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人类正经历着一次新的能源转型，可再生能源即将走上历史舞台，成为能源领域的主角。2021年9月中旬的某一天，我来到青海省海南州共和县的塔拉滩，乘电梯登上一座10米多高的观光塔。放眼望去，四周的景象把我惊呆了，只见原本荒无人烟的戈壁滩上布满了排列整齐的光伏电池板，从任何一个方向看过去都一眼望不到头。有那么一瞬间，我感觉自己身处火星上的某个人类定居点，未来世界就在眼前。
一群正在光伏板下吃草的羊把我拉回了现实。这里当然不是什么火星基地，而是国家电力投资集团黄河上游水电开发有限责任公司（以下简称黄河公司）精心打造的光伏产业园。我所在的地方是园内的百兆瓦太阳能发电实证基地，148种各式各样的光伏发电产品在这里同场竞技，看看哪一种电池板发电效率最高？固定式和追踪式支架哪一种经济上最划算？到底是三元锂电池还是磷酸铁锂电池更适合作为光伏电站的储能配套设施？这些问题都是太阳能发电企业非常想知道的，但只有通过实际操作才能得知真相。
2018年12月28日，中国首个百兆瓦级熔盐塔式光热电站在甘肃敦煌并网投运（视觉中国供图）
太阳能是环保人士最为看好的新能源，因为太阳是地球生命的能量源头，也是可再生能源的终极形式。太阳能用起来既干净又安静，而且每个人都能分到属于自己的那一份，无论从哪方面来看都特别符合现代环保理念。太阳能的扩张潜力也足够大，每年照到地球表面的太阳能足够今天的人类使用数千年，用来代替化石能源可以说是绰绰有余，起码从理论上来说是如此。太阳能可以直接用来烧水或者做饭，但大部分太阳能都需要先变成电才能被大家方便地使用。世界上第一块实用的硅太阳能电池板是美国贝尔实验室于上世纪50年代研制成功的，光电转化效率仅为6%。经过多年努力，科学家们已经在实验室中将这个数字提升到了接近40%的理论最高值。但在实际应用领域，目前主流的太阳能电池板的光电转化效率平均也就20%左右，其能量密度比起传统的水力发电或者化石燃料发电来说差了至少两个数量级。一般光照条件下，地球表面接收到的太阳能的最高功率可以达到每平方米1000瓦左右，换算成电池板的话就相当于每平方米200瓦，也就是说5平方米电池板在低纬度地区正午的太阳底下晒一小时才能发一度电。这点电用来给手机充电当然没问题，但如果要用来并网的话恐怕就有点寒碜了。所以在很长一段时间里，太阳能给人的印象都是架在房顶的洗澡用热水器，或者专门用于户外发电的野营设备。
1959年，一名男子制作了一艘太阳能发电船（视觉中国供图）
能量密度低的问题，只能用扩大面积来解决。如果你能找到一块上百平方公里的沙漠荒滩，在上面铺满太阳能电池板，情况就不一样了。黄河公司的拉塔滩光伏产业园占地609平方公里，规划装机容量为1870万千瓦。而整个青海省海南州现已规划了2733平方公里的光伏发电基地，设计装机容量高达1.54亿千瓦，相当于7个三峡电站。作为对比，中国现有发电总装机容量约为22亿千瓦，大约可以换算成4万平方公里的光伏装机。当然了，因为光伏板只能在白天工作，如果要想满足目前全中国每年7.5万亿度的电力需求，光伏板的面积恐怕还要再增加好几倍。如果我们的思维再发散一点，把全中国130万平方公里的沙漠和戈壁滩全都铺上太阳能电池板的话，那么总的发电量足够全世界用的了。事实上，根据一家总部位于伦敦的新能源智库“碳追踪倡议”（Carbon Tracker Initiative）所做的研究，我们只需将总面积45万平方公里，即大致相当于摩洛哥那么大的一块热带沙漠地区铺满高效太阳能电池板，所发的电就已经够全人类使用了。当然了，这样的事情在可预见的将来恐怕是不会发生的，环保组织首先就不会答应。他们喜欢的是分布式的小规模太阳能电站，讨厌像这样大规模改变生态系统的超级工业项目。其实如果我们仅从局部来看的话，太阳能电池板对于像拉塔滩这样的戈壁滩来说是有好处的，因为电池板挡住了一部分直射光线，有助于涵养土壤水分。再加上电站工作人员会定期冲洗电池板，冲下来的水渗入土壤，促进了牧草的生长。我在观光塔顶看到的那群羊被称为“光伏羊”，是当地的一道特色美食，因为光伏板下面的草长得非常茂盛，光伏羊的肉要比普通羊肉更肥嫩。
光伏产业园内的光伏羊肉质要比普通羊更肥嫩（樊发玺 摄）
光伏羊虽然好吃，但我们也不可能把整个青海省的戈壁滩全都铺上电池板，那样做既不环保也不现实，因此不少人更喜欢风力发电，因为风机对地表生态环境的改变要比太阳能电池板小得多。第二天我去参观了黄河公司在青海省共和县塘格木镇投资建设的加柔风电场，300平方公里的戈壁滩上竖立着120台单机容量2.5兆瓦的风力发电机组，总装机容量为30万千瓦。从能量密度的角度看，风力发电比太阳能还要再低两个数量级。之所以没有安装更多的风机，主要是为了降低上游风机的尾流对下游风机的干扰。一般认为风机之间的距离至少要有5个转子直径那么大，最理想的情况是留出10个直径的间距。所以这块风场的地表基本上维持了原貌，即使算上汇集站、变电站和公路等配套设施，整个风场也只有0.4%的面积属于永久用地，其余的都还给了大自然。即便如此，国际上仍然有不少极端环保主义者反对发展风电，认为风机的叶片会伤鸟。这一指责纯属无稽之谈，先不说这个世界上不存在十全十美的发电方案，单说杀鸟这件事。根据各国鸟类保护组织的统计，如今每年都有将近10亿只鸟因为撞上玻璃窗而意外死亡，死于野猫捕猎的鸟也高达5亿只，排名第三的死亡原因是通信基站和高压线，加起来每年会杀死2.5亿只鸟。相比之下，每年死于风机叶片的鸟大概只有几十万只而已。如果这些人真的那么在乎鸟类，最应该做的事情就是想办法控制野猫的数量，而不是指责风力发电机。事实上，加柔风电场在建设前已经进行过好几轮环境影响评估了，确定它不在任何候鸟的迁徙路线上。即使有些鸟类会飞经此地，它们的飞行高度也远超风机叶片的高度，危害并不大。还有不少人讨厌风机的样子，认为它们破坏了自然景观。这个问题在陆地上几乎无法解决，只能把风机建在遥远的海上了。我后来专程去参观了国家电投山东分公司负责的山东半岛南3号海上风电项目，厂址距离山东半岛海岸线40公里，巡逻艇要开半个小时才能到。