為什么能源成本是可持續(xù)性的關(guān)鍵，使用新技術(shù)提高能源使用效率

目前大約 46% 的電力用于電機(jī)。冰箱、空調(diào)、電動(dòng)火車和工業(yè)自動(dòng)化中的電機(jī)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。這占 2011 年總用電量的 46%。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)多年來(lái)能源和電力消耗將顯著增加。

轉(zhuǎn)換效率，尤其是在電力使用方面，是一個(gè)重要因素。幾千伏的電力可能來(lái)自架空電力線。然后必須降低電壓以提供為計(jì)算機(jī) CPU 供電所需的 0.8 V。這需要許多轉(zhuǎn)換過(guò)程。

“多年來(lái)，在轉(zhuǎn)換效率方面取得了巨大進(jìn)步，”Lidow 說(shuō)?！爱?dāng)我在 1970 年代后期開始從事這一領(lǐng)域的工作時(shí)，雙極晶體管是功率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，具有將電從一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓的不同方式。然而，隨著 MOSFET 及其表親 IGBT 的問(wèn)世，我有幸參與了 MOSFET 開發(fā)的初期，并且是該領(lǐng)域的先驅(qū)者之一。而且我認(rèn)為現(xiàn)在已經(jīng)確定，從雙極型切換到 MOSFET 可以節(jié)省 30% 到 40% 的電能。更高的速度，更低的生產(chǎn)成本，更小的尺寸，

我們現(xiàn)在正在經(jīng)歷另一場(chǎng)革命：從硅過(guò)渡到氮化鎵和碳化硅等寬帶隙半導(dǎo)體。Lidow 表示，GaN 和 SiC 將在新用途中逐漸取代 MOSFET 和 IGBT，最終在未來(lái)幾年內(nèi)占所有新應(yīng)用的 100%。

Lidow 表示，由于采用了 GaN，可以節(jié)省大量能源。首先，我們可以節(jié)省大約 30% 的電源使用的能源。然后太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的大約 20% 的能量現(xiàn)在可以通過(guò)使用 GaN 來(lái)保存，這使得太陽(yáng)能電池板的效率大大提高。還可以節(jié)省額外 10% 的用于運(yùn)動(dòng)的電力。

因此，估計(jì)可節(jié)省超過(guò) 1,000 TWh 的巨大潛力，或幾乎是當(dāng)今電力消耗的總能源的 8%。電動(dòng)汽車是一種經(jīng)常被提及的將石油轉(zhuǎn)化為能源的方法。圖 2 描繪了 2012 年全球能源使用情況，其中 51% 用于工業(yè)用途。相當(dāng)于 2300 兆噸石油用于運(yùn)輸，占總量的 26.6%(1 兆噸石油對(duì)應(yīng) 11.63 TWh)。

“然而，底線是運(yùn)輸每年消耗 26,750 TWh，其中 70% 是道路車輛，總計(jì) 18,700 TWh，這些道路車輛中只有不到 1% 是電動(dòng)的，”Lidow 說(shuō)?！叭绻澜甾D(zhuǎn)向電動(dòng)交通，市場(chǎng)將有巨大的機(jī)會(huì)?！?

電池電動(dòng)汽車使用的能源約為內(nèi)燃機(jī)汽車的三分之一，這代表了顯著的節(jié)能效果。如果所有汽車都改用電動(dòng)汽車，每年將節(jié)省約 12,000 TWh?，F(xiàn)在，GaN 或 SiC 可以為這些汽車的電機(jī)提供動(dòng)力。與硅相比的優(yōu)勢(shì)約為 10% 到 15%。因此，預(yù)計(jì)每年的總節(jié)能從 100 到 1,800 TWh 不等。

結(jié)論

在這個(gè)世界上不斷增加的能源消耗怎么辦?“我開始這個(gè)旅程的想法是，我會(huì)通過(guò)提高能源效率為世界做一些偉大的事情;那么我們都會(huì)消耗更少的能源并減少對(duì)環(huán)境的污染，”Lidow 說(shuō)?！暗髞?lái)我意識(shí)到這是一個(gè)神話。我想消除的神話是，你不能通過(guò)提高能源效率來(lái)減少能源消耗。相反，你可能會(huì)創(chuàng)造更多的能源需求。”

Lidow 舉了一個(gè)例子：假設(shè)在一年內(nèi)，你用了 1000 美元的電來(lái)驅(qū)動(dòng)你的汽車。好多啊。讓我們假設(shè)汽車的效率提高了 10%。因此，您花費(fèi)了 900 美元而不是 1,000 美元來(lái)為您的汽車供電。剩下的 100 美元你打算做什么?您將把它花在有自己的能源小時(shí)成本的事情上。所以最后，你提高了你的生活水平，你又增加了 100 美元的花費(fèi)，但你并沒有減少你的能源消耗。

讓我們檢查一下能源消耗。根據(jù) Lidow 的 2018 年預(yù)測(cè)，能源消耗預(yù)計(jì)將增加，交通、商業(yè)、住宅和工業(yè)部門也是如此。結(jié)果，需求大幅增加，這是全球生活水平不斷提高的結(jié)果。

“我一開始就說(shuō)過(guò)，能源成本會(huì)影響所有其他成本，”利多說(shuō)。“因此，通過(guò)降低能源的真實(shí)成本，人們可以生活得更好。我們的問(wèn)題是在不破壞環(huán)境的情況下減少生活費(fèi)用或提高生活水平?！?

驅(qū)動(dòng)因素是能源成本，該成本受到期外清理費(fèi)用的嚴(yán)重影響。正如 Lidow 所說(shuō)，要為世界做出正確的決定，我們必須將清潔成本納入能源使用成本。

這種經(jīng)濟(jì)變化將推動(dòng)能源選擇朝著對(duì)環(huán)境和社會(huì)最負(fù)責(zé)任的選擇方向發(fā)展。Lidow 說(shuō)：“生活水平的提高推動(dòng)了新能源的使用。能源效率可能會(huì)直接提高全球生活水平，而寬帶隙半導(dǎo)體，特別是 GaN 的到來(lái)將做出重大貢獻(xiàn)?！?