本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
上个月，摩根大通资产管理公司发布了其年度能源主题论文。今年的论文重点关注通过向可再生能源过渡，实现电网深度脱碳的相关成本。该论文特别分析了德国所谓的“能源转型”（Energiewende）以及加利福尼亚州向太阳能和其他可再生能源的过渡，作者恰当地将其称为“加州转型”（Caliwende）。
该报告发现，使用可再生能源生产年度电力供应量的 80% 将显著减少二氧化碳排放量（约 55-70%），但消费者为电力支付的价格将增加约 20-90%，具体取决于不同零碳资源的成本和组合。
此图说明了德国和加利福尼亚州在四种不同情景下的电力成本与碳强度：当前系统、Energiewende/Caliwende 重可再生能源系统、具有电池储能的重可再生能源系统以及包括核能的“平衡”系统。对于每种情景，显示了当前成本 (C) 和未来成本情景 (F, G)。（来源：摩根大通资产管理公司）
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过订阅来支持我们屡获殊荣的新闻报道。 通过购买订阅，您将有助于确保未来关于塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
该报告真正的优点在于，它在技术严谨性、通俗易懂的语言和合理的假设之间实现了仔细的平衡。用该论文的主要作者和摩根大通资产管理公司首席投资官迈克尔·塞姆巴莱斯特的话来说：
本文深入探讨了每小时发电量和间歇性问题。我发现如果不这样做，就很难对可再生能源系统有充分的了解。我的目标：在遵循发电的物理和工程现实的前提下，为您提供对高可再生能源系统的外行视角，摒弃经常伴随该主题的夸张说法。
在我看来，塞姆巴莱斯特先生和他的同事们已经实现了他们令人钦佩的目标。以下是该论文主要发现的摘要。
可再生能源产生廉价能源，但在重可再生能源电网中，补偿其间歇性的成本非常高
近年来，风能和太阳能等可再生能源技术的初始资本成本大幅下降，这主要是由于全球累计装机容量的持续增长推动的。
随着部署量的增加，风能和太阳能发电容量的成本（以美元/瓦特为单位）下降。风能学习曲线呈现一个与 2004 年原材料成本上涨相对应的峰值。（来源：摩根大通资产管理公司）
风力涡轮机和太阳能电池板的资本成本稳步下降，导致它们的“平准化能源成本”（一种比较发电技术的公平方法）降至低于天然气和煤炭等传统发电形式的成本，如下图所示。
（来源：拉扎德）
摩根大通的分析证实了学术界许多人的发现，即随着可再生能源技术在电力组合中发挥越来越大的作用，平准化能源成本变得越来越没有意义。虽然太阳能电池板或风力涡轮机产生的能源成本可能与天然气或煤电厂产生的能源成本具有竞争力，但以可再生能源为主的电网的能源成本几乎肯定高于传统能源电网的能源成本——根据摩根大通的数据，高出约 20-90%。
重可再生能源电网需要相同数量的热电厂——但它们的使用频率会低得多
重可再生能源电网与传统电网相比成本较高的主要原因是，当可再生能源不可用时，需要备用电厂来满足需求。
摩根大通发现，可再生能源发电量减少了电厂中燃烧的天然气或煤炭量约 50%，但大约需要相同数量的电厂才能确保每天 24 小时和一年 365 天的充足电力供应。
为了说明在重可再生能源情景下需要多少传统的热发电能力，摩根大通绘制了德国和加利福尼亚州每年每小时未被可再生能源满足的电力负荷部分。需要与今天相同的发电厂数量才能满足全年需求。（来源：摩根大通资产管理公司）
储能可以减少整体排放和所需的备用电厂数量，但会增加整体成本
一种可以减少重可再生能源电网所需备用热发电量的技术是储能。摩根大通分析了三种最常见的储能技术：抽水蓄能、电池储能和氢储能。
（来源：摩根大通资产管理公司）
储能在重可再生能源电网中的主要优势在于，它能够存储在可再生能源供应超过电力需求时原本会被浪费的可再生能源。通过在这些时期存储剩余的可再生能源，储能可以抵消传统煤炭或天然气发电厂的备用发电需求，并减少排放。然而，由于储能的资本和运营成本高于避免煤炭或天然气消耗带来的好处，因此，在摩根大通考虑的所有情景中，增加储能都会增加整体成本。
（来源：摩根大通资产管理公司）
为了说明储能的排放效益与其增加的成本之间的权衡，摩根大通创建了一条主观的成本-排放偏好曲线。根据您对成本和二氧化碳排放之间权衡的看法，您可能更喜欢具有更多储能的电网。但是，没有储能的重可再生能源电网的直接成本低于具有储能的重可再生能源电网。这一结果与学术界最近的发现一致。
核能可以降低脱碳成本，但其成本比可再生能源的成本更不确定
由于对安全、核废料和其他因素的外生担忧，德国和加利福尼亚州都将核能排除在深度脱碳计划之外。然而，经验表明，核能可以成为一种可靠的（相对）低成本、低碳的电力能源。因此，摩根大通分析了“平衡”系统的成本-排放权衡，其中核能用于满足年度电力需求的 35%。他们发现，平衡系统将以明显低于Energiewende 或 Caliwende 重可再生能源系统的成本减少排放。
（来源：摩根大通资产管理公司）
然而，“平衡”系统的结果有一个很大的警告：核能的成本可能高于美国能源信息署 (EIA) 的预测。在美国，自 20 世纪 70 年代以来，核电站发电的实际成本每年增长 19%。
（来源：摩根大通资产管理公司）
摩根大通使用了卡内基梅隆大学的一项研究结果，以确定核能预期未来成本的范围。他们的“FutCost1”情景代表未来核能的资本、运营和维护成本比 EIA 估计的成本高 25%。相反，他们的“FutCost2”情景代表未来核能成本降低 20%，与韩国目前的核电成本一致。在考虑的两种未来情景中，假设风能、太阳能和储能成本下降，天然气成本按照公认的趋势上涨。
（来源：摩根大通资产管理公司）
在这两种未来情景中，平衡（核能加可再生能源）系统仍然比重可再生能源系统提供更好的成本-排放权衡。然而，在德国，成本差异缩小了，而在加利福尼亚州，随着核能成本的上升，成本差异几乎消失了。换句话说，如果核能的实际成本继续上涨，社会对可再生能源的偏好可能会超过核能的成本优势。
如果我们愿意，我们可以减少碳排放
我对摩根大通分析的主要看法是，只要我们愿意为电力能源支付高出 20-90% 的费用，我们可以过渡到可再生能源或核能和可再生能源的组合，从而显著减少二氧化碳排放。从这些方面来看，减缓气候变化所需的牺牲更加确定和切实。就我个人而言，我愿意支付将电力系统置于可持续发展轨道所需的溢价。你呢？
注意：该报告的完整报告《一个勇敢的新世界：电网的深度脱碳》可以从这个链接免费获取。