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中国如何领导世界?——以太阳能为引爆点的西部大开发

时间:2022-11-06 09:21:24 | 浏览:824

【能源人都在看,点击右上角加"关注"】北极星太阳能光伏网讯:三、中国地理特点潜在的超级机遇1.三分之一左右未开发国土的潜力只要简单分析一下中国的国土,就会发现显著的特点。青藏高原面积有250万平方公里。这个战略价值是极其巨大的,我们会在讨论

【能源人都在看,点击右上角加"关注"】

北极星太阳能光伏网讯:三、中国地理特点潜在的超级机遇

1.三分之一左右未开发国土的潜力

只要简单分析一下中国的国土,就会发现显著的特点。

青藏高原面积有250万平方公里。这个战略价值是极其巨大的,我们会在讨论中印关系时展开来说。但从经济角度讲,除极少数地方可以发展些旅游,以及青海地区相对比较平整的土地存在理论上可大规模经济开发的潜力外,这个国土面积里绝大多数属于生命禁区的茫茫雪山,以目前的科技能力,在理论上就不具备大规模扩张性的经济开发价值。 胡焕庸线东南地区,已经深度开发了,虽然还有进一步开发的空间,但会越来越难,与环境的矛盾平衡也越来越多,成本越来越高。 当然,中国还有300万平方公里的海洋国土面积。但从目前的科技来说,还难以说它对中国整体经济有革命性和突破性的意义。并且,中国沿海与太多国家相邻,敏感的矛盾和问题太多。这个需要很多科技的突破和政治关系突破才能有更大的空间,以后有机会再展开讲。

剩下的还有约260多万平方公里荒漠化土地,主要在大西北地区。这部分国土基本是平原和丘陵的地形,是存在经济大开发理论可能性的。并且,这部分国土的面积基本上可以把现在已经开发的胡焕庸线东南部分的经济区域面积扩展一倍。如果把青海部分比较平坦的土地也算进来,比整个胡焕庸线东南部分国土面积还要大,其开发空间是非常可观的。

2.成功开发是有条件的

当然,我们远远不是第一个注意到这个潜力的,可以说很早就有非常多的人不断地打这一块土地的主意了。只是过去难以找到技术上的有效手段真的能将这一部分国土充分开发出来。以前主要是三北防护林体系建设等,只是把它们当成环境保护投入对象看待,并不是直接进行经济开发。

我们必须非常清楚一点,真要想进行经济大开发的话,远远不是理论上说有多大空间和可能性,而是必须在技术、经济甚至环境改善等各个方面都具备实际可行性和可操作性。例如,这些土地上首先面临的大问题是缺水。有人说如果通过引水把西北地区开发出几亿亩良田,可以多容纳1亿到2亿人口。但是,这类思路要面临的问题实在太多了。有个设想和论证中的红旗河工程可以通过全程自流将青藏高原以南的丰沛水资源引到大西北,通过灌溉可以改造出2亿亩耕地。问题是,种粮食怎么可能有很大的经济效益呢?这个工程投资可能高达4万亿人民币,这是个超大战略的投资。这么多投资即使不能收回来,至少能平本或别亏太多。这一点是非常重要的,否则沉没成本太大。开发大西北是希望能有较大经济效益的,效益还没出来,先沉没进去几万亿十几万亿投资,这就让决策者很难下决心去做。

再者,理论上说如果能有水,可以容纳1到2亿人口,关键问题是谁愿意移民到这个地方去呢?你总不能强迫1亿2亿人去艰苦的大西北去生活吧?这不仅得提供有效的经济活动,而且要提供至少不比移民者原来更差的生活环境才行。难道又要先花费几万亿甚至十几万亿投资进去?

3. 创造经济落差

根据我在《科学经济学原理》中的论证,任何经济过程都是差价交换,而不是等价交换。只有存在经济价值的落差,才有可能使经济要素有内在流动的经济动力。人们只会流动到价值更高,或成本更低,并且满成比更大化的地方。

例如人们愿意从农村移民去城市,从小城市到大城市,是因为能找到薪资更高的工作,获得更多城市的公共资源。工业生产不断在国家或区域间发生转移,主要促动因素是转移到生产成本更低的地方。如果不存在这些经济落差,有几个人会愿意移民到大西北去?不仅不会,甚至很可能是会反过来,难以抑制地从大西北向中东部移民。如果不能很好地解决这些问题,所有的理论可能性都只能成为一种想象甚至空想。当然,从农村移民到城市也不是绝对的,在西方城市化过程之后,又出现郊区化的趋势,其原因就是郊区住房面积可以更宽畅,居住环境可以更优美,生活成本却更低,因交通的发达,城市公共资源照样可以享受到。这是更高生活价值的落差将城市居民吸引到郊区的。

