□作者: 肯•茨魏貝爾 詹姆斯•梅森 瓦西利斯•弗塞納基斯
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高壓直流輸電
將太陽能電力從美國西南地區輸往全國各地，需要建造一個新型高壓直流電力骨干輸送網。
太陽能電站的地理位置分布。顯然會不同于美國現有的電力供應分布圖。今天，燃煤、燃油、燃氣電站和核電站在美國版圖上星羅棋布，哪里有電力需求，哪里就會就近建造發電廠。而美國的太陽能電站大部分將集中在西南地區。現有的交流輸電線無法將電力從太陽能發電中心輸送到全國各地，而且在長途輸送中會損失太多能量。建造一個新型高壓直流電力骨干輸送網必不可少。
美國橡樹嶺國家實驗室的研究顯示，長距離高壓直流輸電線傳輸損失的能量，遠低于交流輸電線在相同距離上的損耗。這種骨干網將從西南地區向美國各地輻射。直流輸電線將在換流站(converter station)抵達終點，直流電在這里被轉換成交流電，再沿著現有的地區性輸電網絡傳送給消費者。
容量不夠是交流電輸送系統的又一不足之處，這已讓美國加利福尼亞州及其他地區飽受電力短缺之苦。相對而言，直流輸電線的架設成本更低，所需的佔地面積也比容量相當的交流輸電線更小。美國大約有800千米的高壓直流輸電線正在使用，事實證明它們不僅可靠，而且高效。這項技術似乎不存在技術難題，但更多的實踐經驗將有助于優化操作流程。美國得克薩斯州的西南聯合電力系統(Southwest Power P001）。正在設計把直流和交流傳輸結合起來的系統——有了這套系統。得克薩斯西部才有可能建造1,000萬千瓦的風力電站。泛加拿大公司 (TransCanada)則提議建造3,500千米的高壓直流輸電線，將蒙大拿州和懷俄明州南部的風能傳送到拉斯韋加斯，甚至更遠。
第一階段，從現在到2020年
到2020年，太陽能技術將完全依靠自身優勢參與競爭。
對于如何實施這項宏大的太陽能計劃，我們作了充分考慮。我們預期整個計劃會分為兩大階段。第一階段，從現在到2020年，使太陽能實現大規模量產，具有競爭力。這一階段需要政府提供30年的貸款，並同意購買電力、提供電價補貼。從201 1年到2020年，政府每年的資助金額將穩步上升。從2020年起，太陽能技術將完全依靠自身優勢參與競爭。累計資助總金額將達到4,200億美元(我們將在後文中介紹誰來為此埋單)。
到2020年，美國將建起8,400萬千瓦的光伏電站和聚光太陽能電站。與此同時，直流電力傳輸系統也將架設起來。它將沿著州際公路走廊現有的公共設施保留地擴展延伸，最大限度地減少土地征購和審批障礙。這條骨干輸送網向西將通往菲尼克斯、拉斯韋加斯、洛杉磯和聖迭戈。向東則通往聖安東尼奧、達拉斯、休斯敦、新奧爾良、亞拉巴馬州的伯明翰、佛羅里達州的坦帕和亞特蘭大，將太陽能電力輸送到各大電力市場。
在第一個5年里，每年建造150萬千瓦的光伏電站和150萬千瓦的聚光太陽能電站，將刺激許多廠商擴大規模。在下一個5年中，每種電站每年新增的裝機容量將提高到500萬千瓦，幫助各企業優化生產線。至此，太陽能電價將下跌到每度6美分。這張時間表的實施是有實例可循的︰從1972年到 1987年，美國每年都要建造超過500萬千瓦的核電站。此外，太陽能電站的建造速度將比常規電站迅速得多，因為它們設計簡單，環境和安全問題也相對較少。
到2050年，美國69％的電力和35％的能量將由太陽能電站提供
