根據(jù)2020年數(shù)據(jù)顯示，美國目前大部分碳排放主要來自化石燃料燃燒，為建筑（占能源系統(tǒng)碳排放的36%）、交通（占能源系統(tǒng)碳排放的36%）和工業(yè)（占能源系統(tǒng)碳排放的29%）部門各終端應(yīng)用提供動(dòng)力。化石燃料發(fā)電每年將排放14.5億噸CO2，約占美國能源系統(tǒng)碳排放總量的32%。隨著終端應(yīng)用不斷電氣化，尤其是在交通和工業(yè)領(lǐng)域，電力對(duì)能源系統(tǒng)脫碳具有關(guān)鍵作用。因此，在未來轉(zhuǎn)型中，將電力系統(tǒng)脫碳與電氣化相結(jié)合，使得諸如太陽能等零碳電力資源對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)具有重要支撐作用。

 

 

2020年美國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約為80吉瓦，占美國電力需求的3%；按照“標(biāo)準(zhǔn)脫碳”（Decarb）情景預(yù)測(cè)[1]，到2035年預(yù)計(jì)太陽能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到760-1000吉瓦，滿足美國電力需求的37%-42%；到2050年預(yù)計(jì)太陽能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1050-1570吉瓦，滿足美國電力需求的44%-45%。其中80%-90%的太陽能裝機(jī)容量將由公共事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)，其余由分布式太陽能發(fā)電貢獻(xiàn)。按照“脫碳電氣化”（Decarb+E）情景預(yù)測(cè)[2]，2035年電力需求較2020年增長約30%，其中太陽能發(fā)電將滿足美國電力需求的37%，剩余部分由其他零碳資源提供，包括風(fēng)能（36%）、核能（11%-13%）、水力發(fā)電（5%-6%）、生物能源和地?zé)幔?%）；到2050年，所有電力均由零碳能源提供，其中太陽能和風(fēng)能占比最大，分別為45%和44%。在Decarb和Decarb+E情景下，到2050年美國能源系統(tǒng)碳排放總量較2005年分別減少40%和62%，通過進(jìn)一步電氣化、能源效率、脫碳燃料、包括太陽能工業(yè)熱利用（SHIP）在內(nèi)的可再生熱生產(chǎn)以及碳捕集與封存等策略，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)凈零排放（如圖1所示）。在所有情景中，清潔發(fā)電、存儲(chǔ)和傳輸、運(yùn)營和維護(hù)以及其他方面的資本投資都將產(chǎn)生成本，此外技術(shù)成本、排放政策、電氣化和需求側(cè)靈活性都對(duì)電力系統(tǒng)的平均成本和邊際成本產(chǎn)生影響。在Decarb+E情景中，需求側(cè)靈活性抵消了更高電氣化導(dǎo)致的平均成本增加，因此到2035年該情景下電力平均成本略低于Decarb情景。因此，太陽能和其他清潔技術(shù)的進(jìn)步和靈活需求的結(jié)合，將促使電力系統(tǒng)碳排放大幅減少（約95%），而邊際成本幾乎不增加。                          

 

圖1 Decarb+E情景下2020年、2035年和2050年電力系統(tǒng)能源消耗占比變化

 

 

目前，太陽能技術(shù)廣泛部署面臨的最大挑戰(zhàn)是太陽能和風(fēng)能這兩種主要電源是不穩(wěn)定的，基于波動(dòng)性可再生能源本身性質(zhì)，并不能在任何時(shí)候、在任何位點(diǎn)上產(chǎn)生滿足需求的電力。此外，波動(dòng)性可再生能源需通過逆變器等轉(zhuǎn)換裝置將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)所需的交流電，長遠(yuǎn)來看，基于逆變器等新型發(fā)電裝置的需求將大于對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的需求。在一個(gè)主要基于逆變裝置的電力系統(tǒng)中，保持電力資源充分利用、可靠性和彈性需要多樣化的零碳發(fā)電組合、其他配套裝置（如儲(chǔ)能裝置）和技術(shù)改進(jìn)（如先進(jìn)的逆變器）的共同支撐。此外，與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合的小型太陽能裝置，可在電力中斷期為建筑或微電網(wǎng)持續(xù)供電，以增強(qiáng)電網(wǎng)彈性。

 

 