因此,一个好的开发计划必须是先要有非常好的经济活动导入,并且要有利于不断形成经济要素的更大落差,从而有爆炸性增长的引导效应和辐射效应。只有存在这样的项目作先导,才能使其他配套的东西不断跟上。

例如,红旗河工程的确是个特别好的项目,但绝对不能建立在其用途是解决大西北耕地改造和种粮食上。大型的调水工程本身经济效益主要体现在供给工业生产、服务业生产等用水上以及大量城市居民生活用水上。因为这些用水可以有较高的水价。但种粮食不仅收不到多少钱,还得永无止尽地不断给补贴和优惠,这哪儿受得了?调水工程的少部分用于种粮食可以,最好是通过设施农业用于生产经济价值较高的蔬果,但不能成为主流,尤其不能用于较大面积的大田生产种主粮和杂粮。主粮和杂粮是可以长途运输和长期储存的,而蔬果长途运输不便,成本较高。即使用于种树,种草,造人工湖,人为创造绿水青山,都不应该去种主粮。前者可以大幅度改善生活环境条件,使人们更愿意移民到这里。只要能吸引东中部地区人口大量迁徙到这里,在东部地区腾出优质土地用于种主粮,都比在大西北开发出耕地种主粮综合效益好得多。

因此,必须在大西北有大量经济活动爆炸性的出现,并且引导出现持续增长的城市人口,这样动工开建红旗河工程就很容易下决心了。一旦通过这样的过程解决了供水问题,进一步的良性循环就更容易出现。

4. 太阳能作为引导项目及其条件

现在,非常幸运,这种可以在西北地区实现效益极为良好的项目已经出现了,这就是太阳能。虽然人们在大热天站在太阳下会感觉阳光太强烈了,但真把它当成能量来利用时,才会体现出它是一种能量密度很稀薄的能源,每平方米太阳能在峰值时有1千瓦,平均而言只有200多瓦。又因为太阳能电池转换效率问题,目前在20%多点,可利用的太阳能发电量更是稀薄。因此,要想获得可观的发电功率,太阳能必须要利用大量土地。如果在东部地区大量发展太阳能的话,会很容易引起与其他已经极为紧张的土地需求的矛盾。但在西北地区,能拥有的最丰沛资源就是无穷无尽寸草难生的土地,这些地区早就是发展太阳能的首选之处。这里风能资源也非常丰沛,同时配套发展风能还可以使它与太阳能峰谷之间有一定补偿,也就是晚上没太阳的时候,很可能风力发电还在继续。问题只是,如何把它们更进一步设计成完整的经济系统,而不单纯是一个发电项目。

这需要解决至少两个问题,一是这里发电很容易,但谁来用这些电呢?大西北地区现在人口太少,经济活动太少,光伏消纳能力也很少。通过特高压电网将这些电送到东部地区倒也是个办法。可是这样一来不仅成本较高,而且电送走了,本地经济过程大循环也就此就断了。因为本地消纳的问题存在的困难,过去弃风弃光的问题就比较多。现在一定程度解决了,但本地消纳能力如果不能大量发展起来,通过将电送走来解决弃风弃光的问题并不是一个最好的办法。 能不能让太阳能留在本地消纳,同时又促进本地经济持续爆发呢?这是首先要解决的问题。 另一个问题是成本。好在现在太阳能成本下降速度几乎是所有发电技术中最快的,风电成本也在不断地下降。到2021年,无论是太阳能发电还是风电,都可以实现平价上网了。但是,我们还是有些不甘心,能不能让太阳能通过本地消纳进一步呈数量级地大幅度下降呢?因为要形成经济落差,不能仅仅是“可以平价上网”,而是要低到使其他地区的经济要素眼馋、眼红,无法克制内在的经济冲动,一定要把更进一步的经济投资转向大西北去。

这就要使太阳能发电的成本低到近乎于零才有可能。因为现在要让经济要素大量地转向大西北,需要克服生活条件差等其他价值上的落差,如果没有足够的能源成本落差,不足以形成这样的吸引力。 这是否有可能性?回答是完全可能的。 一个国家或区域的经济落差并不完全是由经济本身因素形成,也可以由政策因素人为制造。这就是各种优惠政惠的引入,以人为加大经济落差。只是这种人为制造不能随意进行,也不能长期地单纯靠行政优惠来维持,它也需要遵守经济规律,充分考虑长期的投入产出比。给了优惠,最好是很快就使经济发展起来,并使经济优势很快建立。这样后续不用给优惠也可以拥有自身经济优势了。或者不是直接给钱,而是通过给政策使经济要素动起来。然后通过本地经济活动获得的收入甚至税收很快可以超过前期的投入。

