把沙漠變成太陽(yáng)能發(fā)電的大工廠

在本文中，我們將把相同的原則應(yīng)用于太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)。更具體地說(shuō)，我們將研究如何將大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化應(yīng)用于陸地太陽(yáng)能，以降低成本。

集中式太陽(yáng)能從太陽(yáng)獲取熱量并利用它來(lái)發(fā)電，并為熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程提供動(dòng)力。在一個(gè)典型的系統(tǒng)中，太陽(yáng)加熱熔鹽，熔鹽產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)電動(dòng)渦輪機(jī)。對(duì)于相對(duì)較少的額外成本和很少的效率損失，人們可以將已經(jīng)熱的鹽儲(chǔ)存在一個(gè)罐中，并在太陽(yáng)落山后用它來(lái)發(fā)電。存儲(chǔ)非常重要，因?yàn)樗馕吨掠渭庸ぴO(shè)備在太陽(yáng)落山后不會(huì)閑置，閑置設(shè)備會(huì)燒錢(qián)。此外，當(dāng)惡劣天氣耗盡存儲(chǔ)空間時(shí)，人們可以在聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠燃燒天然氣或煤炭，以加熱熔鹽或蒸汽，并繼續(xù)運(yùn)行。

如果將聚光太陽(yáng)能與儲(chǔ)能和碳燃料備用相結(jié)合，您將獲得一個(gè)可以按需提供 24 x 365 小時(shí)能源的設(shè)施，其方式類(lèi)似于碳基設(shè)備。這意味著您可以用一個(gè)換另一個(gè);而不是維護(hù)兩個(gè)設(shè)施。換句話說(shuō)，如果 24 x 365 可調(diào)度太陽(yáng)能的成本低于 24 x 365 可調(diào)度碳，人們就會(huì)青睞太陽(yáng)能。

此外，熱量可以直接用于制造東西，這一點(diǎn)非常重要，如下所述。

解決氣候變化問(wèn)題涉及大規(guī)模建設(shè)

為了更好地了解聚光太陽(yáng)能的工作原理，可以觀看有關(guān)首航敦煌二期項(xiàng)目的視頻(0.08美元/千瓦時(shí)，0.55TWh/年)。

要取代中國(guó)的電力，需要 13,600 個(gè)這樣的大型設(shè)施 (7,510 / 0.55)。而要取代世界能源消耗，則需要 101,800 (56,000 / 0.55)。這個(gè)站點(diǎn)非常龐大，其中 101,800 個(gè)似乎難以想象。

好消息是工廠大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化可以處理大規(guī)模。

壞消息是似乎很少有人意識(shí)到我們的努力相對(duì)于問(wèn)題的大小是多么微不足道;我們?nèi)狈?shí)現(xiàn)零排放的計(jì)劃;工廠大規(guī)模生產(chǎn)以處理大規(guī)模的需要;在建造工廠之前需要多年的工程設(shè)計(jì);以及對(duì)自動(dòng)化的需求，以將成本降低到基于碳的選項(xiàng)之下。

降低聚光太陽(yáng)能的成本

為了降低聚光太陽(yáng)能的成本，工程師可以關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題：

· 如果我們花費(fèi)數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)用于集中式太陽(yáng)能電池陣列的組件的工廠，并免費(fèi)提供工廠的設(shè)計(jì)，以使這些組件商品化并降低成本，那么總場(chǎng)地成本是什么樣的?

· 如果我們開(kāi)發(fā)安裝和維護(hù)這些組件的自動(dòng)化機(jī)器，那么安裝和維護(hù)成本是什么樣的?

在回答這些問(wèn)題之前，工程師們需要開(kāi)發(fā)粗略的設(shè)計(jì)和成本模型，這可能需要價(jià)值1000萬(wàn)美元的工程成本。如果有利，人們可以繼續(xù)以更詳細(xì)的設(shè)計(jì)、更高的成本和簡(jiǎn)單的原型。人們可能會(huì)選擇花費(fèi)不到1000萬(wàn)美元進(jìn)行初步評(píng)估;然而，考慮到世界希望在30年內(nèi)建設(shè)價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的綠色能源發(fā)電設(shè)施，1000萬(wàn)美元是合理的。Driving Down the Cost of Storage

為了降低儲(chǔ)存成本，工廠可以大量生產(chǎn)大型熔鹽儲(chǔ)罐，這些儲(chǔ)罐通過(guò)超寬鐵路從工廠轉(zhuǎn)移到發(fā)電站。有許多不同的方法可以做到這一點(diǎn)，從運(yùn)輸整個(gè)儲(chǔ)罐到運(yùn)輸通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)焊接在一起的子組件。

例如，如果有 32 個(gè)裝有熔鹽的儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐的直徑為 14 米，高為 14 米，并且將這些儲(chǔ)罐再加熱 240°C，那么一個(gè)儲(chǔ)罐可以?xún)?chǔ)存 1.0 GWt 12 小時(shí)?；蛘撸绻獌?chǔ)存 5 天，則需要 320 個(gè)罐?？梢钥闯?，長(zhǎng)期存儲(chǔ)成本更高。

