从煤到核及以后:能源的过去和未来

世界各地的公用事业都有几种主要能源来发电:煤炭,天然气,水力,核,风和太阳能。这些来源的可取性已经改变

世界各地的公用事业都有几种主要能源来发电:煤炭,天然气,水力,核,风和太阳能。这些来源的可取性发生了几十年的变化。他们每个人的未来有什么影响?

煤炭

有一个历史悠久的血统,其发电量可以追溯到曼哈顿爱迪生的珍珠街车站和伦敦的Holborn高架桥站,两者都于1882年开始运营。在电力的早期,煤炭很有意义。在1800年代后期,在核电或太阳能光伏之前,没有多少发电的选择,但是由于蒸汽机车和爆炸炉在过去几十年中的发展和发展,煤炭的供应量很大。煤炭易于运输,具有高能密度,这是一个好的燃料。

在最近的时候,随着新技术和不断变化的优先事项将电力公司和独立发电机远离煤炭,煤炭似乎正在发展蒸汽机车。由于美国被称为“沙特阿拉伯的煤炭”,这确实对美国的能源独立造成了打击,其中超过25%的煤炭储备。las,如今,这是一个艰难的销售,因为煤产生的是天然气碳的两倍,以及不同水平的颗粒和酸雨。清洁煤技术(煤炭洗涤,烟气清洗,隔离)减少了这些污染物,但煤仍然是发电方法中最肮脏的。新的EPA对温室气体排放的要求继续提高资本成本和运营成本。美国目前的煤炭电力电力成本为112美元/兆瓦,相对于大多数其他发电方法而言,这价格昂贵。

煤炭发电的灭亡正在全球以不同的速度发生。这一趋势是由美国领导的,在过去的15年中,煤炭份额从50%下降到19%。这主要是由美国天然气压裂的引人入胜的经济学驱动的。几乎没有天然气压裂的欧洲也看到其煤炭发电市场份额从30%下降到18%。欧洲风和太阳能正在拿出份额。随着其他一代方法的上升,中国经常被指定为一种严重的空气污染物,但煤炭的发电从2007年的80%下降到当前水平的60% – 水力,风,太阳能,核和天然气。印度的使用也减少了煤炭的使用,尽管下降很小,从76%的份额下降到过去五年中的71%,也许反映了其可观的煤炭储备。

在全球趋势中,中国的邻国是南部的邻国 – 越南,柬埔寨,马来西亚,印度尼西亚和菲律宾 – 煤炭发电的份额已从2007年的大约20%增加到2021年。中国的皮带和道路倡议是一项全球基础设施发展战略,中国参与了数十个较小发达国家的大约240个燃煤电厂。这些工厂中的电力成本可能远低于美国$ 112/MWH的水平,这反映了不同的结构,安全性和环境标准。中国在2021年公开表示,它不再考虑具有高污染和高能消耗的项目,例如煤矿开采和煤炭发电站。尽管新的中国带和公路燃煤电厂不太可能过早退休,但世界其他地区的煤炭产生市场份额可能会继续下降。Source:我们的Datanatatural Gas中的世界

与煤炭不同,天然气需要满足燃料供应需求的管道基础设施。结果,天然气是后期的进入者,是发电的燃料。天然气发电的一代于1940年到达欧洲,并于1960年在北美到达。天然气是一种非常引人注目的燃料选择。它是碳氢化合物中最轻的,因此比石油或煤炭燃烧更干净,碳排放量更少。

由于水力压裂或压裂,在过去20年中,美国的天然气产量大约翻了一番。新的钻井技术裂缝使用高压液注射,导致岩石中有新的通道,然后释放先前被困的气体。压裂是有争议的。反对者担心地下水安全,地震风险,甲烷泄漏和噪音。在美国和加拿大省的少数州禁止压裂。在欧盟(包括大多数规模国家)中,压裂更为普遍。压裂的支持者突出了获得重要的新储量的机会,并能够用清洁的天然气厂替换肮脏的煤炭。压裂的繁荣和枢轴是天然气发电的一代,主要是美国现象。在过去的20年中,美国的天然气发电从总发电量的16%上升到今天的40%。根据Lazard的说法,美国使用天然气的电力成本是合理的$ 80/MWH,或者根据IEA的说法非常引人注目的$ 45/MWH。但是,只有少数几个国家看到天然气发电的一代有意义地增加了 – 澳大利亚和尼日利亚就是例子。相比之下,欧洲的天然气发电一代从二十年前的总生成几乎没有达到今天的19%。

