地的可再生能源发展概况

世界各地也在加大可再生能源的使用比例。根据国际可再生能源署(IRENA)的数据,截至2018年底,全球的可再生能源发电量达到2351 GW,占全球装机容量的三分之一左右。其中,水力发电所占比重最大(1,172 GW),其次是风能(564千瓦)和太阳能(480千瓦)。

相比上一年,可再生能源发电量增长7.9%或171 GW。增幅最大的是大洋洲(17.7%),其次是亚洲(11.4%)和非洲(8.4%) 。

未来可能新增哪些可再生能源?

研究人员还在研究更多的可再生能源。美国公司Solaren计划在太空建造太阳能发电厂,希望更加高效地收集太阳能。此外,浮式太阳能发电厂也是一种选择。它们通过冷水来冷却太阳能电池板,以实现更高的效率。英格兰 North Devon 海岸附近的一家试点电厂可以利用涡轮机将潮汐能转化成电能。

瑞典也在进行大胆的尝试。科学家们计划给斯德哥尔摩一栋高楼( Söder Torn)的外墙裹上一层毛茸茸的外衣,它由数百万根细小的毛发组成,这些毛发的内核是由压电材料打造而成。毛发随风而动时就能产生电能。因此,可再生能源的未来是令人振奋的。

更多主题