以化石燃料為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)為現(xiàn)代社會(huì)帶來了諸多好處，但也產(chǎn)生了巨大的社會(huì)成本，包括公共健康損害、環(huán)境破壞和氣候變化等。現(xiàn)有能源系統(tǒng)的收益和成本并沒有得到公平的分?jǐn)偅鐣?huì)階層較低的社區(qū)（如低收入社區(qū)、有色社區(qū)、面臨短期氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的社區(qū)）承擔(dān)了現(xiàn)有能源體系中不成比例的大部分成本，而享受到較少的收益，并在很大程度上被排除在現(xiàn)代化能源體系規(guī)劃之外。與所有能源一樣，太陽能在各個(gè)國家、各地區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的社會(huì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其社會(huì)成本。然而，這些收益與成本的分配不一定是公平的。研究表明，通過各種干預(yù)措施（財(cái)政、社區(qū)參與、選址、政策、監(jiān)管和彈性措施）將有助于解決屋頂光伏發(fā)電采用的公平性。此外，電力系統(tǒng)清潔轉(zhuǎn)型將產(chǎn)生數(shù)十萬個(gè)取代化石燃料行業(yè)的工作崗位，其中快速增長的太陽能相關(guān)行業(yè)將吸收大量化石燃料失業(yè)工人。

 

 

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)深度脫碳和高比例太陽能裝機(jī)的關(guān)鍵。在Decarb+E情景中，到2050年太陽能和儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量大致相等。目前，太陽能集成儲(chǔ)能方式大部分是短時(shí)儲(chǔ)能（幾小時(shí)內(nèi)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換），但從2035年到2050年將推進(jìn)長時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用示范。利用太陽能+儲(chǔ)能可以將電力調(diào)度相對(duì)不靈活的光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂信c化石燃料發(fā)電裝置相當(dāng)?shù)恼{(diào)度能力。在太陽能未來愿景中，儲(chǔ)能技術(shù)將經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：第一階段（到2030年），儲(chǔ)能裝機(jī)容量年增長率約為5吉瓦/年，儲(chǔ)能裝置部署規(guī)模具有一定限制，反映出太陽能累計(jì)裝機(jī)容量較低時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能裝置的需求也相對(duì)較小。第二階段（2030年到2040年），儲(chǔ)能裝置將加速部署，這是由于太陽能和儲(chǔ)能之間日益增長的協(xié)同作用，以及儲(chǔ)能成本的下降和傳統(tǒng)發(fā)電廠退役，該階段儲(chǔ)能方式仍以短時(shí)儲(chǔ)能為主。第三階段（從2040年開始），長時(shí)儲(chǔ)能將變得越來越重要，該階段儲(chǔ)能方式將以長時(shí)儲(chǔ)能為主。

 

 

在過去十年中，受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和地緣政治綜合影響，太陽能光伏成本急劇下降。DOE考慮到能源存儲(chǔ)、額外電力傳輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施成本，對(duì)太陽能光伏發(fā)電成本制定了一個(gè)新的目標(biāo)。該目標(biāo)要求持續(xù)降低太陽能光伏發(fā)電成本以及提高性能，實(shí)現(xiàn)到2030年太陽能光伏平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）由2020年的46美元/兆瓦時(shí)降至20美元/兆瓦時(shí)。新的太陽能電池技術(shù)將有效提高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)更有效地利用少量的昂貴材料。制造業(yè)的進(jìn)步將較過去更快的將新興想法從實(shí)驗(yàn)室推向市場。新型太陽能技術(shù)集成了多種類型的太陽能電池（如晶體硅和鈣鈦礦），將有效提高能效并降低光伏系統(tǒng)中所有相關(guān)部件的成本，但與其他主要太陽能市場相比，美國的軟性成本（包括安裝人工、客戶獲取和許可成本）依然較高。太陽能技術(shù)的低成本本身并不能直接推動(dòng)太陽能快速部署進(jìn)程，太陽能市場的快速擴(kuò)張還需大幅降低太陽能制造成本，建立更多的太陽能工廠。此外，儲(chǔ)能技術(shù)還需進(jìn)一步提升，包括開發(fā)熱儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。

 

 

太陽能在建筑、交通和工業(yè)等各終端用能部門的短期和長期應(yīng)用將促進(jìn)能源終端應(yīng)用電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。太陽能對(duì)建筑行業(yè)脫碳最直接且具有長期影響，在Decarb+E情景中，到2050年太陽能發(fā)電量將支撐所有建筑終端電力需求的30%。在交通部門，目前幾乎完全依賴化石燃料供能，但隨著輕型乘用車和一些中型和重型車輛電氣化轉(zhuǎn)型，將促使交通部門電力需求增加。因此，太陽能在交通領(lǐng)域脫碳作用將隨著時(shí)間的推移而增加。在Decarb+E情景中，到2050年太陽能發(fā)電量將支撐交通運(yùn)輸終端電力需求的14%。目前，太陽能電力在工業(yè)部門長期作用不太明確，主要是因?yàn)槟茉疵芗凸I(yè)過程脫碳的可能途徑多樣化。但對(duì)于工業(yè)部門脫碳可以利用太陽能熱電廠產(chǎn)生熱能取代傳統(tǒng)化石燃料供熱，研究表明，太陽能熱可以滿足大約25%的工業(yè)供熱需求。因此，如圖2所示，在建筑、交通和工業(yè)部門，太陽能作為零碳燃料將長期發(fā)揮作用，以實(shí)現(xiàn)終端應(yīng)用脫碳目標(biāo)。