讓市場主要激勵機制的有效性一直保持到2020年，對于開啟隨後的自我持續性增長階段極為重要。在把計劃擴展到2050年時，我們采取了保守策略︰2020年以後的計劃中。我們不再考慮任何技術改進和成本降低我們還假設，美國能源需求會以每年1％的速度遞增。根據這些假設，到2050年，美國 69％的電力和35％的能量將由太陽能電站提供。這些電力足夠為3，44億輛充電式復合動力車提供動力，這些車將取代單純使用汽油的汽車。成為減輕進口原油依賴、降低溫室氣體排放的關鍵所在。太陽能計劃還將為美國人創造300萬個就業崗位。主要集中于太陽能零件制造業——這一數字將比到時候因化石燃料產業萎縮而失去的工作崗位多得多。
假設原油價格為60美元／桶(2007年的平均價格高于這一水平)，原油進口量的大幅下降，每年可以減少3,000億美元的貿易支付差額。太陽能電站一旦建成，就必須進行維修和養護，但陽光永遠是免費的，因此節省燃料的效益會年復一年地持續下去。此外，投資太陽能還能增強能源安全性，減少軍費開支等財政負擔。大大減少污染和全球變暖帶來的社會成本，改善從人類健康到海岸線及農場的生態惡化等多方面問題。
具有諷刺意味的是，宏大的太陽能計劃反而會將降低能量消耗。即使能源需求量每年遞增1％，能量消耗也將從2006年的10億億Btu降低到 2050年的9.3億億Btu。這種不升反降的異常現象之所以出現，是因為精煉和處理化石燃料的過程會消耗大量能量，而燃料燃燒和排放物控制又會耗費更多能量。
為了實現2050年的遠景目標，美國必須在12萬平方千米的土地上建造光伏電站和聚光太陽能電站。佔地面積雖然巨大。但只覆蓋了美國西南地區適宜土地的19％。這些土地大多相當貧瘠，沒有其他利用價值。而且建造太陽能電站也不會污染這些土地。到2050年，只有10％的太陽能電力來自于分散式光伏發電設備，它們將分布在全國各地的屋頂和商業地段。不過隨著價格的下跌，這些光伏電池將扮演越來越重要的角色。
2050年以後
到2100年，美國所有的電力供應和所消耗能量的90％，都將由可再生能源提供。
盡管不太可能精確規劃50年以後的遙遠未來。但是為了充分展示太陽能的潛力，我們還是設想了2100年的場景。按照我們的計劃，包含交通耗能在內的全國能量總需求，到那時將達到14億億Btu，發電裝機容量將是目前的7倍。
我們再一次采取了保守策略。在估算太陽能電站的發電容量時。我們采用了美國西南地區歷史上條件最差的太陽輻射數據。根據美國國家太陽輻射數據庫1961年到2005年的記錄，太陽輻射的最差紀錄出現在1982年∼1983年冬天，以及皮納圖博火山噴發後的1992年和1993年。而且我們假設，從2020年到2100年，沒有出現任何技術改進和成本降低。盡管在長達80年的持續研究中，太陽能轉換效率、成本和能量儲存方式沒有改進。幾乎是不可能的。
根據這些假設條件，美國將用以下方式滿足能量需求︰光伏電站產生的電力，29億千瓦直接並入電網，另外75億千瓦用于壓縮空氣儲能；聚光太陽能電站產生23億千瓦的電力；分散式光伏發電設備還將輸出13億千瓦的電力。除此之外，風力電站將提供10億千瓦電力，地熱電站提供2億千瓦，生物質燃料提供的能量相當于2.5億千瓦電力。這個模型中還包括5億千瓦地熱泵，直接給建築物加熱或者冷卻。所有的太陽能設備將佔地50.5萬平方千米，仍然小于美國西南地區適宜開發太陽能的土地面積。
