第一情报 ---能源与环境

美国能源部剖析4项清洁能源技术的市场化前景

供稿人:董瑞青  供稿时间:2013-10-24   关键字:清洁能源  陆上风电  多晶硅光伏组件  LED照明  电动汽车  DOE    
在过去四年里,美国清洁能源的未来已经引起巨大的关注。很多证据表明,美国能源体系正在经历一个转型。2013年9月17日,美国能源部发布的最新研究报告《革命在当下——4项清洁能源技术的未来》(Revolution Now:The Future Arrives for Four Clean Energy Technologies)将重点突出这些变化,并显示如何降低成本和改进产品。该报告主要侧重于4项技术革命,即陆上风电(Onshore Wind Power)、多晶硅光伏组件(Polysilicon Photovoltaic Modules)、LED照明(LED Lighting)及电动汽车(EV)。虽然目前这四项技术的市场规模仍然较小,但在未来四年内将迅速增长。在过去几十年,美国能源部通过研究、开发、示范和部署等方面的投资,推动了清洁能源技术的快速发展。如,美国联邦政府通过对页岩气和新型钻井技术23年(1980-2002年)的持续激励和支持,有力推动了美国“页岩气”革命的发生。同样如此,今天,美国联邦政府有时间限制的部分税收抵免政策,以支持风能、太阳能和电动汽车的研究和开发工作,也将推动这些新兴市场规模的不断扩张。目前,本报告中的4项技术已经成功地跨越了“死亡之谷”,即企业家通常所说的研究和大规模部署之间的差距,并进入了一个新兴的清洁技术消费市场。本报告中的一些特定技术亮点包括:
 
一是陆上风电。风力发电已经成为美国零碳、零污染能源的最佳选择之一。事实上,2012年,风电已经成为美国新增发电量的最大来源,约占美国额定新增发电量(Nameplate Capacity Additions)的43%,超过天然气发电成为美国新增发电量的主要来源。在此之前,风电在美国新增发电量的比重一直徘徊在25%-43%之间。
 
二是住宅用太阳能。太阳能电池板价格的下降,已经使,太阳能发电成为更多的美国家庭和小企业更容易实现的选择。2012年,美国屋顶太阳能电池板的成本约为35年前的1%,从而使其安装数量急剧增长。
 
三是LED照明。LED(发光二极管)灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右,寿命长25倍。在其生命周期内,一个价值15美元的LED灯将比白炽灯节省超过140美元的电费。
 
四是电动汽车。美国拥有世界上领先的电动汽车市场。2012年,美国的电动汽车市场规模扩大了三倍,并在2013年上半年增长了1倍多。较高的消费者满意度和动力电池成本的下降,推动了美国电动汽车市场的快速扩张。数据显示,在过去的四年里,美国电动汽车电池成本已经下降了50%以上。
一、陆上风电(Land-Based Wind Power)
(一)风电部署呈现陡崖式增长(Steep Upward Climb)
今天,美国风能发电能力相当于大约60%的大型核反应堆。美国风电作为第一个非水电可再生能源,与传统能源形式(如煤炭、天然气及核能)的规模已经趋于等同。美国风电发展取得的成功得益于政府和私营部门数十年的研发资金推动。从技术的角度来看,美国风电发展取得成功的关键要素主要有三方面:首先是风电涡轮机额定容量的不断提高。在过去30年,风力发电机的发电能力逐步提高,这有助于降低成本。事实上,自1999年以来,风电涡轮机的平均发电能力已经增加了约260%;其次是生产规模的不断扩大。与许多行业一样,风电产业生产规模的增加往往能有效降低成本;最后是风电场运营商在理解和适应动态风模式方面经验更加丰富。这有助于驱动“能力因子”(Capacity Factor)或涡轮机发电的时间百分比。此外,美国联邦政府的税收抵免政策(在风力涡轮机发电的前10年运作中支付额外的2.3美分/千瓦时)对风电部署也起到了极为重要的激励作用。
(二)暴涨的需求,价格呈现下滑趋势
自2008年年初以来,美国风电装机容量增加了两倍多。尽管在2001-2009年之间,美国风能的发电成本呈现上涨趋势,但是长期看来,风电成本仍然是下降的。数据显示,在一个具有同级别风力资源的地区安装相同大小的风电涡轮机的成本,已经逐步下降。为了弥补较低的风速,许多风电涡轮机制造商开始生产具有更大叶片的涡轮机,以捕获更多的风能。这些更大的叶片都比较昂贵,这就显著拉升了2004-2008年美国风力发电的成本。但由于大宗商品(如钢铁和石油)价格已经回落,美国新增风电的平均成本也开始下降,风电涡轮机的部署已经暴涨。2012年,美国风电新增装机容量创下新的记录,高达13.1GW(1GW=1000MW),风电产业投资额为250亿美元;美国风电装置安装量比2011年高出90%,比2009年高出30%以上;美国风电累计装机容量达到60GW,同比增长28%;风电成为美国新增发电量的最大来源,约占美国额定新增发电量(Nameplate Capacity Additions)的43%,超过天然气发电成为美国新增发电量的主要来源(见图1)。
 
