談談未來(3.4)——補充和預告

就Up最近手上兩篇論文的進度和慘不忍睹的工作效率,估計是很難騰出太多閑工夫來寫雜文了。按照原先的計劃,這個系列的下一篇為太陽能普及的篇章。而這個篇章邏輯很論證較為簡單,比較值得一說的可能更多的是現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)太陽能快速發(fā)展的實例,那樣可能找起資料來相對費時。
這里先簡短的寫一篇簡短的承前啟后,概況下思想,以后再盡可能詳細地(抵抗懶癌)來填坑。
首先這里對前一篇——電動交通時代中的內(nèi)容做一些改正和補充:
全球范圍內(nèi)特斯拉車主因事故死亡的次數(shù)應該至少有四次(算上2018年3月這次)。按照算法不同,這個數(shù)字可能會到七次或者更多。因為其中包括2014年一個偷車賊在警匪追擊中事故死,一個2014年疑似自殺的墜崖事故,一次后座小女孩因被追尾事故重傷去世的等。但原文論點保持不變,所有車禍死因皆是因為故事中激烈的沖擊致死,沒有一起死因于起火有關(guān),特斯拉的車輛在消防安全性上仍然原高于燃油車。感謝特斯拉汽車吧內(nèi)ID為“Iqking_2000”的指正。另外應其要求補充:燃油車往往在火災發(fā)生時的強度也高于電動車,邏輯其實很簡單,即更大的化學內(nèi)能在更短的時間內(nèi)被釋放,因而大部分情況火勢更猛,無非汽油往往燒不了多久。電池火災在持續(xù)時間上往往更久,也意味著能量放出更緩慢。(嘛,雖然筆者覺得都很危險能燒死人。所以更重要的差別還是在于電池火災有更長的搶救時間這一點更為重要)
補充:為什么從能量效率上說電動汽車更清潔。筆者其實本以為這點還是比較廣為人知的,但上篇還是有人提問。這里就更清楚地解釋下:即使我們假設最糟糕的情況,即來自電網(wǎng)的電力全部來自火力發(fā)電站,電動車其等效的排放量也遠低于燃油車。 內(nèi)燃機其熱效率是比較低的,即使是最理想的工作條件下,效率也很少有能到達40%的,而因為實際工作情況下,平均效率往往只有15-25%(其實根本到不了25%);而相比而言電動車使用的電動發(fā)動機,其能量轉(zhuǎn)化效率往往在85-95%之間,且現(xiàn)階段做的比較好的幾家,正逐漸把這個數(shù)字推進95以上的領域。當然,電動車的實際損耗更大的是在發(fā)電段和傳輸上。 現(xiàn)代的火力發(fā)電站其熱效率可以達到45-50%左右(燒煤的話),燒氣則效率更高,可以達到55-60%之間。而一般電廠到用戶之間的輸電損耗在8-15%之間,即85-92%的效率。再考慮最后一個部分,是給車充電時的效率,這個數(shù)據(jù)暫時還是比較少,且根據(jù)充電設備的不同有比較大的變動,主要在輸電線和電池內(nèi)阻上有損耗。從特斯拉社區(qū)用戶貢獻的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明這一塊的效率浮動范圍在75-96%之間,平均大約在85-90%之間。 我們這里計算下電動車最糟糕的情況的能量效率(從燃料到發(fā)動機輸出)為0.85*0.45*0.85*0.75 = 24.4%,仍然高于絕大部分內(nèi)燃機的熱效率。如果我們取相對中間值的話,則為0.9*0.5*0.885*0.87=34.6%,就比燃油機要高出很多了。除此以外,筆者還沒有算另外兩筆賬:一來是燃油運輸?shù)礁鱾€加油點其實這里有額外的能源和排放消耗;二來燃油車內(nèi)部可動部件遠遠多于電動車,因而因為變速箱、傳動裝置還有噪音等等的內(nèi)部損耗要高出電動車許多。
當然,筆者這里的估算只是比較簡單和粗糙的(且有些保守)。感興趣的讀者稍稍動手應該就能找到更多對此更專業(yè)的分析。這里簡單的留下幾個可以參看的資料:
https://www.fueleconomy.gov/feg/evtech.shtml (美國EPA--Environmental Protection Agency, 他們的算法就很激進了)
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1433231/
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5729082/ (這兩篇就是IEEE上的論文了,啃起來會費些功夫,嘛,愿意的話直接看結(jié)論部分就好了。劇透:還是比我的數(shù)字激進。)
不少人對電動車的一大擔憂是電池的衰退,這是非常合理的擔憂,筆者認為這連同一次充電里程、安全評級、性能這幾點都應該成為選購電動汽車的重要考量。而電池的衰退率并不是一個容易測量的指標參數(shù),估計未來會成為品牌評估的一部分。在目前的市場上,據(jù)筆者所了解特斯拉確實在這一點上目前還是獨領風騷,暫無人能及。特斯拉自己宣傳他們的電池組能達到平均壽命25年,遠超一輛私家車的平均使用壽命。聽著是比較離譜的,但這兩點逐漸被用戶數(shù)據(jù)落實,似乎并不是吹牛逼。這邊給大家鏈接一些報道:
