双碳研究 | 取代化石燃料？就看这两大能源！

取代化石燃料？就看这两大能源！

【Scienceinsights网3月7日报道】

太阳能和风能是最有望取代化石燃料的两大可再生能源，而且已实现规模化应用。2025年上半年，全球太阳能和风能新增发电量合计达403太瓦时，不仅完全覆盖了同期全球电力需求的全部增量，而且绰绰有余。目前，可再生能源在全球电力供应中的占比已达34.3%，首次小幅超过煤炭33.1%的份额。

为何是太阳能和风能？

其他可再生能源同样重要。水力发电目前的发电量仍超过太阳能或风能中的任意一种，而地热和生物能在特定地区也发挥着重要作用。但在发达国家，水电资源已基本开发殆尽；地热受限于特定的地质条件；生物能则存在自身的排放问题。相比之下，太阳能和风能是同时具备成本持续下降、可快速规模化以及近乎普适的地理可用性这三大优势的两项技术，而这正是按照气候目标要求的速度来替代煤炭和天然气所必需的条件。

能源经济格局已发生决定性转变。根据美国能源信息署的数据，2030年投产的新建太阳能发电厂，其发电成本约为38美元/兆瓦时。陆上风电成本更低，约为32美元/兆瓦时。相比之下，新建天然气发电厂的发电成本为53美元/兆瓦时。太阳能和风能如今不仅能够与化石燃料竞争，更是具备显著的成本优势。

太阳能的迅速崛起

仅2025年上半年，太阳能发电量就增长了创纪录的306太瓦时，增幅达31%，使其在全球电力中的占比从6.9%跃升至8.8%。仅这一增量就覆盖了全球所有新增电力需求的83%。这一增长得益于光伏面板的大规模制造，尤其在中国压低了价格，使太阳能得以被各个收入水平的国家所采用。

如今，商业太阳能电池板通常能将20%至22%的太阳光转化为电能，这一数字在过去十年中稳步攀升。实验室中的研究用电池效率已高达47.6%，这意味着未来安装于屋顶或太阳能农场的电池板仍有显著的提升空间。太阳能确实比风能需要更多土地：每兆瓦装机容量所需的土地面积大约是风电的10倍。但电池板可以安装在屋顶、停车场、退化土地上，并且越来越多地被集成到建筑材料中，这大大减少了土地占用问题。

风能的核心优势

2024年，风力发电占美国总发电量的11%。2010年，美国风电装机量为45吉瓦，到2024年已达到156吉瓦，年增长率为11%。最新一批陆上风电场的容量因子已达到38%左右，这意味着它们的实际发电量达到了理论最大发电量的38%。相较于2004年至2012年间建成项目的31%平均水平，这是一个显著的提升。

海上风电是一片潜力更大的新前沿。海上的风力比陆上更强、更稳定，到本世纪中叶，新项目的容量因子有望达到60%。美国在这一领域仍处于起步阶段，目前海上风电装机容量仅为17.4万千瓦，但欧洲和亚洲的建设规模要大得多。此外，风电场的土地占用面积比太阳能电池阵列更小，风机还可以与种植业和畜牧业在同一片土地上共存。

间歇性难题与解决方案

对太阳能和风能最常见的质疑显而易见：太阳不会时刻照耀，风也不会一直吹拂。这是一个真实的工程挑战，但并非无法解决的障碍。目前已有三种解决方案正在大规模部署。

首先是电池储能。国际能源署预计，到2030年，电网级电池储能容量需要在2022年的基础上扩大35倍，达到近970吉瓦。仅2030年一年，就将新增约170吉瓦的储能容量，而2022年这一数字仅为11吉瓦。锂离子电池可以在午间吸收过剩的太阳能发电，并在晚间的用电高峰时段释放，从而平滑这一日度周期。

其次，是长距离输电。高压直流输电线路可以将电力高效地输送至数百或数千英里之外，将有风地区与无风地区连接起来。美国能源部已将其认定为关键基础设施：当一个州多云时，另一个州往往晴空万里，高压直流线路能让电网充分利用这种地理多样性。这些线路还有助于整合海上风电，并让系统运营商能够精确控制电力潮流以维持电网稳定。

再次，太阳能和风能天然具有互补性。太阳能发电高峰出现在夏季午后，而风能发电高峰则常在冬季夜晚和暴风雨期间。两者同时运行，可以减少所需的储能总量。

不止于发电：工业脱碳之路

电力仅占全球能源使用的一部分。热能，即用于制造业、化工生产和重型运输的热力，占总能耗的近50%，并且仅靠太阳能电池板和风力涡轮机很难实现脱碳。

这正是绿色氢能发挥作用之处。通过利用可再生电力分解水制取的绿色氢能，是一种以化学形式储存太阳能和风能的能源载体。它可以为高温工业流程提供燃料，为船舶和卡车的燃料电池提供动力，并用作化肥和化工生产的原料。绿色氢能并非取代太阳能和风能，而是将它们的应用范围扩展到那些无法简单接入电网的领域。

供应链的脆弱性

要将太阳能和风能大规模推广以完全取代化石燃料，需要消耗大量的特定矿物。某些类型的太阳能电池板依赖镓、铟、碲等材料。风力涡轮机的高性能永磁体离不开稀土元素，而机舱和结构部件则需要大量的铝。根据最新评估，美国对镓和铟的进口依赖度为100%，对碲的进口依赖度超过75%。

这些供应链的集中化构成了真正的脆弱性。实现矿物来源多样化、投资建设退役电池板和涡轮机的回收基础设施，以及开发使用更丰富材料的替代电池和磁体设计，都是当前正在推进的领域。这些制约因素是可控的，但并非无关紧要，特别是如果装机部署继续保持当前的增长速度。

实现目标的要求

为实现2050年净零排放目标，国际能源署的路线图要求到2030年可再生能源占总发电量的比例超过60%。2025年上半年，这一比例已达到34.3%，这意味着世界需要在五年内将这一占比几乎翻倍。太阳能爆炸式的增长轨迹使这一目标虽然雄心勃勃但并非不可能实现，尤其是在成本持续下降和电池储能不断扩大的背景下。

这场转型并非未来的假设。在2025年上半年，太阳能和风能发电量的合计增长几乎与全球电力需求的总增长持平，而煤电发电量实际上有所下降。替代进程已然开启，当下的核心问题是推进速度。

编译：高英博（新能源部）

审校：朱芳菲（新能源部）

编辑：高英博（新能源部）