在这里建海上风场的好处是远离人类居住区，不但不会影响海景，还有可能成为旅游观光项目。海上的风速要比陆地大，有效发电时间也更长，缺点是风机的安装和维护都更困难，运营成本要比陆上风电高很多，所以对补贴的依赖性更高。根据国家政策，凡是在2021年底前并网发电的海上风电项目都可以按照每度电0.79元的价格上网，之后的就只能随行就市了。如果按照目前煤电价格每度0.39元来计算的话，相当于售电收入直接减半，所以工人们正在以每3天装一台的速度加班加点地忙碌着，力争在2021年底前安装完58台额定功率高达5.2兆瓦的海上风机。现场观摩海上风机的安装过程绝对是一件非常刺激的事情，值得专门坐船来看。这些风机都是庞然大物，看上去有30层楼房那么高，光是叶片就有近80米长。这组风机采用单桩结构，桩长约200米，重800～1000吨，海平面以下的部分至少有70米长，因为这片海域的平均水深为30米，海床以下的沉桩至少要有40米深才能稳得住，安装难度可想而知。工人们把海上石油钻井平台搬到了这里，巨型风机在平台的映衬下仿佛变成了巨人身上的一根手指，重工业之美在这里体现得淋漓尽致。
国家电投山东分公司负责的山东半岛南 3 号海上风电项目（袁越 摄）
如此高额的投入必须要有巨额回报作为支撑。这个海上风场的投资额约为55亿元人民币，总装机功率为30.16万千瓦。这片海域的年均可发电小时数约为2500～2600，比陆地多三分之一。算下来这个风场每年平均可以发出8亿度电，按照0.79元/度的电价计算，每年光靠卖电就可以获得6亿多元人民币的收入。海上风机的设计寿命最低也是20年起，所以这笔投资从长远来看肯定是可以赚钱的。事实上，中国已经连续3年成为全球海上风电的最大市场了，2020年新增装机超过了300万千瓦，占全球增量的一半以上。当然了，如果没有国家补贴的话，仅凭现有的技术水平和电价水平，要想按时收回投资还是有些困难的。解决办法之一就是增加单机功率，以此来降低每千瓦的发电成本。目前国际上已经有单机功率高达14兆瓦的海上风机了，技术进步的空间还是很大的。但以中国的决心和实力，要想赶上去并不困难。点击上图，一键下单「未来的能源」
这一路看下来，我的最大体会就是：如果说未来的能源主要依靠风光的话，那么中国很可能是这次能源转型的最大赢家。风光发电的主要问题就是能量密度太低，需要占用大量土地。中国不但国土面积大，而且有大批土地属于“没人要”的沙漠和荒滩，非常适合用来建造集中式的光伏电站和风电场。据统计，光是一个青海省就有10万平方公里潜在的风光用地，光伏和风电的理论可开发量分别达到了35亿千瓦和7555万千瓦，这就已经让大部分中小国家望尘莫及了。而一些大国虽然具备这样的土地资源，但当地居民恐怕不会轻易出让这些土地，或者转让租金很可能会高到让电厂难以承受，中国在这方面具有天生的制度优势。
中国还有长达1.8万公里的漫长的海岸线，而且相当一部分中国领海属于大陆架延伸出去的浅海，地质条件非常适合安装固定式海上风机，这就相当于为未来的风力发电行业留下了一大块潜在的土地资源，战略意义重大。2021年10月22日出版的《自然通讯》（Nature Communications）杂志发表了一篇由中美科学家联合撰写的研究报告，作者分析了42个主要国家1980～2018年间的能源和气象数据，发现即使不添加储能配套设施，仅靠风光发电就能满足绝大部分国家80%以上的用电需求，国土面积越大、纬度越低的国家在这方面的优势就越明显。按照这篇论文的分析，俄罗斯、加拿大、澳大利亚、美国和中国是最适合发展风光电站的国家，而德国、韩国、瑞典和波兰等国家在风光领域的资源禀赋就要差很多。风光发电不但需要合适的场地，更需要强大的技术和充足的资金支持。欧美曾经是光伏发电的领跑者，最早的技术创新都来自他们，但中国制造业的基础十分雄厚，再加上来自政府的强力支持，使得中国很快后来居上，成为当前风光发电行业的全球领军者。截止到2020年底，中国的光伏发电总装机量达到了2.5亿千瓦，风力发电总装机量达到了2.8亿千瓦，两者分别占到全球总量的三分之一和五分之二。更重要的是，近10年来中国陆上风电和光伏发电项目的单位千瓦平均造价分别下降了30%和75%左右，这两个行业都已经不再需要国家补贴，可以平价上网了。
2021年9月15日，在安徽省明光市苏巷镇罗郢村境内，电力工人在40多米的高空对110千伏供电线路施工作业（ICphoto 供图）
根据国际能源组织（IEA）所做的统计，2020年全球风光发电的总装机容量增加了2.38亿千瓦，中国贡献了增量的一半。中国在可再生能源领域的总投资额和专利申请数量均居世界第一，中国五大发电集团之一的国家电投在这方面贡献最大，其光伏发电装机总量已经超过了3800万千瓦，新能源发电装机超过了7500万千瓦，可再生能源发电装机规模超过了1亿千瓦，清洁能源装机占比突破了60%，这几项重要指标均居世界能源企业的首位。作为全世界公认的两种最为清洁的能源，风电和光电肯定将在不远的将来取代石油和天然气，成为国际能源市场上最抢手的商品。那些先天条件优越的国家很有可能取代现在的欧佩克国家，成为未来世界的能源霸主。不过，风光资源的分布式特点决定了这两种能源比化石能源“民主”多了，绝大多数国家至少适合发展其中的一种，所以真正能占领未来能源市场的不一定是那些自然资源大国，而更有可能是那些拥有最先进风光发电技术的国家。中国两者皆有，最有可能在这一轮全球能源转型浪潮中获益。作为全球最大的温室气体排放大国，中国也确实应该承担起这个责任。中共中央国务院于2021年10月24日颁发的《2030年前碳达峰行动方案》中指出，中国的非化石能源占比将从目前的16%增至2030年时的25%左右，风电和太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。也就是说，中国必须在未来的9年时间里每年平均增加7500万千瓦以上的风光发电能力。考虑到2020年中国新增风电装机就已达到了7000万千瓦，光电新增装机也达到了5000万千瓦的水平，要想完成这项任务并非难事，甚至有可能加倍。不过中国在新能源领域也并不是一枝独秀的。