阳光和风都属间歇性资源，也就是说，它们很难一年365天、一天24小时连续发电。我们对电力的需求却是非间歇性的，希望时时刻刻都有电可用。所以，如果太阳能和风能在电力结构中占据重要比例，为避免发生重大断电事故，在没有阳光、没有风的时候就需要其他选项。我们要么把过剩的电力存储在电池中（关于这一点，我稍后会讲到，但其成本极其高昂），要么增加其他依赖化石燃料的能源供应，比如建造以备不时之需的燃气电厂。无论哪种方式，从经济学的角度看，都不站在清洁电力这一边。在我们接近100%地使用清洁电力时，间歇性会转变成一个更麻烦、更昂贵的问题。

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在间歇性方面，最明显的例子就是太阳落山之后，太阳能电力供应会中断。对于这个问题，假设解决方案是将白天生产的多余的一千瓦时电力存储起来，留待晚上使用（你需要的远不止这点儿，我在这里使用一千瓦时是为了计算方便），那么我们的电费会因此增加多少呢？

这取决于两个因素：一是电池的成本，二是电池的使用寿命。就成本而言，假设使用一千瓦时的电池要花费100美元（这是一个保守估计，我暂时先不考虑其他情形，比如为购买该电池而不得不贷款）。至于电池的使用寿命，我们假设充放电循环为1000次。

所以，这个一千瓦时的电池的资本成本是100美元除以1000次充放电循环，即每千瓦时为10美分。这是发电成本之外的费用，利用太阳能发电，每千瓦时成本约5美分。换句话说，与日间用电成本相比，购买存储起来供夜间使用的电力需多付两倍的价钱——5美分的电力生产成本和10美分的电力存储成本，总计15美分。

我认识一些研究人员，他们表示可以制造出5倍于上述使用寿命的电池。虽然现在他们还没有成功，但如果他们做到了，那么原本10美分的额外费用将降到2美分，这可以说是一个相当大的降幅。总之，只要你愿意支付一笔高额费用，那么太阳能电力供应的夜间用电问题在今天是可以解决的。而且，通过创新研发活动，我相信我们可以降低这一额外费用。

令人遗憾的是，夜间间歇性并不是我们所要应对的最大难题，夏冬之间的季节变化是更严重的障碍。当然，这个问题也有诸多解决方案，比如通过核电厂或装备有碳捕获设施的燃煤电厂来增加电力供应。任何现实场景都将包含这些选项。关于这方面的内容，我会在本章后面谈到，在此为简便起见，我仅使用电池来说明季节变化的问题。

假设我们想存储一千瓦时电力，但不是为了供一天使用，而是为了供一个季度使用。我们在夏季存储电力，然后在冬季用来驱动一个空间加热器。这次，电池的生命周期不再是问题，因为每年只需要给它充一次电。

但假设我们需要通过融资来购买电池。现在，我们已经占用了100美元的资本。（显然，你不会为100美元的电池融资，但如果你想购买足可存储数吉瓦电力的电池，那么你可能就需要融资了。）如果我们需要为资本支付5%的利率，那么在电池成本为100美元的情况下，存储一千瓦时则需要额外付5美元。这里还要记住，我们为日间太阳能电力所支付的成本仅5美分。谁会花5美元存储价值5美分的电力呢？

季节间歇性和高昂的电力存储成本还会导致另外一个问题，而这个问题对太阳能的大用户来说尤为明显：夏季产能过剩，冬季产能不足。

在下雪天，被雪覆盖的光伏板不能为家庭提供能源。图片来源：视觉中国

由于地球的自转轴是倾斜的，所以任何一个地点的日光量都会因四季的变化而不同。日光强度也是同样的道理。这个变化的幅度有多大，取决于该地离赤道有多远。在厄瓜多尔，日光的变化幅度几乎可以忽略；在我居住的西雅图地区，一年中日照最长的一天的日光量是一年中日照最短的一天的两倍；在加拿大和俄罗斯的一些地区，该差值会达到12倍之多。

为什么这种变化很重要？我们来看另外一个思想实验。假设在西雅图附近有一个城镇想发展太阳能，希望每年生产一吉瓦电力。我们姑且称它为“日光城”。那么，日光城的太阳能阵列要有多大呢？

选项之一是安装足够多的太阳能电池板，在阳光充裕的夏季生产一吉瓦电力。但到了冬天，日光城就不那么走运了，因为这个季节的日光量只有夏季的一半。如此一来，也就出现了产能不足的情况。（对于电力存储的高昂成本，当地议会非常清楚，所以排除了电池选项。）另外，在日短夜长的冬季，日光城需要安装更多的太阳能电池板，以生产足可满足冬日需求的电力。显然问题是，随着夏季的到来，这些太阳能电池板的产能又会过剩。由于电价非常便宜，所以对日光城来说，要收回安装这些太阳能电池板的成本，压力很大。