用大西北的太阳能生产太阳能

如果我们深入分析太阳能的生产过程及成本构成就会发现一个令人欣喜的、可以创造巨大经济落差的可能性。太阳能主要的材料是多晶硅或单晶硅,其主要生产原料是二氧化硅(石英砂),也就是一种沙子,地球上多的是,成本也很低,每公斤一块钱人民币都不到。现在多晶硅菜花料的价格每公斤不到5美元(30元人民币左右),并且还在下降。用于生产单晶的致密料价格约8.5美元(60元人民币)。其中的成本主要是耗电的成本,要把石英砂在电弧炉中高温冶炼提取出冶金硅(也叫工业硅),这需要消耗大量的电能(约每公斤13度电)。后续生产过程中,尤其从冶金硅提纯为多晶硅(每公斤150-200度电)也存在很多大量耗电的工序。用电成本占了硅片生产全过程中成本的70%左右。因此,减少生产工序中的耗电量(通过技术进步获得),或者降低购电的价格(商业和技术配合获得),都可以大幅度降低太阳能的成本。尤其是,通过技术进步降低耗电量,一个技术改进一般只能减少某一个工序的耗电量。但如果将电价降低10%,相当于所有生产工序中的耗电量成本全都同时下降10%。这个降成本力度更大。

这里我们就发现一个很特异的可能性:如果太阳能发电的成本接近于零,用太阳能发的接近零电价的电来生产太阳能,就会使太阳能生产成本成倍下降。这样反过来不就是真让太阳能成本接近于零了吗?那就是说,只要你在初始阶段人为制造一个太阳能成本接近于零的发电厂,用这样的太阳能发电来生产太阳能,那不就在以后生产太阳能的成本真的就接近于零了吗?这是一次性或者很少几次通过政策就可以人为创造的过程。只要给予适当的补贴和特殊政策,就可以迅速从人为制造的太阳能成本接近于零,变成仅靠其经济过程自身的力量使成本真的长期接近于零了! 另一方面,太阳能生产本身就是耗电大户,在一开始建立这个循环后,太阳能生产本身就会把初始阶段建设的太阳能电厂发的电消耗掉了。此后通过超低的太阳能电价将高耗电的产业吸引过来,这就是相当长的时间内完全不担心太阳能发电的本地消纳问题。

太阳能的本地消纳问题业界早就注意到了,只是在过去难以找到本地消纳的途径。将高耗电产业转移到西部来消纳太阳能的思路也早就有人提出,但如果你没有相对东部地区超低的电价,谁会愿意将这些产业转移过来? 一旦实现了太阳能的超低电价,其经济价值就太大了。因为电是现在几乎所有工业和服务业的重要成本因素。一旦在大西北存在一个接近于零的太阳能发电成本落差,大量经济活动、尤其高耗电的生产活动(如电解铝、冷轧钢等)就有天然的内在动力转移到这里。 做到这一点需要给太阳能生产企业几个配套的政策和技术措施。这些配套政策和措施仅适用于大西北地区。

设立新能源特区。初期可以在大西北地区选择10万至30万平方公里的荒漠土地作为新能源特区,新出台的政策可以只适用于这个特区,以便不断摸索成熟。待实验成功,各项政策和经济活动运行成熟之后,再一步步扩大,最终将大西北和青海近400万平方公里荒漠土地中的大部分全都变成新能源特区,采用相应的政策和法律。

只给太阳能生产企业自建的太阳能和风能发电厂免费土地。

允许太阳能生产企业自建太阳能、风能和天然气等发电厂(后两者目的仅为补偿太阳能发电波动)。

待太阳能生产太阳能使其价格大幅度下降后,再允许高电耗的电解铝,冷扎钢,电弧炉冶炼等企业自建太阳能和风能发电厂。

在相当长的时期内,在大西北生产的超低价太阳能电池只允许应用于大西北进一步的太阳能建设。

给初始进入大西北的太阳能生产企业自建电厂大比例的政府补贴,甚至全部由政府资助。当本地采用太阳能生产的太阳能价格大幅度下降后,政府补贴比例也可以逐步减少至零。

影响太阳能成本的各个因素

上图是各种新能源从2010年到2019年十年间成本下降情况。从中可见,太阳能成本下降了82%,下降幅度显著高于其他所有发电技术。为了更充分地理解用太阳能生产太阳能,能否使太阳能成本真正接近于零,我们需要仔细地分析一下影响太阳能成本的各个因素。