随着能源转型的需求越来越强烈，其他国家也在发力，纷纷根据自己的实际情况寻找应对策略。比如很多传统的产油国都已经意识到不能在石油这一棵树上吊死，正在努力寻找石油的替代品。而大部分产油国都位于中东和北非，这两个地区的太阳能资源无人能及。于是不少国家开始行动起来，在这一领域投入巨资。相对贫油的摩洛哥起步较早，已经做到国内能源需求的40%来自可再生能源了，欧洲的这一比例仅为18%。而光照条件非常好的阿联酋刚刚在国际能源市场上创造了太阳能电站竞标价格的世界最低纪录，其光伏发电价格只是柴油发电机的三分之一。再比如，北欧国家纬度太高，太阳能资源贫乏，北大西洋又太深，固定式海上风机的潜力即将耗尽。于是他们便开始研发悬浮式海上风机，打算将其用于水深超过50米的深海海域。虽然目前这项技术才刚刚起步，安装成本要比固定式海上风机高一倍左右，但随着技术的逐渐成熟，预计到2030年时两者将会持平。这就相当于为北欧国家提供了一大块适合用于发展风电的土地资源，潜力不可限量。IEA于2021年5月发布了一份报告，认为如果要想在2050年实现全球碳中和，90%的电力必须来自可再生能源，其中的70%来自风光发电。2020年的可再生能源发电占比只有29%，因此风电装机的增幅必须在2030年时达到每年新增3.9亿千瓦的水平，其中海上风电的增幅需要达到0.8亿千瓦的水平。考虑到2020年全球风电装机增幅仅为1.14亿千瓦，其中海上风电的增幅仅为500多万千瓦，要想实现IEA定下的目标，挑战还是很大的。
塞舌尔首都维多利亚附近的风力发电厂（视觉中国供图）
光伏发电的难度甚至比风电还要大，因为按照IEA的估计，光伏发电的年平均增幅要在2030年时达到6.3亿千瓦的水平。而2020年的光伏发电增幅仅为1.24亿千瓦，差了5倍之多，主要原因就是光伏板占用的土地资源太多了。为了彻底解决光伏用地的难题，美国科罗拉多州一家农场尝试在农田上方安装太阳能电池板，意外发现这么做反而增加了产量。专家解释说，这是因为自然界有很多植物原本就是长在树阴里的，光照过于强烈反而有害。比如芹菜、西红柿和辣椒等蔬菜就是喜阴的，更能适应在光伏板下生长。还有一些叶菜也很适合种在光伏板下，因为光照强度的降低会刺激植物长出更大的叶片，以此来弥补光合作用的不足。更妙的是，光伏板降低了土壤温度，减少了水分蒸发，不但灌溉用水量降了一半，农场工人的工作环境也改善了。如果这个方法最终被证明有效的话，将从根本上解决光伏电池板没地方装的问题。农民们会很乐意把自家土地租给光伏电站，从而实现农民、电站、消费者和环境“双叒叕赢”的局面。如果合适的农田都能变成风电场或者光伏电站的话，就将极大地拉近发电端和用户端之间的物理距离，这一点将是决定风光发电行业成败的关键之一，因为电力的传输难度很大。青海戈壁滩上的风光电场虽然看上去风光无限，但有两点相当违和。第一，这地方方圆数百里都是人烟稀少的无人区，距离最近的西宁市也在两个小时车程以外，距离最缺电的东部沿海地区就更远了，从这里发出来的电很难送到用户那里。第二，我去参观的那天碰巧是个阴天，光伏电站的发电功率只是额定功率的十分之一，风力发电机干脆全部处于低风待机状态，因为当天的风速仅有1.16米/秒，人体几乎感觉不到。虽然此前听说过很多次可再生能源有“三性”的说法，即波动性、随机性和间歇性，但真的在现场见到了漫山遍野纹丝不动的风机和沐浴在阴影之下的一排排光伏板，内心还是很震撼的。可再生能源虽然环保，但在时间和空间上都和人类的能源需求不匹配，需要加大力气去解决。这个问题的产生，以及相应的解决方案，都和电的特征有很大关系。在煤的时代，人们并不需要每时每刻都在烧煤，但在如今这个电的时代，电网哪怕停电一秒钟都算事故，人类对于能源的需求从量的维度扩展到了时间维度，两者缺一不可。问题在于，如今发电端生产出来的交流电很难储存，必须立刻输送到用户那里被消耗掉，于是可再生能源的“三性”问题就成了障碍。运煤需要火车，运石油需要管道，输电只需一根电线就可以了。电能在电线中以光速传播，看似迅捷无比，但由于电阻生热而产生的能量损耗却是个大麻烦。爱迪生发明的直流系统就是在这个问题上败给了特斯拉发明的交流系统，最终由后者一统江湖。学过中学物理的人都知道，在常温超导材料没有被发明出来之前，要想减少输电损耗，唯一的办法就是升高电压，从而在功率不变的情况下降低电流。但过高的电压非常危险，对于使用者来说太不友好了，所以高压电到达用户端之后必须先把电压降下来。交流电的特点是变压容易，只要在发电端安装一台升压器，在用电端安装一台降压器就可以了，非常方便。直流电虽然理论上也可以先逆变（直流变交流）再变压，但整套设备造价高昂，经济上非常不划算。交流电网的普及彻底激活了用电市场，诞生了无数应用。但许多使用交流电的设备都是利用电磁感应来工作的，需要先建立交变磁场才能进行能量的转换和传递，这部分工作需要消耗无功功率，这也是导致交流输电在同等电压的情况下要比直流输电损耗更大的一个因素。当然了，直流输电在发电端和用电端的换流站里同样需要消耗无功功率，但都已在两端的换流站里进行了充分的无功补偿。不过，在中国电力科学研究院电力系统碳中和研究中心新型电力系统战略规划研究室主任秦晓辉看来，交直流输电最大的区别还是在于两者的特点和性质非常不同，交流输电的主要优势是可以构建输配电网络，本身不适合远距离（上千公里）大容量点对点的电力传输，而直流输电则正好相反。“交流电网很像是一个弹性力学系统，节点和节点之间仿佛连着一根根弹簧，遇到冲击会缓冲和振荡起来，所以交流电网的优点是对扰动冲击的自适应性非常好，不太依赖控制，缺点是一旦遇到太强的冲击可能会把弹簧拉断，也就是电网失去稳定性。”秦晓辉对我解释说，“因此，如果要靠交流电网来做远距离大容量输电的话，必须把沿途的电网全部加强一遍，还要求沿途各节点的电压支撑都要达到一定水平，代价较大。而直流输电是相对刚性的，高度依赖精准控制。虽然它的抗扰性和交流输电相比不占优势，但它能实现点对点的大容量远距离输电。如果传输距离超过1000公里的话，经济上要比交流输电划算。”秦晓辉用大家熟悉的交通系统打了个比方：高压直流输电好比喷气式飞机，适合承担远距离点对点的客运任务，但很难在中途停下来上下客。