利用太陽(yáng)的熱量制造東西

全球大約42%的能源消耗是電力。剩下的58%主要是石油、煤和天然氣，它們會(huì)產(chǎn)生熱量或機(jī)械運(yùn)動(dòng)。熱量通常被用來(lái)制造金屬、塑料、水泥和化學(xué)品等物質(zhì)。在我們的綠色未來(lái)，運(yùn)輸可能會(huì)使用氫氣或液氨，這是需要制造的化學(xué)物質(zhì)。

熱量以千兆瓦的熱能(GWt)為單位進(jìn)行量化，電力以千兆瓦的電能(GWe)為單位量化。通常，一個(gè)通過(guò)35%高效的蒸汽渦輪機(jī)從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。例如，1.0 GWt進(jìn)入渦輪機(jī)，0.35 GWe進(jìn)入出口，0.65 GWt作為熱量消失到大氣中。我們希望盡可能多地減少0.65，這樣做有很多技術(shù)。

回到制作材料。如果我們先發(fā)電，然后再用它來(lái)發(fā)電，我們?cè)诎l(fā)電時(shí)就會(huì)損失65%?；蛘?，如果我們直接使用熱量，避免用電，我們就不會(huì)減少3比1的能源，也不會(huì)增加能源1比3的成本。或者，這種方法的一種變化是利用來(lái)自太陽(yáng)或核反應(yīng)堆的熱量通過(guò)化學(xué)過(guò)程(如硫碘)制造氫氣，并在另一個(gè)位置和時(shí)間燃燒這些氣體，以產(chǎn)生更多的熱量。如前所述，我們需要綠色選擇比碳排放選擇更便宜。由于這三倍的成本問(wèn)題，在通過(guò)電力生產(chǎn)時(shí)可能不可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。換句話說(shuō)，直接使用來(lái)自太陽(yáng)或核反應(yīng)堆的熱量可能會(huì)成為一種要求。

在《美國(guó)政府如何以1000億美元解決氣候變化問(wèn)題》一書(shū)中，我們討論了1200萬(wàn)x9600萬(wàn)的加工設(shè)備平臺(tái)，在工廠制造，從工廠，運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)輸，到碼頭，到發(fā)電站;通過(guò)超寬的鐵路。將平臺(tái)插件連接到一個(gè)熱網(wǎng)絡(luò)，如下圖在左上角所示。這幅圖顯示了核能;然而，通過(guò)從工廠到太陽(yáng)能發(fā)電廠的超寬鐵路;人們也可以用集中的太陽(yáng)能來(lái)做同樣的事情。

熱量通常在含有高壓高溫蒸汽或熱熔鹽的管道中移動(dòng)。為了提高效率，人們可以從一個(gè)過(guò)程中捕獲熱量損失，并通過(guò)更多的熱管道轉(zhuǎn)移到其他過(guò)程中，或轉(zhuǎn)移到熱存儲(chǔ)中。計(jì)算機(jī)決定如何、何時(shí)何地移動(dòng)熱量，以將成本降到最低。

用欄桿駛?cè)肷衬?

大型平臺(tái)上的處理設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的連接器插件，使發(fā)電站實(shí)現(xiàn)低成本制造。這需要新一代的超尺寸運(yùn)輸工具，如下例所示。要了解身體的大小，請(qǐng)注意左下角的人。

下圖顯示了四節(jié)車(chē)廂上的一個(gè)12m x 96m的處理設(shè)備平臺(tái)。請(qǐng)注意左下角的人。我們的全球脫碳計(jì)劃的運(yùn)輸章節(jié)提供了關(guān)于這如何工作的更多細(xì)節(jié)。

如果你打算在10年內(nèi)在沙漠中花費(fèi)1.16噸(1.16美元/GWe美元，0.04美元/kWh，22%)建造1000千瓦時(shí)的太陽(yáng)能，以及45億美元的鐵路(3000公里，150萬(wàn)美元/公里)將成本降低20%(2320億美元)，那么這是合理的。

一萬(wàn)億美元?可能看起來(lái)是一個(gè)大數(shù)字，確實(shí)是;然而，如果我們算一下，情況會(huì)變得更糟。世界將需要這1000個(gè)GWe站點(diǎn)中的29個(gè)來(lái)匹配當(dāng)今的全球能源消耗，總成本為33噸美元。

然而，當(dāng)人們進(jìn)一步調(diào)查時(shí)，情況會(huì)變得更好。這33噸美元的電力與碳基電力相當(dāng)。換句話說(shuō)，為世界供電30年的碳基燃料的成本接近33噸美元。對(duì)于太陽(yáng)能，初始成本很高，而長(zhǎng)期成本也很低，因?yàn)殛?yáng)光是免費(fèi)的。或者，用碳，你每天都花錢(qián)買(mǎi)燃料。

總之，我們需要在綠色能源發(fā)電站制造材料，工廠里的工業(yè)機(jī)器人可以比現(xiàn)場(chǎng)手工組裝更低成本地制造加工設(shè)備。這個(gè)設(shè)備很大;因此，我們需要一個(gè)新的運(yùn)輸系統(tǒng)，將大型貨物從工廠轉(zhuǎn)移到熱點(diǎn)地點(diǎn)。

總之，解決氣候變化問(wèn)題可能需要將大部分沙漠改造成工廠。