在电力产能过剩问题上，日光城可以选择在夏季时关闭部分太阳能电池板，但这样做意味着资金投到了一年只使用一半时间的设备上，这会进一步推高该地居民和企业的用电成本。换句话说，这将提升日光城的绿色溢价。

日光城的处境并不仅仅是一个假设命题，类似的情况已经在德国出现。通过雄心勃勃的“能源转型”项目，德国计划到2050年将使用可再生能源比重提升到60%。在过去10年里，德国投入数十亿美元，大力推广利用可再生能源——太阳能装机容量在2008—2010年增加了650%。但是，德国在2018年6月生产的太阳能电力是2018年12月的10倍左右。事实上，在夏季，德国太阳能发电厂和风电厂生产的电力实在太多，以至于整个国家都用不完。出现这种情况时，德国会把一部分过剩的电力输送给邻国波兰和捷克，而两国领导人抱怨说这给他们本国的电网造成了极大的压力，同时造成了不可预测的电力成本波动。

间歇性还会引发另外一个问题，而这个问题甚至比日常或季节性变化问题更难解决。如果发生极端事件，一座城市在接下来的几天里无任何可再生能源可用，那么它靠什么坚持下去？

假设将来东京的电力生产完全依赖风能。（日本确实有相当丰富的陆上和海上风力资源。）假设在8月的气旋高峰期，一场巨大的风暴袭击了东京，由于风力强劲，若不关停风力涡轮机，它们则会悉数被毁。该市领导人决定关掉风力涡轮机，同时寻找性能最好的大容量电池存储电力，希望以此应对这场风暴。

问题在于他们需要多少电池才能满足东京整座城市3天的电力需求？因为风暴要持续3天，也就是3天后他们才能重启风力涡轮机。

答案是至少1400万块电池，其存储容量超过全世界10年的产能，购买价为4000亿美元。考虑到电池的生命周期，这些电池平均每年的成本超过270亿美元。而这还仅仅是电池的资本成本，不包括电池的安装和维护费用。

这个例子完全是假设的，没有谁会真认为东京应该百分之百依赖风电或将所有电力存储在时下的电池中。我举这个例子是为说明至关重要的一点：大规模存储电力极其困难，而且成本高昂，但在未来几年，如果我们依赖间歇性资源提供相当比例的清洁电力，那么这将是必须面对的问题。

而且，在未来几年，我们将需要更多的清洁电力。大多数专家认为，随着我们对其他碳密集型流程进行电气化改造，比如钢铁制造电气化和汽车动力电气化，到2050年，世界电力供应需要增加一倍乃至两倍。而这甚至还没有把人口增长因素考虑在内，也没有考虑人们会逐步走上富裕道路并会使用更多电力的情况。所以，这个世界需要的电力将是我们现在所生产电力规模的3倍以上。

由于太阳能和风能是间歇性资源，所以电力生产能力需要进一步扩大。（装机容量是指在太阳照射最强或风力最大时能生产的电力。这是一个理论上的数值。发电量是实际生产的电力，这当中计入了资源的间歇性、电厂因维修和保养而暂时关闭的情况，以及其他影响因素。发电量通常小于装机容量，而在资源不稳定的情况下，比如依靠太阳能和风能发电，两者之间的差距可能更大。）

算上我们将使用的额外电力，并假定风能和太阳能将发挥重要作用，那么要想在2050年以前实现美国电网完全“脱碳，”需要在接下来的30年里每年增加约75吉瓦的装机容量。

这个数字大吗？在过去10年里，每年平均增加了22吉瓦。现在我们需要在此基础上再增加两倍以上的装机容量，并在接下来的30年里一直保持这一步伐。

这项任务并不难完成，因为太阳能电池板和风力涡轮机的制造成本越来越低，而且效率越来越高。换言之，我们发明了新的方法，可以从给定数量的太阳能或风能中获得更多电力。（时下最好的太阳能电池板只能将不到四分之一的照射阳光转化为电力，而市面上常见的太阳能电池板的理论上限为33%左右。）随着转化率的不断提高，在同等面积的土地上获得的电力更多，这将有助于我们更广泛地应用这些技术。

但仅有更高效率的太阳能电池板和风力涡轮机还不够，因为美国在20世纪所建造的设施与21世纪的需求不匹配。地理位置将比以往任何时候都更重要。