交流电网更像高速公路网，虽然运输效率比飞机低，但胜在随时可以停车，更适合中短途旅行者。对于那些国土面积不大，或者发电端和用电端距离较近的国家，交流电网就足够用了。但中国情况非常特殊，可再生资源最好的地方大多位于西部和北部，而用电大户则大都位于东南沿海地区，两者距离太远，更适合通过高压直流线路进行点对点的电力传输。自从2009年建成第一条线路以来，中国已建成了39条特高压交直流输电线路，成为全世界唯一拥有商业运行的特高压交直流输电线路的国家。这些特高压输电线把来自东北、西北和西南等边远地区的风光水电直接送到了经济发达人口稠密的东部沿海地区，极大地提高了中国可再生能源的利用率。比如黄河公司在青海的风光水电就是通过“青豫直流”送至河南的，这是一条专为可再生能源外送而建设的±800千伏特高压直流输电线路，总长度1563公里，规划容量800万千瓦，总投资额高达226亿元人民币。2020年底开通运行的一期工程容量为405万千瓦，每年计划外送206亿度电，约占河南省年用电量的十六分之一。但是，国家电投战略规划部主任何勇健告诉我，由于水电不到位等原因，目前这条线路平时的运行功率只有200万千瓦，少的时候甚至还不到100万千瓦，处于严重闲置的状态。按照预先的规划，和青豫直流配套的包括146万千瓦水电、200千瓦风电和300千瓦光伏。但因为风光出力不稳定，水电经常要占大头。2021年黄河上游水量不足，水电不给力，导致这条投资额巨大的输电线路处于非正常工作状态。还有一件事影响了这条线路的正常运行，那就是调相机还没有到位。我这次专门去参观了刚刚建成正在试运行的珠玉330千伏汇集站，里面有16台50兆乏的分布式调相机。调相机其实就是空转的同步电机，其作用就是支撑系统电压，快速调节无功功率，从而大大提高了电网的强度。像青海这样的边远地区的电网强度本来就不好，可再生能源又是出了名的不稳定，这就需要调相机来帮忙。青豫直流工程建设方事先对调相机的所需数量估计不足，因为他们也没有想到，即便是水风光捆绑式送电，依然对电网有这么大的基础要求。而调相机的一次性成本很高，这就严重影响了高压直流输电线路的经济性。即使将来这个问题解决了，交流电网也无法承载太多的高压直流输电线路，因为目前的技术水平还达不到安保要求。“高压直流输电的功率特别大，一旦出现近区交流电网短路或控制脉冲紊乱等情况，都可能会导致换相失败，对送受两端的交流电网造成很大的功率冲击。”秦晓辉对我说，“现在有一种柔性直流输电技术，虽然可以避免换相失败的问题，但却仍然要面对故障穿越期间或闭锁带来的功率扰动冲击问题，所以高压直流输电规模是有上限的，不可能一直建下去。”中国是世界上唯一拥有直流交流混合电网的国家，中国的电网又是高度集中的，88%的国土面积都由国家电网公司一家负责，一旦某条直流线路出现突发情况，将会导致大面积的连锁反应，后果十分严重，于是中国的电力工程师们不得不在没有先例的情况下冒着巨大的风险摸索前进，压力之大可想而知。据秦晓辉估计，虽然中国西北部地区的风光发电装机容量将会在2060年增加到现在的10倍左右，但考虑到当地的经济发展和新能源就地消纳等因素，到2060年时西北部地区将只有三分之一左右的新能源发电量需要跨区外送，因此带来的跨区特高压直流输电容量需求可能仅为目前的2.5～4倍。事实上，未来很可能连建设高压输电线路所需要的土地资源都不够了。举例来说，目前中国西北地区的可再生能源大都是通过河西走廊送到东部的，这条走廊并不宽，铁路公路也需要从这里通过，早已拥挤不堪，如今已经很难找到空间建设新的输电线路了。从这个例子可以看出，新能源就像是一匹未被驯服的野马，虽然未来的潜力很大，但野性同样很大，稍不留神就会被它踢上一脚。要知道，输电只是新能源开发过程中遇到的一个相对次要的问题，并网才是最大的问题所在。黄河公司光伏产业园发出的电并不都是直接并网的，其中的85万千瓦光伏电先要通过一条330千伏的高压输电线送至36公里外的龙羊峡水电站，然后再通过水电站自己的接口并入国家电网。这么做可不是为了省接口钱，而是为了提高光伏电的质量，避免被电网嫌弃。事实上，风电和光伏电都曾经因其“三性”特征而被称为“垃圾电”，严重影响了可再生能源行业的发展。黄河公司的这一做法被称为“水光互补”，我在龙羊峡水电站的监控室里亲眼见证了这一新技术的威力。那天因为天气不好，光伏电站只能发出8.5万千瓦的电力，于是龙羊峡水电站的4台32万千瓦的水轮机组全都处于基本满发的状态，以此来弥补光伏出力的不足。如果太阳出来了，光伏板的电量上来了，水电机组就会适当下调发电功率，把整个系统的并网功率维持在一个相对平稳的水平。如果没有水电的帮助，那天光伏产业园发出的那点可怜的电力很可能会被电网公司拒收，这就是可再生能源行业最不喜欢的“弃光”现象。但因为有了水光互补，这条线路的年利用小时数就从原来的4621小时增加到了现在的5019小时，大幅提高了水电站的经济效益。其中的光伏部分每年可以通过这条线路发出将近15亿千瓦时的清洁电力，相当于每年节约了46.5万吨标准煤。
黄河公司精心打造的光伏产业园（蒋力 摄）
风电和光伏电为什么会被视为“垃圾电”呢？这件事和电网的特性有关。想象一下，如果在煤炭时代有一车皮的煤没有及时运到，客户虽然会有损失，但只要下一趟火车把缺口补上就没事了，而且其他客户也不会因此而受到影响。如果某客户多收到一车皮的煤，只要找个地方暂存一下，问题也不大。但电是一种即发即用的能源形式，能量在发电端和用电端以光速相互匹配，发多少就得用多少。虽然交流电网有一定的弹性，但两端的能量差一旦大于某个阈值，电网的电压或者频率就会超出安全范围，导致整个电网崩溃，所有人就都用不上电了。如此苛刻的条件下，电网之所以还能安全运行很长时间不出事，主要原因就在于发电端的输出功率和频率都是高度可调的。电网方面只要提前一天统计好下游第二天的用电负荷，然后把负荷按一定比例分配给上游的发电厂，让两端基本保持一致就行了。即使在第二天的实际运行过程中出现少许偏差，只要命令发电端迅速调整输出功率和频率，即大家常说的调峰和调频，即可保证电网安全运行。