图1  1980-2012年美国风力发电成本及累计装机容量
数据来源:Revolution NowThe Future Arrives for Four Clean Energy Technologies.
(三)风电发展的未来
风能仍然是美国低成本、零碳排放、无污染可再生能源的最佳选择之一。今天,美国陆上及海上风电的潜力大约是140夸特能源(约为48.72亿吨标准煤),或者是美国今天电力消费量的10倍左右。风能是100%的可再生能源,因此它永远都不会消耗殆尽。目前,美国风电产业界正在努力从一些风力资源丰富的地区到人口最稠密的地区建设新的输电线路,以保持风电产业的积极增长。这也包括建设海上风电场——稳定的海风有着巨大的风力发电潜力。随着持续的技术进步和政策支持,美国能源部预计,到2030年,美国的风力发电可满足美国电力需求的20%。
二、太阳能光伏发电(Solar PV)
(一)一个世代交替(Generational Shift)
尽管太阳能的能源潜力是出于实用的目的,但是太阳能转换成可用电能的成本却阻止了太阳能的迅速发展。但是今天,我们处在太阳能发展的世代交替之中。太阳能发电成本的持续下降意味着太阳能无限的光能也逐步进入美国普通家庭或企业之中。这种转变主要得益于过去5年来太阳能光伏组件价格的下降。如今,太阳能光伏发电价格已经接近美国各地区天然气、煤炭和石油的发电价格。
(二)便宜99%
2012年,美国屋顶太阳能电池板的成本约为35年前的1%。自2008年以来,美国太阳能发电累计装机容量已经上升了约10倍——从735MW上升到7200MW。与此同时,美国太阳能光伏电池组件的平均成本也从3.40美元/瓦特降低到0.80美元/瓦特,这也促成了美国太阳能产业的迅速发展(见图2)。虽然美国太阳能光伏电池组件成本的下降部分是由于全球光伏市场的供大于求,但是也有相当一部分原因是技术的进步和规模经济的增长。从历史上看,太阳能光伏制造行业的产能提高1倍,光伏价格下降约20%。随着越来越多的太阳能电池板的生产和部署,未来太阳能发电成本将持续下降。美国联邦政府的投资税收抵免(等同于屋顶光伏系统成本的30%)也将进一步推动太阳能发电成本的下降。美国的太阳能部署,与欧盟、日本、中国和其他国家一样,地方的优惠政策也有助于逐步推动太阳能电池组件制造成本的下降。
 
图2  2008-2012年美国太阳能光伏电池组件成本及光伏发电累计装机容量
数据来源:Revolution NowThe Future Arrives for Four Clean Energy Technologies.
(三)一个光明的未来
安装一个太阳能光伏发电系统的成本,不仅包括光伏组件的实际价格,也包括被业内称之为“软成本的”许可和安装成本。目前,美国安装屋顶太阳能电池板的软成本约为3.34美元/瓦特,而德国仅为0.62美元/瓦特,美国比德国高出5倍多。今天,美国人越来越多地使用太阳能,这使得他们可以自己生产成本低、安全性高的电力。目前的趋势表明,美国太阳能产业发展具有非常光明的未来。
三、LED照明(LED Lighting)
(一)充足的光照,但没有太多的热量
关于发光二极管(LED)照明的争议很容易得到解决:它们提供了充足的光照,但没有太多的热量。目前,一个白炽灯产生光的方式跟100年前爱迪生所发明的灯泡完全相同:加热钨丝直至其温度超过400华氏度,并在这个过程中产生光。然而,一个白炽灯约90%的能量实际上转化为热能,而不是可见光——这就是为什么我们在换灯泡时,往往会烫伤手指。因此,在能源使用方面,我们从白炽灯中得到的可见光仅仅只是一种热的副产品。LED照明在翻转这个方程中发挥得淋漓尽致。正因为如此,一个标准的60瓦白炽灯泡可以被一个9瓦的LED灯所替换。尽管目前LED灯成本要比白炽灯高,但是却比白炽灯寿命高25倍(普通白炽灯寿命为1000小时,而LED灯高达25000小时)。对于许多商业设施来说,LED照明的优势已经不仅仅局限于节约能源。因为LED灯具有长寿命,故并不需要频繁更换。但这对于白炽灯来说,由于其寿命较短,故经常需要更换。在许多商业设施,更换照明灯往往是一件麻烦事,甚至是危险的事情。LED照明在一个时尚、优雅、高效包装形式下很轻松地解决了这个问题。
(二)更多的选择,更低的成本
在过去的5年里,LED灯泡价格的下降已经改变了照明产业的发展局势。直到最近,安装LED照明对美国普通家庭来说似乎并不是一个聪明的主意。它们是不是真的强大到足以取代标准的白炽灯泡,即使在2012年,安装一个LED灯也许将花费50美元。LED灯的这个价格,注定仍然是一个明显的“利基(Niche)产品”。但是,今天的LED灯具有更好的色彩质量,并且许多成本不到15美元。这是许多想要减少照明花费或者不想经常更换灯泡的美国普通家庭的最佳选择。2009年,全美国安装的LED数量少于40万盏,但到2013年,已经增长超过50倍,累计安装量超过2000万盏(见图3)。
(三)一个坚实的投资
十年多来,美国能源部一直持续支持LED照明的研究和开发工作。在美国复兴法案中,美国能源部也在制造方面做出重大投资,这有助于降低LED的价格。今天,美国正站在这些年的投资能否获得丰厚回报的边缘。美国能源部能源效率与可再生能源办公室指出,到2030年,LED照明将为美国人节省超过300亿美元的电力成本,削减美国照明能源消耗的一半。随着价格的不断下降,LED照明产品将变得更具竞争力,更具吸引力。这意味着减少碳污染,降低能源消耗,并确保美国未来的能源安全。
 