从以上太阳能级多晶硅价格走势可看出,2003年及以前,太阳能产业还未大规模启动,太阳能级多晶硅的价格就已经是在每公斤20美元多一点的相对较低水平。2004年,德国率先推出可再生能源法案,西班牙、意大利等欧洲国家之后纷纷对太阳能发电进行大力扶持和推广。但在启动太阳能产业后,因为需求的强烈拉动,多晶硅价格开始持续暴涨,最高在2008年曾达到每公斤500美元的历史高位。此后随着中国多晶硅产能的快速释放,随之价格又快速下降。到2012年,其价格就回落到2003年前20多美元的水平。整个这10多年价格20多倍的巨幅上涨与下降,主要是商业供需矛盾因素造成,而不是真正反映实质性的生产成本变化。但当其价格回落到正常水平后,商业供需因素的变化影响相对就比较小了。如果单纯地通过商业和竞争因素促使价格不断下降,最终会导致大量硅生产企业陷入亏损的境地。

2.光电转换效率提升

德国物理学家赫兹于1887年发现光电效应后,太阳能就开始展现其应用前景。但真正能使其规模商用化,有赖于光电转换效率的提升,这是降成本的根本途径之一。转换效率每提升1个百分点,太阳能的成本就会下降5%以上。当转换效率达到10%之前,太阳能主要应用于航天科技以及军事用途。在此之后,民用的太阳能才有可能开始通过政府补贴进入规模商用。之所以在2004年欧洲开始通过政府补贴引导太阳能的发展,就是因为在这个时间点上多晶硅的转换效率提升到了10%左右的水平。此后,尤其产业资金的大量涌入,技术进步持续加快,差不多每年都能提升1个百分点左右。2019年,商用多晶硅PERC电池的转换效率已经超过22.8%(阿特斯公司创造),单晶硅PERC达24.03%(隆基公司创造),天合公司创造了24.58% N型单晶硅TOPCon电池中国最高效率。 单晶硅本身的成本是高于多晶硅的,因此过去太阳能主要使的是多晶硅。但因为单晶硅发光效率高于多晶硅,使最终的太阳能成本反而低于多晶硅。因此,在2016年以后,单晶硅太阳能电池开始大爆发,占比越来越高。 如果按照原有的理论,晶硅太阳能电池理论最大极限为29.1%,如果是这样,那么未来商用太阳能电池转换效率提升的空间已经不大了。但是,以原创性科技发展的思路来看,这个并不是绝对的。麻省理工学院和其他机构的研究人员在过去几年中研究出的新方法可能会突破该极限,使理论最大极限从29.1%提升到35%。研究生Markus Einzinger,化学教授Moungi Bawendi,电气工程和计算机科学教授Marc Baldo,以及来自麻省理工学院和普林斯顿大学等其他八位研究人员2019年7月3号在《自然》杂志上发表了这项研究成果的论文。当然,这个方法要真变成商用化的产品还需要做很多工作。不过,它的确为我们展示了通过提升转换效率的途径使太阳能成本进一步下降的理论可能性。

3.减少生产过程的耗电

太阳能生产流程和环节很长,每一个环节都有耗电成本,并且在总成本中占很大比例。因此,如果通过技术进步降低各个环节的耗电量,当然就会降低太阳能的成本。但客观来说,这个技术进步难度是很高的,而且目前来看可挖掘的潜力越来越小了。

4. 把硅片切割得更薄

从原理上说,太阳能电池发电主要是电池板面朝太阳一面很薄的一层在起作用。但要把硅棒切割成太阳能电池片,必然要有一定的厚度。如果能切割等越薄,完全相同的一个硅棒就能切割出数量更多的太阳能电池片,那么每一个电池片分难的硅棒成本当然就越低了。因此,切割工艺水平也是影响太阳能成本的一个很重要的方面。 这里顺便科普一下,并且讲个小故事。说到切割,我们一般知道的是用锯子、剪刀、刀片、钳子等工具和相应的工艺进行切割。更高级的切割是激光切割工艺。在我学习太阳能硅片切割工艺之前,我想当然地以为会是激光切割,并且生产半导体芯片的硅片的确用的是激光切割。但事实上,生产太阳能电池片的切割工艺是一种特殊的线切割。

原来用的是砂浆线,就在两三年前已经普及了金钢线切割工艺。砂浆线切割是用碳化硅粉末与切削液混合形成砂浆,在钢线和硅棒压力作用下对硅棒产生切割作用。金钢线稍有不同,它是将金钢石粉末直接固定在钢线基体上而制成固结磨料锯丝。用这种锯丝去切割硅棒。 我们很自然地会认为这种高科技的生产工艺太先进了。但是,当我2019年4月21日去参观仰慕已久的杭州良渚博物馆时,却了解到一个让我目瞪口呆的史实:中国5千年前的良渚