全世界最早的电网是爱迪生于19世纪80年代初期在伦敦和纽约分别建起来的，一开始用的都是煤电，这是电网最喜欢的供电方式，因为煤电厂选址灵活，输出功率可大可小，调整幅度一般可达最大输出功率的一半左右，而且反应也很迅速，可以在几分钟内完成功率调整。如今经过改造的煤电厂甚至可以把调整幅度扩大至输出功率的80%，这样的煤电厂非常适合作为调峰电站使用，是维持电网稳定的中坚力量。中国目前的火电（基本都是煤电）总装机约为12亿千瓦，占中国电力系统装机总量的一半左右。但火电厂每年发出的电量约为5.2万亿千瓦时，占中国总发电量的68%，由此可见煤炭对于中国能源总量的贡献有多么大。但煤炭是最“脏”的能源，减煤势在必行。考虑到一般煤电厂的平均寿命大致在30～50年之间，只要中国从此不再建设新的煤电厂，到2060年时煤电装机将会大幅缩减，中国能源系统的“去煤化”似乎指日可待。但是，据何勇健估计，2060年时的中国煤电总装机仍将维持在10亿千瓦的水平，但其主要功能将不再是为电网供电，而是为计划中的60亿千瓦可再生能源提供调峰调频服务。换句话说，那时的煤电厂大部分时间处于待机状态，只在需要调峰调频时才出力，其发电总量占比将会下降到10%～15%左右。这部分碳排放可以通过购买碳汇的方式消除掉，或者通过新技术把二氧化碳收集起来埋入地下，以此来实现碳中和的目标。类似的事情历史上有过先例。当年英国改用煤炭之后，木材消耗量反而上升了，这是因为挖煤的矿井需要用木板来支撑，铁路也需要消耗大量枕木。一直等到这部分需求达到峰值之后，木材的消耗量才真正降下来。水力发电几乎和煤电同时起步，因为水电站的输出功率同样具备一定的灵活性，而且建成后的发电成本极低，同样很受电网欢迎。不过，随着工农业和居民生活用水变得越来越重要，全世界大部分水库的首要职责已经从发电变成了供水和防洪，导致水电站的发电灵活性受到了很大限制。比如龙羊峡水电站的功能排序已经从刚建成时的“发电防洪防凌供水”变成了现在的“防洪供水防凌发电”，发电的地位从第一降到了最末。如今的龙羊峡水电站在黄河的枯水期需要停发蓄水，丰水期需要泄洪防涝，不可能做到全年满负荷发电。甚至水电站每天的发电量也需要根据上游来水量而定，灵活性大受影响。更重要的是，水坝会阻断河流的正常流动，对一些洄游鱼类很不友好，大部分环保组织都不认为水电是一种清洁环保的发电方式。目前全球尚存5.87万个大坝，绝大部分都是在1930～1970年间建成的，设计寿命多为50～100年，因此我们很快将会迎来大坝退役潮，水电的未来存在很大的不确定性。中国现有23841座大坝，约占全球总量的40%，即使这些大坝不退役，中国水电也没有太大的发展空间了。核电是第三种主要的发电方式，理论上同样具备一定的功率灵活性。但为了确保安全，一般核电站不会参与调峰调频，而是作为基荷电站一直满发。比如中国目前的核电装机占比仅为2.36%，但发电量占比高达5%，两者的差距是所有发电形式当中最大的。不过，将来核电站数量多起来之后完全可以参与调峰调频，起码从技术上来讲是没有问题的。燃气发电机是第四种主要的发电方式，但因为天然气价格昂贵，大都用于一些比较特殊的场景，不太会为电网供电。但从理论上讲，燃气发电机是最好的调频调峰电机，因为它的输出功率调整范围极宽，几乎可以做到百分百可调，非常适合用于调峰，启停反应时间比火电还快，几乎可以做到秒级，非常适合用于调频，所以燃气机很有潜力成为未来的新能源微网的专属配套电站。
2017年6月1日，在江西省赣县区永骏泰新能源科技有限公司的生产线上，工人正忙着生产数码变频燃气发电机（视觉中国供图）
以上这四种主要发电形式本质上是一样的，都是利用外力（蒸汽、水流或者内燃机）驱动一个大转子去切割磁力线，从而产生交流电。这样的发电机统称为同步机，因为同一个电网连接的转子转速都应该是一样的。比如中国交流电标准是50赫兹，所以中国同步机的转速都是每分钟3000转。如果因为功率不匹配导致转速突然下降，电厂就会立即自动开大调速器的气门，把蒸汽功率和转速提上去，这就是调频的基本原理。如今的交流电网之所以是现在这个样子，和过去的这四种主要发电方式密切相关，两者互为因果。但风电和光伏发电都不是同步机，而是一种电力电子装置。其中风力发电机虽然也有转子，但风机转子的转速太慢了，和同步机不是一回事。“从电力系统机电暂态的时间尺度讲，新能源不是电压源，而是电流源，风机和光伏板发出来的都是电流，不是电压。”秦晓辉对我解释说，“学过物理的都知道，电功率等于电压乘以电流，所以新能源必须先并网，借助电网提供的并网电压才能输出功率。边远地区的风光资源之所以难以利用，就是因为那边的电网条件不好，必须先把电网建好并加强了，才能使新能源发出的电并得上、送得出。”新能源还有一个特点，那就是功率备用能力差，无法参与电网的有效调峰和调频。“新能源最好是满发，比如风机和太阳能电池板大都是在‘最大功率点追踪’（MPPT）模式下工作的，以便尽可能多地把风能和太阳能收集起来。但这么做就会导致新能源发电装置没有调节备用能量来源的储备，输出功率缺乏自主灵活性，无法有效参与电网调峰调频。”秦晓辉补充道，“如果硬要新能源参与调峰也不是不行，这就需要通过人为降载（Deload）的方式留出一些备用，刻意不让新能源处于最佳发电状态，但弃风弃光可是真金白银的发电量损失，新能源运营商一般不愿意这么做。”因此，新能源必须配合调峰才能有效消纳，否则波动性太大，电力系统受不了。比如太阳能只在白天才有，晚上就需要别的能源顶上。风电倒是不分昼夜都可以发，但风经常说没就没，难以预料，电网同样不喜欢，于是弃风弃光就成了新能源领域难以根除的顽疾。一些边远地区为了发展新能源，甚至必须建设新的煤电厂来负责调峰调频，以期减少弃风弃光，但这么做就和发展新能源的终极目标背道而驰了。既然如此，我们能否把弃掉的风光储存起来，以备不时之需呢？答案并不那么简单。假如未来中国内陆的可再生能源无法顺利地运出来，东南沿海地区靠什么来替代化石能源呢？答案之一就是海上风电。国家电投山东分公司的海上风电项目选择在海阳登陆，我专程去位于海阳市郊区的陆上集控中心参观，发现这里除了标配的变压器和配电室之外，还有一块被栏杆围起来的空地，里面整齐地码放着几十个集装箱，箱子里装的是磷酸铁锂电池组。