可再生能源 – 未来的能源

世界人口不断增加，工业也在增长——对能源的需求也是如此。然而，诸如煤炭和石油等化石燃料是有限的。那么，该怎么办呢？世界需要自然补给和无限供应的替代能源形式。它们包括水电、太阳能和风能、生物质能和地热能。这些工厂和系统不排放温室气体或污染物，因此以有利于环境和健康的方式生产能源。

它们甚至还有更多的优势。例如，可再生能源使德国减少了对进口化石燃料的依赖。国家节省了资金，就可以采取更多的行动。围绕着替代能源形式的高科技产业也正在出现。可再生能源是一个增长的市场，预计到2025年将达到15,120亿美元的规模。

国际可再生能源署（IRENA）预计，2018年全球可再生能源领域的就业人数达到了1100万人，比2017年增加7%。其中光伏产业的就业人数最多，达到约330万人。

可再生能源可被分为五种不同的类型：太阳能、风能、水能、生物质和地热能。

太阳在不断向地球辐射巨大的能量。从理论层面来说，太阳在一小时内辐射的能量足以满足整个地球一年的用电需求。因此，遍布世界各地屋顶和其他开放空间的光伏模块，是一种极具吸引力的解决方案。他们能够通过硅半导体把太阳光转化成电能。此外，光伏模块也可以把太阳能转化为热能，如太阳能集热器利用太阳光给油或水加热，热水再被用于供暖。全球最大的太阳能发电厂是中国的龙羊峡大坝光伏电站，该发电站由400多万块电池板组成，装机容量约为850 MW，足够14万户家庭用电。

根据德国环境署的数据，2020年，德国的光伏电站可生产50.6太瓦时的电力，占可再生能源总供应量的20%。此外，目前有8至9太瓦时的热量是由太阳能热系统产生的。

风力发电机在德国随处可见。风力带动叶片旋转，发电机将动能转化成电能，就像自行车发电机一样。

2020年，德国的风力发电机共产生131太瓦时的电力，占整个德国总电力消耗的23.7%。全球最大的风力发电机位于德国斯图加特附近的 Gaildorf。这个庞然大物高度达到246.5米，输出功率达到3.4兆瓦（ MW）。

流动的水也能产生能量。水力发电厂将涡轮机安装在河流中或水坝壁上，通过水流推动涡轮机轮毂旋转发电。世界上最大的水力发电站是中国的三峡大坝，其高达185米，长达2309米，输出功率达22.5吉瓦（GW）。

水力发电在德国的能源结构中扮演着相对小的角色。这些工厂在2020年总共生产了18.6太瓦时的电力，占可再生能源供应总量的7%。邻国挪威的情况则不同。由于挪威有非常多的河流、湖泊和瀑布，水电发挥了更重要的作用。它涵盖了该国96%以上的能源需求

其它可用于发电的资源包括植物和动物的排泄物。这些生物质在锅炉中燃烧时，可释放出热量，然后再用这些热量给水加热。产生的蒸汽驱动涡轮发电机发电，就像传统的燃煤发电厂一样。

生物质发电厂如果同时利用余热供热，就能达到最佳效率。全球最大的生物质发电厂位于波兰南部的 Polaniece，其输出功率高达200 MW。

2020年，德国的生物质发电厂产生了50.6太瓦时的电力，占该国能源结构的20%。在2019年，它们还生产了152太瓦时的热量。总而言之，生物质能占可再生能源生产的总热量的88%。

在我们脚下的地球其实处于沸腾的状态。每往地下100米，地球的温度就会升高3摄氏度，而在靠近前火山活动中心的 Swabian Jura， 温度甚至可以达到每100米升高10摄氏度。这些热量其实可以用来发电。地热发电厂里的巨型钻机可以深入地面以下数百米处，通过水泵将水输送到炽热的地球内部，相对较冷的流体在此被转化为蒸汽，蒸汽再驱动涡轮发电机发电。

与生物质发电厂相比，地热发电厂在德国的作用较小。2018年，地热发电厂制造出约0.2 TWh的电能，以及14.7 TWh的地热能和环境热量。

然而，可再生能源也面临着挑战：艳阳高照不可能日日出现，风力也不可能一成不变。因此，我们应该在能源产量高时进行储能。但如何储能呢？

• 源自可再生能源的电能可以储存在电池和超级电容器中，但目前还不可能实现大规模地储存。

• 还可以选择将电能转化为天然气：电解厂利用多余的电力将水分解成氧和氢这两种化学成分。氢可以作为一种能源储存起来。在回收阶段，燃料电池再将氢的化学能转化为电能。

• 水库：可再生能源产生的多余电力可以用来驱动水泵，将水输送到地势较高的水库。水流返回到起始点时，流经涡轮发电机，使能量得以回收。

• 其它储存方式：压缩机利用多余的电能将空气泵入地下压缩空气储气库——海底下面的盐穴或岩层。想要回收能量时，压缩空气再被注入驱动发电机的涡轮机。

根据德国《2050年气候行动计划》，到2050年，德国的主要发电方式必须实现温室气体零排放。政策制定者已确定能够达成该目标的路线图。到2025年，可再生能源发电比重将达到45%。因此，德国《可再生能源法》（EEG）要求电网运营商必须让可再生能源发电厂实现大部分并网。

到目前为止，德国取得了哪些进展呢？2020年共有233太瓦时的能源由可再生资源产生。这与2019年相比，增加了4.1%。

这意味着可再生能源生产了德国45.4%的电力和15%的热能。德国因此减少了2.27亿吨的二氧化碳排放。在2018年1月28日这一天，绿色能源甚至支撑了德国81%的电力消耗。

可再生能源的使用也在全球范围内扩大。根据国际可再生能源机构（IRENA）的数据，2018年底的全球可再能源发电能力为2.799吉瓦。这大约是全世界发电能力的三分之一。水电占最大份额（1,140吉瓦），其次是风能（622吉瓦）和太阳能（584吉瓦）。

最近，可再生能源能力增长最快的是大洋洲（17.7％），其次是亚洲（11.4％）和非洲（8.4％）。

研究人员还在研究更多的可再生能源。美国公司Solaren计划在太空建造太阳能发电厂，希望更加高效地收集太阳能。此外，浮式太阳能发电厂也是一种选择。它们通过冷水来冷却太阳能电池板，以实现更高的效率。英格兰 North Devon 海岸附近的一家试点电厂可以利用涡轮机将潮汐能转化成电能。

瑞典也在进行大胆的尝试。科学家们计划给斯德哥尔摩一栋高楼（ Söder Torn）的外墙裹上一层毛茸茸的外衣，它由数百万根细小的毛发组成，这些毛发的内核是由压电材料打造而成。毛发随风而动时就能产生电能。因此，可再生能源的未来是令人振奋的。

更新于：2021 年7月