到2100年，美國所有的電力供應和所消耗能量的90％，都將由可再生能源提供。在春季和夏季。太陽能基礎設施將生產足夠的氫，除了滿足 90％的交通燃料需求以外，還將取代在壓縮空氣渦輪中起到輔助作用的少量天然氣。此外，480億加侖的生物質燃料將補足余下10％的交通能量需求。與能量有關的二氧化碳排放量將比2005年減少92％。
誰來埋單
只須對每度電征收0.5美分碳稅。就可以籌臻到4,200億美元，把太陽能計劃變成實現。
我們的計劃並不要求人們在能源使用方面“節衣縮食”︰每年它都留出了1％的能量需求增長——如果能量的生產和使用效率能按照預期得到改善的話，這些能量足以維持我們所習慣的日常生活。或許最大的問題在于，徹底改造能源基礎設施需要4,200億美元。如此巨額的賬單應該由誰來支付。碳稅是最常見的辦法。國際能源機構建議，為了促使電力行業采用碳捕集封存技術，減少二氧化碳排放量，必須對每噸煤征收40∼90美元的碳稅。這樣的碳稅相當于電價上漲每度1∼2美分。相對而言，我們的計劃更加便宜。只須對每度電征收0.5美分碳稅。就可以籌集4,200億美元。美國目前的電價通常為每度6∼10美分，在此基礎上增加0.5美分似乎是可以接受的。
為了建立這套財政激勵機制，美國國會可以施行一個全國性可再生能源計劃。該計劃應該參考美國農產品價格支持計劃(FarmPrice Support)——就國家安全而言，後者已被證明是正確的，制訂類似的太陽能價格支持計劃，將確保美國未來的能源安全。太陽能補貼將從201 1年到2020年逐年發放。高壓直流電力傳輸公司可以不必得到補貼，因為它們可以像今天出資建造交流輸電線一樣，出資建造直流輸電線和換流站，通過輸送電力賺取收入。
盡管4,200億美元數額巨大，但每年的開銷並不比目前正在實施的美國農產品價格支持計劃高。這一總數額也比不上過去35年來，美國為建設全國高速通信基礎設施而減免的稅收補貼金額。此外，太陽能計劃還能使美國從國際能源戰爭引發的政策和財政困境中擺脫出來。
如果沒有補貼，宏大的太陽能計劃就不可能實現。其他國家已經展開了類似行動︰日本正在建設由政府補貼的大型太陽能基礎設施。德國也在著手實施一項全國性太陽能計劃。
雖然投資巨大，但是作為能源的陽光是免費的，這一點同樣重要。太陽能電站不像燃煤、燃油或核電站那樣，每年需要支出燃料成本或者污染控制成本，只有空氣壓縮系統需要使用少量天然氣，而且這些天然氣也可以用氫或生物質燃料代替。如果把節省下來的燃料計算在內，未來幾十年內太陽能的成本將變得相當便宜。但是，我們不能等到那個時候再開始擴大規模。
批評方提出了其他一些問題，比如原材料緊缺是否會限制大規模生產。隨著太陽能電站的迅速建造，短期原材料短缺有可能出現。但是現有的多種光伏電池，可以用不同的原材料制作。更好的加工和回收技術，同樣可以減少光伏電池所需的原材料。從長遠的角度來看，廢舊太陽能電池大都可以回收制成新電池，我們的能源供應方式也將從不可再生燃料，全面轉向可以回收的材料。
要想實現可再生能源系統，我們面臨的最大障礙，既不是技術，也不是金錢，而是公眾對太陽能技術的一無所知︰他們不知道太陽能是一種切實可行的替代能源。也不知道太陽能可以為交通工具提供動力。高瞻遠矚的思想家應該努力激發公眾和政治、科學領袖，讓他們認識到太陽能發電令人難以置信的潛力。我們相信，一旦人們了解了上述事實，對能源獨立的渴望和對削減碳排放的需求，將促使他們采納這個宏大的太陽能計劃。
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