原来这就是专为海上风电项目配套建设的储能电站，风机发出来的电可以先储存在电池里，一旦风力减弱，就可以通过电池放电来填补空缺。把可再生能源发出来的电储存备用的想法逻辑非常简单，技术路线清晰，很早就有人尝试过了。不过早期的储能主要是靠抽水蓄能电站来实现的，即先用多余的电把下游水池里的水抽至上游水池，把电能转换成水的势能储存起来，等到需要时再向下游水池放水，推动水轮机组发电，完成一轮能量循环。抽水蓄能技术成熟，能量转换效率高，调峰调频能力几乎和天然水电站一样好，深受电网欢迎。据统计，截止到2020年底，全球累积已投运的电力储能项目的总功率达到了1.9亿千瓦，抽水蓄能占比高达91%。同期中国的抽水蓄能电站已建成投产32座，合计装机3149万千瓦，排名世界第一位。但抽水蓄能在中国电力总装机中的占比仅为1.4%，与发达国家相比还有不小的差距。抽水蓄能电站最大的问题是选址严重受限，而且前期投资也比较大，于是又有人开发出了压缩空气储能、重力储能、飞轮储能和高功率电容储能等一系列新的储能技术，各有优缺点。但最近几年发展势头最猛的还得说是电化学储能（电池），大有后来居上的架势，主要原因在于电动车市场的蓬勃发展导致动力电池产能大幅提升，储能电池的价格下降得很快。此前有不少储能项目甚至选用电动车淘汰下来的旧电池作为储能电池，这么做既能节约成本，又能实现动力电池的梯次利用，节约宝贵的原材料，看上去是一个双赢的选择。但自从2021年4月16日北京大红门储能电站发生锂电池爆炸事故之后，这个做法便遭到了广泛质疑。事故发生两个月后，国家能源局出台新规，要求新能源电厂在电池管理技术取得突破之前原则上不得使用旧电池作为储能设备。我这次参观的数家新能源储能项目用的全都是新电池，虽然安全性有了一定的保障，但成本就上去了。储能电池的发展之所以如此迅猛，还有一个隐含的原因。2021年以来，已有20多个省份相继出台新规，要求所有新建的新能源电站都必须按照10%～20%的比例安装储能设备。但中国目前的电力市场尚未健全，没有给储能电站留出足够的盈利空间，新能源开发商在储能方面的投资得不到相应的回报，动力明显不足。储能电池虽然存在一些缺点，但却是能够满足新规要求的最便宜的储能方式，很自然地成为大多数新能源开发商的首选。
美国太平洋天然气和电力公司(PG&E)在加州北部部署的182MW/730MWh Elkhorn电池储能项目（视觉中国供图）
我采访过的一些新能源开发商虽然全都按照要求安装了储能设备，却都满腹牢骚，认为这套设备严重影响了电站的经济性，希望国家能改变政策，把储能的任务转交给国家电网。他们觉得储能是为新能源上网服务的，所以电网才最适合干这事。针对这一说法，秦晓辉给出了不同的意见。“电网的主要职能是电力传输和配送，而储能并不是电力输配过程中的必然环节，因为输配环节的制约而对新能源消纳带来的影响并不大，调峰才是制约新能源消纳的主要因素。”秦晓辉解释说，“国家对于电网公司投资建设储能的态度并不积极，电网主要干好输配和调度的事情就可以了，而储能调峰资源的建设应该由发电企业来负责。”问题在于，目前流行的储能电池的能量密度太低，导致其单位储能的造价过高，其结果就是用的时候不够用，不用的时候占投资。比如山东省要求省内新能源项目的储能配套设备必须达到额定功率10%放电两小时的最低水平，海阳海上风电项目的额定功率是30万千瓦，所搭配的储能电池至少要能存6万千瓦时的电才能满足要求。即使按照每千瓦时2000元的目前市场最低价来计算，这套设备的造价也在1.2亿元左右，对开发商来说是一笔不小的投资。但即便如此，这套设备也仅能填补两小时的风力空缺。如果没风时间稍微久一点，或者影响面积稍微大一点的话，电网就抓瞎了。事实上，这就是2021年9月东北大规模停电事故的起因之一。那段时间整个东北几乎无风，最严重时东三省3500万千瓦风电装机只有3万千瓦在工作，连额定功率的千分之一都不到。电网一下子失去了那么多电力，煤电又因为各种原因没能及时顶上来，便只能拉闸限电了，否则电网就崩溃了。如果电力部门能够通过气象预报提前知道那段时间无风，这个信息又能及时通报给发电厂的话，那次事故本来是可以避免的，但这就需要搭建一个信息交流平台，而这就是中能融合智慧科技有限公司正在做的事情。“当时我们已经知道东北的风会不足，但我们不知道当地煤电的匹配情况是怎样的，没法给出建议。”中能融合董事长王海对我说，“我们公司正在搭建一个能源工业互联网平台，希望能把中国的一次能源和二次能源企业全都包括进来，共享信息，以便能够提前做出预警。”据王海介绍，该平台已经接入了全国3600多家电站，占中国规模以上电站的70%以上。这个平台绝不仅仅只是提供天气预报和匹配发电用电指标这么简单，而是试图整合电网两端的工况安全数据、经济运行数据和居民消费数据等所有相关数据，在人工智能算法的帮助下，对电力系统未来一段时间的供求关系做出合理预测，为保证国家能源安全提供技术服务。不但如此，该平台还可以为相关部门提供技术支持，帮助它们更好地适应能源转型。举例来说，目前中国电网主要依靠煤电来调峰，而煤电厂要想从原来的发电主力转型为调峰主力，必须要对设备进行改造，增加功率调节范围，于是问题就来了。“一般煤电厂的最低稳压负荷是40%，即一台100万千瓦的火电机组一起步就是40万千瓦，否则工作起来就不稳定，还会减少使用寿命。”王海对我说，“为了配合新能源深度调峰任务，最好能够将最低稳压负荷降到20%，即在20千瓦的水平下还能稳定工作。但最近一段时间煤电厂都在去产能，导致专业人才流失严重，改造任务无人承担。如果能够把煤电厂的各种设备和运行数据上传到我们这个平台上，就可以由专家在北京实施远程监控和指导，帮助全国各地的煤电厂完成技术改造。”换句话说，这家公司试图运用大数据的思路来管理整个能源体系，更好地匹配电力的供给和消费，帮助电网接纳更多的新能源。从道理上讲，像中国这么大的国家不可能突然全都没风或者全都阴天，覆盖88%国土面积的国家电网如果足够“智慧”的话，应该能够做到一定程度的动态平衡。但秦晓辉告诉我，中国各地的气候差异不如大家想象的那么大，实际上国家电网经营区的新能源发电互补最小保障出力往往也就占到新能源装机的3%～10%，遇到极端天气仍然很难做到实时动态平衡，所以还得靠储能。但储能电池容量有限，如果一处风场连续几天刮大风，第一天的剩余风量还可以储存起来，后面几天就只能弃掉了，因为电池已满。一般新能源电厂的配套储能电池只能放电几个小时，如果连续几天发不出电的话，电池也就一点用处都没有了。
