能源的未来

能源的数字化

如何能够在需要的时间和地点得到电力?

中国和印度等国家/地区的经济迅猛发展,意味着整个地球的能源消耗在 2030 年之前至少会增加 50%。巨大的增长中,相当一部分来自以前从来没有过电力供应的偏远地区。与此同时,我们一直依赖的电力传统能源正在变得越来越稀缺。所有这些因素加在一起,使我们比以往更迫切地需要新的能源以及传输电力的新方法。

形势刻不容缓,我们需要找到并最大化地利用可再生能源以及创新的电力储存方法,保证在没有阳光照射或风吹的时候仍然有电可用。智能电网对实现这一目标至关重要:它们使用软件、传感器、电子电表和互联网来管理信息,使电力供应和需求可得以更高效的处理,并在需要的时间和地点进行交付。

以下视频、文章和信息图介绍了能源行业在为世界提供电力的过程中正在经历的巨大转变。变化非常明显,并且涉及到我们生产、计量、销售、使用、控制、储存、交易和传输电力的每一个人。智能电网在这一过程中扮演什么角色?3DEXPERIENCE 平台如何帮助公司反思通过协作和创新更高效地生成和交付能源的方法?

我们正在进入太阳能时代吗?

2035 年,在阳光明媚的热带和酷热的沙漠地带,巨大的太阳能电池阵收集着太阳能源,产生电力并输送到无线电力传输无处不在的电网中。储存的能源非常充沛,能够在日落后的夜晚满足发电需求。

在数以百万计的家庭和办公室,廉价而高效的太阳能电池板和发电窗口在白天时间原地提供着更多较小规模的发电能力。人们驾驶的零排放汽车早在 2010 年代就已被 Audi、BMW、Toyota 和 Honda 开发出来,它们使用的氢燃料也是通过太阳能将废水分享成氢和氧而生成的。随着夜幕降临,人类抬头仰望星空中的点点闪亮,那是巨大的轨道太阳能电池阵太空中永不消失的阳光下日夜不停地采集着能量,并通过微波或激光束传回到巨大的地面接收器。

很神奇吧?这还远远不够。往回追溯,在面临气候变化威胁及易采矿物燃料枯竭之前,就已经出现了关于太阳能的创意(及其成为地球主要能量来源的潜力)。第一块太阳能电池早在 1883 年就已开发出来,在作家 Isaac Asimov 于 1941 年发表的小说《理由》中,就描述了一座太空站使用微波光束传回太阳能的场景。美国科学家 Peter Glaser 曾经在 1968 年草拟了一系列计划,准备将 Asimov 的梦想付诸实现,只是由于当时的技术限制而被迫束之高阁。

有人质疑全球太阳能应用,认为永远无法解决从阳光充足地区向不充足地区进行长距离传输的问题,或者需要储能解决方案才能在天黑之后继续发电,而现在的太阳能发电技术让这些批评者闭上了嘴。

例如,中国已经在建设高压输电线路,将电力从蓬勃发展的太阳能发电厂输送到广阔的地区。单单在 2015 年前三个月,这一亚洲大国的太阳能电网容量就增加了 5 千兆瓦,相当于某些欧洲大国(例如法国)的整个太阳能供电量。

已在全球得到广泛运用的储能解决方案成功展现了两种方法的有效性。一种是利用太阳能来形成熔盐,其保热性使其有能力整晚驱动电力涡轮机运转。同时,其他太阳能发电厂使用太阳光线来压缩气体,随后在晚上释放以转动涡轮机。

眼光向上

针对太阳落山后如何发电的疑问,更激进的答案是寻找一个太阳永不落山的地方,那就是太空。中国和日本都计划在 2030 年之前建立太空太阳能发电站 (SBSP),令之前的同类型项目变得相形见绌。“具有商业可行性的太空发电站非常巨大,太阳能电池板的总面积将达到 5 至 6 平方公里,”中国科学院的王希季解释说。

但是,为什么要在太空建立发电站呢?一项主要原因是为了在太空中更大程度地利用太阳辐射(由于地球大气层的反射和吸收,太阳能量损失超过了 60%),并且做到昼夜不停。“太空中的太阳能电池板单位面积发电量是地面电池板的十倍,”中国太空工程师段宝岩指出。

SBSP 面临着巨大的挑战,特别是需要确保超级精确的传输,以避免功率极大的徘徊射束对地球表面造成大面积损害。“在通过微波传输电力时,一个重大难题是如何将其精确地传输到地面上的接收地点。从 36,000 公里的高空将微波传输到直径 3 公里的平面上,其难度就像穿过针孔一样,”日本 JAXA 太空机构的 Yasuyuki Fukumuro 解释说。

日本的 Shimizu Corporation 提出了一项更加令人吃惊的 SBSP 替代方案,围绕月球的 11,000 公里赤道部署一条宽达 400 公里的太阳能电池带。该方案被称为“月神之环”,转瞬之间即可传回足以满足全球需求的能量。