 

 

圖2 在Decarb+E情景中建筑、交通和工業(yè)部門碳減排情況對(duì)比

 

 

太陽能未來方案與太陽能技術(shù)整個(gè)生命周期中材料的使用、太陽能供應(yīng)鏈以及土地和水資源使用的相關(guān)挑戰(zhàn)和機(jī)遇息息相關(guān)，所有這些因素都將影響環(huán)境和能源分配的公平性。基于對(duì)美國和全球太陽能技術(shù)制造相關(guān)潛在材料需求的分析表明，當(dāng)材料實(shí)現(xiàn)回收和再利用時(shí)，材料供應(yīng)將不會(huì)限制太陽能應(yīng)用的擴(kuò)張。未來最大限度利用可回收材料，將對(duì)能源和材料安全、社會(huì)和環(huán)境影響、國內(nèi)勞動(dòng)力和制造業(yè)方面產(chǎn)生巨大效益，未來急需在技術(shù)上取得突破，并適應(yīng)目前美國資源回收和循環(huán)經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)。為構(gòu)建一個(gè)多樣化、不過度依賴任何單一供應(yīng)渠道的彈性光伏供應(yīng)鏈，美國光伏制造業(yè)將通過提高自身自動(dòng)化程度、利用國內(nèi)制造特定組件的固有優(yōu)勢(shì)以及先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化產(chǎn)品以提高其國際競爭地位。此外，太陽能發(fā)展面臨的土地可用性同樣也不是太陽能未來愿景的障礙，這是因?yàn)榈?050年，太陽能擴(kuò)張所需的土地面積只占美國地表面積的0.5%，可以通過使用尚存的10%左右的儲(chǔ)備用地得以滿足，從而避免高價(jià)值土地的征用。與化石燃料和核能發(fā)電相比，太陽能和其他部分清潔能源發(fā)電技術(shù)對(duì)水需求量較少，在太陽能未來脫碳方案中，電力部門耗水量將減少約90%。最后，在勞動(dòng)力方面，目前太陽能行業(yè)在美國已創(chuàng)造了23萬個(gè)工作崗位，預(yù)計(jì)到2035年該行業(yè)將創(chuàng)造50-150萬個(gè)工作崗位。此外，基于對(duì)現(xiàn)有清潔能源行業(yè)的研究表明，這些工作的工資往往高于社會(huì)平均工資，并且所需的教育門檻更低。

 

 

在既定政策情景中，到2050年電力行業(yè)將繼續(xù)每年排放9.3億噸CO2，因此除了上述7項(xiàng)措施（前文2-8）之外，實(shí)現(xiàn)太陽能未來愿景還需持續(xù)的政策和市場支持。由于政策采取的脫碳措施相較于僅憑市場自身調(diào)節(jié)對(duì)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)更為關(guān)鍵。越來越多的州政府和公共事業(yè)單位承諾到2050年之前實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳。鑒于電力系統(tǒng)脫碳的邊際成本隨著接近100%脫碳而增加，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將需要堅(jiān)定且長期的政治支持。政策支持包括通過研發(fā)投資，推動(dòng)太陽能基礎(chǔ)設(shè)施的快速部署以及發(fā)電成本的降低，加速技術(shù)創(chuàng)新，并確保清潔能源轉(zhuǎn)型過程中收益公平分配。

 

[1]標(biāo)準(zhǔn)脫碳情景預(yù)測(cè)利用太陽能（光伏和光熱）、其他可再生能源（生物能源、地?zé)帷⑺Πl(fā)電、陸上和海上風(fēng)力發(fā)電）以及儲(chǔ)能（電池和抽水蓄能）技術(shù)，使到2035年CO2排放量比2005年水平減少95%，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

 

[2]與標(biāo)準(zhǔn)脫碳情景相比，這一情景增加了大規(guī)模的建筑和交通運(yùn)輸電氣化，使得到2035年和2050年電網(wǎng)碳排放量較2005年水平減少約105%和155%。該情景中電力需求顯著增加，電力系統(tǒng)對(duì)于美國能源系統(tǒng)脫碳具有更大作用。