海上风力发电（视觉中国供图）
有没有什么新技术能够提高储能电池的能量储备呢？答案是肯定的，液流电池就是其中之一。顾名思义，这种电池的关键之处就在于其正负极的电解液是流动的，可以分别单独循环，电堆本身只提供一张离子交换膜，电解液在膜的两端进行化学反应，同时释放出电能。位于张家口的战石沟光伏电站安装了一套铁-铬液流电池光储示范项目，我专程去电站参观，立刻明白了这种电池的优点在哪里。这套液流电池系统的主体是8个31.25千瓦的电堆，系统总功率只有250千瓦，并不算高，但电池的能量全都储存在盐酸铁和盐酸铬溶液里，这两种溶液分别储存在两个高约5米、直径约两米的储液罐内，通过管道分别流向电堆的正负极槽，在槽中间的交换膜上完成能量转换。这两种溶液的毒性和腐蚀性都很低，在零下40℃到零上70℃的范围内都可以正常工作，循环次数超过两万次，而且几乎不存在自放电损失，这四个优点都是储能电站特别需要的，也是锂电池所不具备的，尤其在冬季寒冷的张家口地区更是锂电池无法替代的，这就为北京冬奥会提供了可靠的电力保障。目前这套示范系统能够储存1500千瓦时的电力，相当于6小时的持续放电时间，造价比同等水平的锂电池多一倍。但是，如果将来打算扩容的话，只需多建几个储液罐就行了，不用添加电堆组，单位能量的储能成本立刻就降下来了。换句话说，如果只是想满足河北省的新能源储能新规的话，这套系统比锂电池贵，不合算。但如果真的想应对长时间无风无光的情况，把放电时间从几个小时增加至数天的话，那么液流电池是更好的选择。目前国内比较流行的液流电池是全钒电池，单位造价比铁-铬液流电池低，技术上也更成熟。但铬的已探明储量是钒的25倍，两者目前的市场价格也差了16倍之多。如果液流电池成为未来储能电池主流技术的话，两种金属储量的差异将会被进一步放大。不过铁-铬液流电池的技术还很不成熟，能量密度也不够高，有待市场的进一步检验。无论如何，电化学储能技术受物理限制的约束，更适合用于短期储能。等到未来可再生能源成为发电主力的时候，市场对储能的需求将会出现爆炸性增长，我们必须另辟蹊径，寻找新的解决办法。前面说了可再生能源和电网之间的诸多矛盾，但起码到目前为止这套系统还算运行良好，并没有出现太大的问题。要知道，中国拥有全世界规模最大的电网，装机量和发电量均居全球第一，可再生能源装机占比更是高达42%，但近年来只在局部地区出过几次供电事故，整体可靠率不低于99%，这是相当不容易的。尤其是当你明白了交流电网的供需两端究竟是如何匹配的，你就更能体会到这里面的技术含量实在是非常高的。
问题在于，我们之所以要努力发展可再生能源，最终的目的是要将化石能源尽可能地全部替代掉，从而在2060年实现碳中和。目前中国可再生能源发电的装机占比虽然高达四成，但实际发电量只有三成不到，其中水电还占了一多半，风光这两种“垃圾电”加起来不到10%。但40年后可再生能源的发电量至少要占到80%以上，到时候可再生能源的“三性”问题就会变得极为突出，很难再靠火电和水电对其进行优化（调峰调频）了，目前这种主要依靠大电网供电的方式将面临严峻挑战。“当前中国每年新发的近8万亿度电基本上是靠大电网来解决的，但这个大电网已经没有太多扩展的空间了。未来新增的电能很可能需要用户端采用微网加储能的方式自行解决，分布式能源的占比将会越来越大。”何勇健对我说，“微网尤其适合居民和小商户，大家平时主要靠风光供电，可能还需要补充一点点地热，多出来的电可以先储存起来，不够用的话可以先在相邻的微网之间相互调剂，实在调不了了再去大电网上买一点就行了。而大电网的主要功能就是为工商业供电，同时扮演为微网托底的角色。这样一来，大家对大电网的需求就小多了，大电网的稳定性有了保障，而可再生能源的消纳也会变得更容易。”“大电网不可能无限发展，否则安全性很难保证。尤其是随着未来新能源越来越多，供需两端的时空不平衡问题会变得越来越严重。”秦晓辉也认同何勇健的看法，“国家能源局一直在提倡新能源就地平衡，在此基础上再考虑远距离送电。”两位专家分别代表了发电端和电网端的意见，双方都认为新能源发出来的电和大电网的性质不太匹配，最好的办法是直接就地使用。中国西北地区新增的风光电可以通过沿海工厂西迁而被消化掉一部分，剩下的可以就地制氢，把电能变为更适合储存和运输的化学能。东部沿海地区则可以通过海上风电和分布式光伏来解决自己的能源需求，因为这些地区电网资源好，使用端的电价也有保证，很适合消纳分布式的可再生能源。“分布式新能源并网有两个选择，即微电网和配电网。”秦晓辉对我说，“前者在西方国家发展得很快，他们一开始就是冲着离网自治运行的方向而运作的。但目前中国的分布式新能源并的大都是配电网，因为其主要目的是为了并网发电，老百姓或业主通过向大电网卖电获取收益。”西方国家的居住条件比较好，独门独户的家庭很多，每家每户都可以自建一个微网，依靠屋顶光伏和电池储能做到自给自足。中国人大都住楼房，只能以小区为单位自建微网，仅靠屋顶光伏显然是不够用的。不过何勇健认为城市小区可以和周边农村合作，利用郊区的土地资源建设光伏电站和风力发电站，再辅以天然气（未来用氢替代）和电池储能，依然可以在不烧煤的情况下基本做到能源自给自足。
20世纪50年代，几名工人在安装屋顶，随后他们会在房顶上安装太阳能电池板