图3  2008-2012年美国LED照明成本及LED灯累计安装量
数据来源:Revolution NowThe Future Arrives for Four Clean Energy Technologies.
四、电动汽车(Electric Vehicles)
(一)加快部署
在过去5年里,美国联邦政府和产业界携手合作,通过资助电动汽车动力电池的研发,并通过税收等优惠政策促进消费者购买,已经显著降低了电动汽车成本。今天,这个数字是明确的:越来越多的司机放弃燃油汽车,而购买可以家庭充电的、使用方便的电动汽车。
(二)云端竞赛(A Race to the Clouds)
2010年之前,美国电动汽车的需求几乎是空白的。但是在2012年,美国人购买了超过5万辆的插电式电动汽车(见图4)。在2013年上半年,美国人电动汽车购买数量与去年同期相比翻了一番。保持美国电动汽车发展势头的关键是降低电池的成本。美国能源部电动汽车电池制造成本的模型表明,在过去的四年里,高容量电动汽车电池的成本已经下降了50%以上。当电池的实际生产成本与产业密切相关时,商用电动汽车的价格下降也在所难免。这些成本降低可归因于一些因素。所谓的“流程改进”(Process Improvements),即通过消除浪费材料、资金和时间,提高生产效率,是一个关键的因素。其次,更高的产量,这有助于缓冲用于建立电池装配生产线和机器人的资本成本昂贵的设施,也是一个关键因素。最后,电动汽车制造商在电池中集成各种新材料以减少成本和增加能量密度。今天,电动汽车电池已经被大量大专院校、科研实验室、企业和政府部门所关注。正因为如此,我们预期电动汽车电池的成本将继续进一步下降。
 
图4  2008-2012年美国电动汽车电池成本及插电式电动汽车累计销售量
数据来源:Revolution NowThe Future Arrives for Four Clean Energy Technologies.
(三)未来之路
从一定意义上来说,电动汽车与传统汽车相比已经初具竞争力。如,雪佛兰沃蓝达(Volt)电动汽车在第二次消费者满意度调查中击败其他所有的车型,位居榜首。此外,插电式电动汽车已经赢得了众多好评和奖项,如2011年世界年度汽车(日产Leaf),2013年《Motor Trend》年度汽车(特斯拉Model S),2012年绿色汽车视角奖(福特C-MAX)等。未来一段时期,进一步降低电动汽车电池的成本,将使更多的美国人能以廉价的费用购买到电动汽车。一些私营机构分析指出,到2020年,美国电动汽车电池的成本将降低到200美元/千瓦时,这是一个相对清晰的技术路径。目前,政府部门和产业界、学术界正携手合作,朝着更积极的目标前进:到2022年,电动汽车电池成本降低到125美元/千瓦时。如果到2022年实现这一目标,美国消费者购买一辆行驶里程280英里电动汽车的成本将与普通燃油汽车一致。全世界的汽车制造商正在争相狂热地设计和部署电动汽车的未来。今天,美国正在领导着这一场比赛。
五、结论(Conclusion)
由于这些和其他清洁能源行业的不断扩大,将改变美国能源部门所面临的挑战和机遇。公用事业部门已经开始怀疑,在提高能源效率和日益便宜的屋顶太阳能发电面前,他们将如何支持当前的业务模式。由于电动汽车发展正日益成为主流,美国将投资建设一个更智能、更强大的电网以及电动汽车充电站的广泛网络。事实上,电动汽车、太阳能光伏、风力发电和LED照明,将使我们的经济发展驶上更好的轨道。它们将清洁我们的城市空气,减少美国能源供给的不稳定性,国际石油市场的脆弱性,并有助于建立一个更具竞争力、更高效的美国经济。美国能源部的目标是通过提供性能目标、研发支持、对消费者进行教育和有针对性的购买支持,鼓励电动汽车、太阳能光伏、风力发电和LED照明的健康快速发展。
 
参考资料:
“Revolution Now:The Future Arrives for Four Clean Energy Technologies”,U.S.Department of Energy,September,17,2013.

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