其他挑战还包括太空恶劣环境下的系统维护,以及如何将 SBSP 站送入轨道。具有商业可行性的太空发电站重量可能超过 10,000 吨,而现在很少有火箭能够运载 100 吨以上的重量。

而建造 SBSP 站也同样面临巨大的挑战,其难度不亚于人类在上世纪六十年代的首次太空冒险。许多人曾经质疑过把人类带入太空的梦想,而应对这些挑战后积累的丰富技术和知识在现代社会中仍然在发挥着巨大作用。

地面控制

尽管 SBSP 站能够让技术突破极限,但真正的潜力还是在于地面技术的发展。即使经过大气层削弱,到达地球的太阳能仍然已经足够,满足人类几倍的电力需求还要有多。根据英国领先能源专家发布的 2015 年全球阿波多计划,太阳照射到地球表面的能量比人类当前的使用量多出了 5,000 倍。

此外,太阳能电力的价格多年以来正在稳步下降。太阳能电池板的成本已降至 25 年前的 1/20,同时效率正在不断提高。目前的硅基面板可以将大约 20% 照射到其上的阳光转换为电力,是以前面板的三倍;而基于砷化镓(比硅更好的导电体)等化合物的新面板必将实现进一步的改进。尽管太阳能电池板的终极效率由于各种因素(例如反射以及材料导电性而造成的能量损失)而存在固有限制(Shockley-Queisser 限制),但发展的步伐已势不可挡。

那么,为什么现在的全球电力需求只有 1% 是由太阳能来供应呢?根据全球阿波罗计划和 MIT 的 2015 年报告“太阳能的未来”所述,关键约束并不在于技术,而是很大程度上在于受矿物燃料行业巨头既得利益驱动的政治惰性以及缺乏合适的投资。他们介绍了庞大的全球补助金如何掩盖矿物燃料发电的真实成本,以及一次失败会如何导致增加环境和健康危害成本。

据全球性软件公司达索系统能源、加工和公共事业行业解决方案副总裁 Stéphane Declée 所说,另一个原因归结于“法律制定者、法规与技术参与者之间存在的差异”。

“我们的客户需要适应不断变化的法规和要求。通过使用我们的 3DEXPERIENCE 平台,太阳能公司可以向众多不同的利益相关者(从法规主管机构到投资人,从本地社区到媒体)展示其产品的可行性和安全性。”

据 Declée 所说,另一项挑战是“随着间歇性可再生能源(例如太阳能)份额的不断提高,发电能力无法始终满足客户的高需求”。Declée 解释说,该解决方案是为了开发出能更准确地控制需求的系统(例如智能电网),从而在间歇性供应与更灵活的需求之间实现更好的平衡,例如储存可再生能源的多余部分以供稍后使用。

现实示例

除了中国和日本等国家/地区正在运营的项目之外,许多公司都制定了创新型计划,以寻找更高效、更经济的方法来生产和储存能源。亚利桑那州巨大的 Solana 工厂就极好地展示了聚光太阳能发电 (CSP) 在支持太阳能未来发展方面的潜力。3,000 面巨大的镜子聚集沙漠上的阳光以形成特高温水蒸汽转动巨大的涡轮机,提供足以供应 70,000 户家庭的能量。更重要的是,Solana 拥有装满熔盐的巨大储罐,储存的热量足以在日落之后六小时内满负荷运转其涡轮机。到 2018 年,全球的 CSP 工厂数量预计将会奇迹般地翻番。

一次次小规模的技术跨越,也使太阳能的未来变得越来越光明。新的透明高分子太阳能电池 (PSC) 可以吸收红外线并让可见光穿过,从而为“太阳能窗区”发电领域打下了坚实的基础。“我们的 PSC 轻便、灵活,并且能够以低成本大量生产,”开发这些产品的 UCLA 团队领导人 Yang Yang 解释说,“太阳能窗区的想法足以改变游戏规则。”

在运输行业,游戏规则同样也在改变。2015 年,超轻型阳光动力号飞机完成了太阳能动力环球飞行,而越来越多的主流飞机制造商也更倾向于使用太阳能来制造氢燃料。使用太阳能氢燃料的电动汽车已在路面上奔跑,并且规模越来越庞大。德国 Fraunhofer 机构太阳能系统总监 Eicke Weber 就驾驶一辆这样的汽车,在太阳能供电氢泵上充电 5 分钟就能行驶 300 公里。

现有技术已经为太阳能的未来打下了坚实基础,太空站的出现也推动着我们最优秀的工程师们打破技术障碍、奔向太空。我们只需要调整政治和经济的优先级,让太阳能在未来的能源革命中发挥巨大潜力。

有了达索系统这样的公司帮助连点成线,更清晰地分享未来的无限可能性,关于太阳能发电的梦想也许很快就能变成现实。

视频、信息图和文章最早作为广告功能在 bbc.com 上发布,并由 BBC Advertising Commercial Production 团队与达索系统合作创建。