所以说，根本问题不在居住条件的不同，而在于双方的电力市场太不一样了。“据我所知，德国黑森州独立住户的购电价格是每度电25欧分，大致相当于两元人民币一度电，他们把很多税费，比如养老保险什么的都算到电价里去了。”秦晓辉对我说，“德国的居民高电价是故意的，为的就是鼓励用户节约能源，他们认为居民用电是纯消耗型的，产生不了GDP。但这个政策促使很多德国人为了省钱而搭建了自己的分布式光伏和用户储能微网，间接促进了新能源相关产业的发展。”新能源发电的一大特点就是前期一次性投资额较大，但发电成本极低，所以新能源企业都希望多发多卖，愿意承受低电价。反过来，为了配合新能源并网，传统火电厂经常需要深度调峰，这就不得不牺牲一部分效率，导致发电成本上升。所以中国建立了一个全球独一无二的辅助调峰服务市场，使新能源企业向火电厂购买调峰服务，其结果就是新能源企业总觉得自己亏了，而火电厂也觉得自己钱没赚够，双方谁都不满意。为了解决这个矛盾，很多西方国家的电力市场采取了现货交易的方式，买卖双方按小时报价，价格低的先中标，每小时结清一次。白天太阳好或者风大的时候风光电厂就会踊跃报价，有时甚至为了中标而不惜报负电价，反正风机转起来就能发电，如果为了调峰而关风机反而不合算。其实供电方和市场经常需要火电厂来兜底，结算出清的时候是按照最后一度电的边际成交电价来计算的，所以风光电厂即使报了负电价仍然可以赚到钱。等到了晚上或者没风的时候，只有火电厂敢报价，于是他们就可以根据情况抬高电价，同样可以赚到钱。这套机制是完全市场化的，峰谷电价甚至可以相差10倍以上，其结果就是新能源有电的时候可以满额发电，用户享受低电价，环境也跟着受益。新能源没电的时候火电顶上来，维持对负荷供电，并得到相应的回报。“通过这套分时双边竞价机制，不仅可以有效解决调峰辅助服务买卖双方的扯皮问题，还可以把为了保护环境而多花的清洁化附加成本有效传导给消费者。”秦晓辉解释说，“但我国实行的是居民阶梯电价制度，当然也有一些工商业峰谷电价，但普遍还没有按小时分时的概念，我们并没有把这部分多花的清洁成本转嫁给消费者，而大都是在电力系统内部通过调峰辅助服务等途径分担消化了。”其实中国一直在尝试电力系统改革，发改委于2021年10月发布新规，将煤电的上网电价从过去的上浮不超过10%，下浮原则上不超过15%，扩大为上下浮动原则上均不超过20%，高耗能企业市场交易电价则不受上浮20%的限制。但这项改革措施仅限于工商业，尚未普及到民用电力市场，中国普通百姓依然享受着超低的电价，导致民间缺乏建设微网的动力。不过，种种迹象表明，眼下这个状态是不可持续的，电力系统的市场化改革势在必行。无论是为了环保还是为了用电安全，我们每个人都必须付出一定的代价。这场改革背后的动力就是能源转型，这是实现双碳目标的必经之路。无数事实证明，可再生能源要想打败化石能源，全面占领全球能源市场，光靠政府的行政命令是不够的，必须借助商业的力量，让经济杠杆发挥作用。加拿大著名环境史学者瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil）在《能源神话与现实》（Energy：Myths and Realities）一书中指出，人类在过去的200年里经历了两次大的能源转型，分别是19世纪中期开始的从木材到煤炭的转型，以及20世纪初期开始的从煤炭到石油天然气的转型。虽然从能量密度的角度讲，这两次转型都是符合经济规律的自发转型，但也都花费了至少50年的时间才完成，说明能源转型牵涉的面实在是太广了，其难度远超一般人的想象。举例来说，从木柴到煤炭的转型需要铁路网和电网的支持才能成功，而从煤炭到油气的转型则需要公路网和航空业作为基础。所有这些网络基础建设都需要投入大量的人力物力才能完成，而一旦它们完成之后，改动起来又相当困难。比如今天的这个大电网是为了配合火电厂而搭建起来的，两者都适合自上而下进行管理，秉性相投，所以配合得天衣无缝。但新能源的特点决定了它更适合自下而上的分布式发展，微网才是它最合适的搭配。反过来讲，化石能源发展的驱动力来自人类对提升能量密度的永恒追求，只需很少的一点推动力就可以依靠民间的力量自下而上地自发运行了。但以风光为主的新能源却反其道而行之，其发展动力来自环保的需要，更像是一场自上而下的政治运动。正是这种矛盾导致了新能源的发展远不如化石能源那么顺利，如果我们还像上两次转型那样任其自然发展，很可能需要花费更多的时间才能完成。换句话说，新旧两种能源模式在基本的理念上正好相反，我们必须换一种思路去思考新能源的未来。可惜的是，气候危机留给我们的思考时间不多了，我们只能迎难而上，没有别的选择。事实上，这次转型的难度是如此之大，我们只有把政府和民间的力量有机地结合起来，从上下两个方向一起努力，才能打破斯米尔提出的能源转型魔咒，用更短的时间完成这次难度更大的转型。黄河公司在西宁有一家太阳能工厂，我去参观了该厂引以为傲的IBC光伏板生产线。IBC的全称叫“全背电极接触晶硅光伏电池”，是将光伏板的正负两极金属接触点全部转移到电池片背面的技术。使用这项技术制造出来的光伏板正面是全黑的，没有其他光伏板常见的金属线，不但增加了有效发电面积，提升了光电转换效率，而且外观上也更好看，更适合用于城市建筑物的外立面。这项技术原本掌握在外国公司手里。黄河公司经过两年的科技攻关，成功地将IBC电池板的研发转换效率提升至25.08%，量产转换效率达到了24%，两者均处于世界领先水平。这种光伏板非常适合用于分布式光伏，未来的房屋表面很可能贴满了这种光伏板，使得所有人既是能源的消费者，又是能源的生产者。这将是人类能源史上的一次根本性的革命，因为旧能源几乎全都是资源型的，没有就是没有，因此很容易形成垄断，甚至引发战争。太阳能和风能则正好相反，是一种相对平等的资源形式，只要你拥有相应的技术，就可以获得属于自己的那一份。技术属于知识的范畴，而知识虽然是没法永久垄断的，但仍然需要付出努力才能得到。要想顺利实现这次能源转型，不但需要政府主导自上而下的改革，以及经济杠杆自下而上的推动，更需要能源技术的不断更新作为保障。根据IEA的估计，新能源领域到2050年时所仰仗的新技术至少有一半是现在还未成熟的技术，广大科研人员还有很多工作要做。中国不是一个传统意义上的能源大国，在这方面我们一直是受制于人的。但中国的科技实力一向十分雄厚，中国技术人员的聪明才智不输给任何人，我们有能力从这次能源转型中获益，并为保护地球环境做出自己的贡献。
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