天然气发电的生长与压裂的渗透直接相关,由于三个原因,压裂渗透率可能很低:(1)该国可能像欧盟大多数国家一样禁止压裂; (2)该国可能几乎没有像新加坡这样的天然气储量;或(3)该国的天然气可能过多,这限制了像卡塔尔这样的压裂技术的实用性。自然气体发电的一代可能会继续逐渐增加其能源混合的份额,但以煤为基础的代价,但进一步的增长不太可能来自美国或欧洲。中国带和公路燃煤电厂最终可能是候选人,以替代天然气发电的一代,但是鉴于这些燃煤电厂的年龄,这种枢轴并不是迫在眉睫。天然气发电的产生可能会看到希望消除所有碳氢化合物作为燃料来源的环境群体的压力。在过去的几年中,尽管目前尚未发生任何正式的法规/立法,但在加利福尼亚和纽约州的州碳氢化合物淘汰建议一直在讨论。

水电

利用水的力量是古老的传统。人类使用水轮来研磨小麦,抛光石材和切木。对于发电,水力发电和煤炭的年份具有相同的年份,其历史可追溯至1880年。在抑郁症时代的政府大坝建设期间,水电在美国看到了最大的收益,因为对公用事业控股公司崩溃的反应。

水力发电似乎可以提供很多东西:没有碳排放,没有放射性废物,完全可再生,并且可以将电力“存储”为水坝后面的水。但是这些好处是抵消成本。大坝可以使人们从家里和具有历史重要性的洪水地点移位。环境影响很严重,影响鱼类种群和迁移模式以及河水中的动植物。大坝可以触发滑坡和地震。在大多数成熟的经济体中,新的大坝建设根本没有发生。环境影响太大了。但是,一旦建造了大坝,损坏就会成为不可逆转的沉没成本,因此不会下降。好处太大了,无法放弃。大坝就像没有头的指甲一样 – 一旦进入,就永远不会出来。鉴于多年来没有新的水坝,水力发电的电力成本不容易获得。尽管如此,能源信息局(EIA)在廉价的汽油发电公司和更昂贵的燃煤发电的LCOE之间的估计幅度约为一半。水力发电没有燃料成本,因此LCOE的大部分是前期施工成本,而不是运营成本。北美以外的LCOE可能较低,尤其是在正在建设新水坝的地区等地区。

美国水电的产生仅是美国总能源混合物的7%,这一数字已经数十年不变。欧洲水力发电的产生是组合的16%,数十年来也没有变化。加拿大的水力发电在60%的混合物中相对较高,但近几十年来却没有变化。在过去的20年中,全球大多数新的水力发电建设都在中国。其中包括备受瞩目的三峡谷大坝(世界上最大的电站,生产22,500兆瓦,并于2012年完成)和至少二十二个新的大型大坝。尽管所有这些新投资,但水力发电仍在中国一代的18%中,大部分与十年前没有变化,因为中国其他形式的权力也以快速的剪辑增长。在很少有国家中,水力发电在发电中增加或减少了一代混合的份额,这种趋势似乎可能会继续下去。

过去60年中,美国在美国其他地区的核电经验并不统一。在广泛的水平上,核能在过去几十年中在世界能源组合中的份额中造成了非常适中的损失。核电约占美国发电的20%,全球约10%。日本2011年的福岛Daiichi核电灾难加速了全球核电的明显灭亡,尽管大多数核电站关闭仅在两个国家,即日本和德国。近年来,这些关闭已被中国,俄罗斯,印度和韩国的新核电站所抵消。西部以外的核电的吸引是其零碳足迹,非常高的能量密度和更合理的电平成本。核电不涉及燃烧碳氢化合物,因此发电不会使碳释放到大气中。但这并不意味着核能是环保的。核废料是放射性的。高水平废物的放射性返回最初开采的矿石的放射性需要1,000至10,000年。相比之下,大气中的碳过多需要300-1,000年的时间才能消散。诸如三英里岛,切尔诺贝利和福岛这样的核事故也对环境构成风险,尽管总体核电安全记录仍然比煤炭和天然气的产生相对较好。像任何形式的一代一样,核能都涉及权衡。