https://www.greencarreports.com/news/1110149_tesla-model-s-battery-life-what-the-data-show-so-far

https://www.youtube.com/watch?v=Gb_i4ihsJ1w
https://cleantechnica.com/2018/04/16/tesla-batteries-have-90-capacity-after-160000-miles-may-last-for-500000-miles/
https://electrek.co/2018/04/14/tesla-battery-degradation-data/
其中2018年的這份數(shù)據(jù)在一個禮拜前為多份媒體報導,最近如果你聽到“行駛10萬公里電池衰退不到5%”,“行駛30萬公里電池衰退約為10%”之類的,大都是出于這份數(shù)據(jù)的分析。另外https://electrek.co/2018/04/14/tesla-battery-degradation-data/ 這一文中還指出了尼桑新一代的大容量電池卻比舊型號的電池衰減更快。所以看來,電池的設計和管理里面學問很大,廠商之間這點其實可能存在不小的差距。電池容量的衰退率和壽命相信會成為未來電動車競爭的一個焦點之一。而特斯拉作為行業(yè)標桿,其實大概地已經(jīng)讓世界了解到,一輛電動車在不更換電池的情況下,壽命能有多頑強。所以筆者相信,電池衰退在未來并不會成為阻擋電動車發(fā)展的阻礙,而會是淘汰不良電動車廠商的又一把標尺。
最后,其實上面補充的第二點其實已經(jīng)觸到了下一篇的核心觀點——即使我們完全實現(xiàn)了交通的電動化,如果我們不能擺脫化石能源。而幸運的是,屬于太陽能的時代已經(jīng)悄悄地拉開了輸于它的序章。筆者將會在下篇,按照Tony Seba的論述框架給讀者們講述,為什么太陽能的爆發(fā)式普及將勢不可擋,全球在未來短短15年左右間將實現(xiàn)絕大部分能源供應的太陽能化。結(jié)合上電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),他甚至像人們論述為什么小型局部化自給自足型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將很大程度上取代大電網(wǎng)時代。這也意味著即使核聚變能夠?qū)崿F(xiàn),且零成本地實現(xiàn),仍然在大部分情況下不具備和太陽能競爭的實力。
其實我知道你們在想什么,太陽能這么low的東西,都不知道是多老的東西了,怎么可能突然間就迎來春天,占領世界,甚至把超級高大上的核聚變都比下去呢?其實道理很單純,就是因為——便宜,賊便宜。太陽能至始至終以來都被認為是最為清潔,若能實用化將是最為理想的能源形勢,但五十多年來,一個字阻擋了它的進軍——貴。Tony Sobe是這么說的,“自1970s以來太陽能的價格一直穩(wěn)步地呈指數(shù)下降,都沒有經(jīng)歷什么大的技術(shù)突破,就這樣一直在降。到現(xiàn)在(2017年),每一度電的太陽能發(fā)電成本和1970年代相比已經(jīng)降低了300多倍”。“全球太陽能總裝機瓦數(shù)在2000年至2015年間,一直穩(wěn)步地以41%的速度在增長。這是兩年翻一翻的速度?。 ?(筆者:中國2016年一年的太陽能裝機量相當于歷史總和的三倍,令人顫抖的速度。)“在美國2016年年底時,平均的太陽能發(fā)電成本已然跌破傳統(tǒng)能源,之后的發(fā)展必然會進一步加速?!?2016年時全球太陽能能源比重大約為1%左右,如果真是保持每兩年翻一翻的增長的話,那么2018年2%,2020年4%,2022年8%,2024年16%,2026年32%,2028年64%,2030年128%……當然這個S曲線的數(shù)學模型并不是這么單純。但這種粗糙的估算相信能給讀者一個大概的印象,在未來12年到15年間,太陽能占領能源市場并不是那么瘋狂的估計。
當然,我們可以在草稿紙上算出整個宇宙進化史,但面臨實際的情況就更為復雜。太陽能的不穩(wěn)定性,和用電需求的時差等,怎樣應用日益進步的鋰電池技術(shù)和新型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來解決這些問題,從而取得更高的效率。事實上,世界各地發(fā)展的進展是怎么樣的,就讓我們留到下篇正式講述吧。