公开的核电电位水平成本的估计值通常很高,尽管Lazard数字和IEA数字之间存在很大差异。同样,LCOE是一个艰难的计算,随着时间的流逝和整个司法管辖区的变化很大。目前,美国只有一个正在建设的核电站(Vogtle单位3和4)。 2022年完成的建设成本预计约为280亿美元,大约2,400兆瓦的发电产能,即每千瓦的生成11,670美元。那很昂贵。 Vogtle的价格是田纳西谷的Watts Barr核电站的两倍以上,该电站于2016年以4,000美元/kW的价格上线。瓦特酒吧(Watts Bar)比亚洲的平均核能资本成本高出约50%,价格仅为2,600美元/kW。为什么核电在美国,尤其是Vogtle呢?核电支持者经常批评美国的核工业,这遭受了缺乏标准化的困扰。具有较大核工业的国家,例如法国和韩国,倾向于围绕标准设计和操作程序结合,从而增加规模经济并允许共同的学习平台。韩国标准核电站(KSNP)在每个新的核电站上都有持续的向下成本曲线,就像当今的太阳能和风力发电一样。这是美国核电的相反经验,在这里,每种新工厂似乎都需要重新发明和重新设计。

监管规则和期望很可能是美国公用事业公司的另一个因素提升成本是在成本报销时支付的,因此有积极的抑制以降低公用事业领导力的成本。监管机构的任务是最大程度地减少六个成功标准的电力成本的负担 – 安全性,可靠性,弹性,可持续性,可及性和负担能力。但是,当监管机构的雇主(即沃格尔(Vogtle)的总督或奥巴马总统)承诺以高LCOE,真实或感知到的选择时,预算谈判和替代方案的余地更少。应该预期成本超支。对于未来的核电项目来说,这将增加LCOE,真实和感知到的螺旋形成。尽管有少数有趣的新技术具有较小的足迹和第三代/第四代设计,但这些技术似乎不太可能在没有催化剂的情况下看到广泛的接受度,无法克服该行业的鸡或埃格阶段经济性问题。在西部以外,由于较低的水平成本,最大的发电形式以及引人注目的零碳足迹,核车队可能会继续增长。

风力发电在1980年代在加利福尼亚州开局艰难,但随后的风能和技术的进步令人印象深刻。现代风车矮着1980年代原型风车的大小。目前的记录持有人是荷兰的GE Haliade-X风车,该风车从底部到顶部的叶片高850英尺。但是,GE记录可能很快就会被丹麦的Vestas V236风车所黯然失色,后者可能会超过1000英尺。这些机器与1980年在Altamont上散布的30-50平均数量的分数截然不同。在过去的30 – 40年中,Windmill的改进远远超出了规模。刀片材料已改善,以解决稳定性,刚性,重量和耐用性。涡轮发电机和电子设备已改善,以解决整流器和逆变器的挑战。如今,新风车的铭牌能力平均为2.0-2.5兆瓦,许多较大的风车超过10兆瓦。这与1980年代的0.1 MW的平均铭牌能力相当大。技术和规模的改进已通过地板下降了风能的水平成本。

如今,风力发电的价格为40美元/兆瓦时,是电力发电的任何公用事业量表中最低的LCOE之一。级别的成本因地理和管辖权而异。例如,美国的风带(从得克萨斯州中心向北穿过北达科他州到萨斯喀彻温省)在一条直线上奔跑 – 在低成本风发电以及风场可用的土地上具有巨大的潜力。税收激励措施和优惠的调度显然在风能的早期增长中发挥了作用,不仅在加利福尼亚,而且在某些欧洲国家,例如德国和西班牙。但是,如今的风车正在全球范围内安装。这是一个令人鼓舞的迹象表明,由于技术和规模的改进,没有税收和监管因素使水混乱,实际上LCOE实际上很低。全球装置最多的风能最多的国家是中国,其次是美国,德国和印度。

尽管风车技术的发展是鼓舞人心的,但每种形式的一代都涉及包括风能在内的权衡。风力发电(及其可再生表弟太阳能)最大的挑战是间歇性。如果风不吹,就不会发电。由于无法存储风能以便以后使用像大坝后面的水,因此平静的无风天对于医院,学校或其他需要可靠且不间断的电力供应的公用事业客户可能会出现问题。间歇性问题使风能在能量混合物中的第二层角色中降低了,这是基本电源第一层的降级。新的风力发电能力通常伴随着额外的基本负载功率,如果间歇性的功率证明不可靠。额外的仅案例备份功率通常不考虑到风能LCOE计算。最后,风力发电没有追求的核能或煤炭生成的高能密度。风电场占据了很多土地面积,通常远离城市中心,这意味着传输和分配需要更多的土地面积。虽然风力发电可能不是气候变化的灵丹妙药,但风力发电确实提供了引人注目低成本,可再生解决方案将成为世界能源组合的越来越多的一部分。尽管网格可以掌握的间歇性功率有限制,但世界上大多数地区都远不及该限制。的确,丹麦阵风从风中产生了56%的动力,比世界其他地区高出近10倍,这使风能产生6%的风能。这是对未来潜力的鼓舞人心的愿景。

太阳的

太阳能光伏(PV)电源是一个令人鼓舞的故事,讲述了几乎无碳的电力生产,技术创新和规模经济,过去25年的成本几乎每年都下降。根据Lazard.Dep的数据,2000年代初期,太阳能模块成本比十年前的太阳能模块下降了近90%,而今天的太阳能光伏的电力级发电的最低水平成本仅为37美元/兆瓦。主要是在德国和西班牙的非常慷慨的补贴。这伴随着中国政府以太阳能生产能力进行的大量投资,这通过规模经济降低了单位生产成本。在2010年代,较低的成本太阳能模块扩展到德国和西班牙以外的其他国家(尽管有争议的2009年逆转过度慷慨的进料关税,这在2010年代在西班牙停滞了)。太阳足迹的扩大导致中国单位成本进一步降低。前进的技术也发挥了作用:较高的太阳能电池效率和跟踪器跟随太阳,以及净计量和改进的进料关税。

如今,世界上最大的太阳能公园位于印度巴德拉,安装容量为2,245兆瓦,这是一个令人印象深刻的人物,大致与许多不可再生的发电厂(天然气,煤炭和核)一致。印度最大的20个太阳能设施中有七个,尽管目前太阳能目前仅占印度发电的5%。其他具有较大太阳装置的国家 /地区位于阳光明媚的埃及,阿拉伯联合酋长国,墨西哥,中国和美国西南部,尽管与印度一样,太阳能仍然仅占发电的2%-5%。澳大利亚,德国和西班牙以太阳能领先于全球总能源混合,每种能源混合量约为9%-10%。

太阳能光伏的鼓舞人心的故事带有警告。与风能一样,太阳能光伏的最大弱点是间歇性。如果太阳没有发光,就不会发电,这对于诸如半导体清洁室之类的敏感负载是一个问题。因此,对于第一层基线加电源,尤其是在多云的北部气候中,太阳能不是一种选择。由于无法存储太阳能,也没有公用事业比例电池,因此任何安装太阳能都必须伴随着额外的案例基本电源,这是太阳能LCOE计算中的费用。此外,引人注目的标题LCOE数字仅针对实用程序量表太阳能光伏。根据Lazard的说法,目前,LCOE的LCOE目前在LCOE太阳能光伏的LCOE大约五倍,尽管这些数字显然随着新设施的加速而显然正在改善,但目前并不引人注目。最后,与风力发电一样,太阳能的能量密度低 – 太阳能农场需要耕地,这通常距离城市负载数英里。太阳能光伏的安装基础仍然很小,太阳能光伏仅占全球发电的3%。然而,在数十个国家和各大洲,太阳能光伏生成的增长正在发生。与风力发电一样,理论上有一个间歇性太阳能光伏可以促进能量组合的限制,但世界似乎远远不到该帽子。更多的太阳能光伏似乎即将到来。

石油和地热

石油主要用作运输能源的来源,不太常见作为发电的燃料。但是,石油仍被用作夏威夷等岛上发电的主要燃料来源,因为这些岛屿通常几乎没有原生化石燃料资源的方式。与煤炭或天然气相比,油(每单位能量含量)更容易且便宜。在偏远地区,油也有时还用作备用燃料,因为它比天然气更容易存放。从可持续性的角度来看,石油可能会继续成为发电的利基燃料。但是,钻井成本昂贵,占总资本成本的50%以上。此外,开发站点有限。地热能似乎仍然是发电的利基能源。

这篇文章改编自保罗·拉塔(Paul Latta)撰写的一篇文章,该文章现在在Suzzallo图书馆在华盛顿大学的特别藏品中存档。

原创文章,作者:小虾,如若转载,请注明出处:http://www.dsonekey.com/4322.html

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