我们继续聊和“碳中和"相关的话题，这封信来聊一聊清洁能源。
今天分享的内容主要来自斯坦福大学普雷考特能源研究中心主任崔屹教授的论文和科研成果。崔屹教授刚获得了2021年的劳伦斯奖，这是美国能源领域的最高学术奖项。劳伦斯这个名字来自于美国著名科学家、诺贝尔奖获得者欧内斯特·劳伦斯，这个奖专门表彰在能源领域做出杰出贡献的学者。崔教授十几年前就开始系统地研究新能源问题，因此从他那里得到的信息应该是具有很高的权威性了。
太阳能和风能发电的成木具不能够做到和光发电差不多的水平呢?毕竟，如果太阳能和风能能够和煤炭能源一样廉价，那么煤炭发电在碳排放上的巨大劣势就可以克服掉了。
崔教授回答是，如果单纯比较发一度电的成本，再考虑到用煤发电需要进行的二氧化碳捕获以及其他的环保费用，今天其实太阳能发电的成本已经和煤电差不多了。
今天，太阳能发电的成本比20年前已经下降了好几倍，主要有三个原因:
第一，太阳能板的寿命提高了，从过去的10年左右提高到了20年以上。这样每度电的成本就降低了一半。
第二，太阳能板的制造成本下降了。
第三，光电转化效率的提升，大约从过去的15%提升到了20%。别看增幅只有5%，算相对增长的话，单位面积能发的电就比之前增加了1/3，这相当于又把成本降低了1/4。
但无论是生活还是在生产中，需要考虑的不是单纯发一度电的成本，而是需求方获得一度电的成本。那么就需要计算很多其他的因素，包括输电的成本、电能入网的比例等等。这样算下来，太阳能和风能发电就没有那么便宜了。
因为适合太阳能发电的地方大多是距离城市较远的旷野甚至荒漠，而在高人口密度的城市中，太阳能发电的效率并不高，也就是说电发出来了，还需要经过长途的运输才能送到使用者手里，这个输电成本远高于传统的火电厂。
太阳能发电的另一个问题是，发出来的很多电其实入不了电网，只能浪费掉。如果发出来的每两度电只有一度能入网，太阳能发电的成本就要乘以二。大家平时都有都这样的经验，白天太阳能发电设备在全力运转，但此时我们的用电量其实是比较小的，那些太阳能发出来的电如果无法储存下来就只能浪费掉;到了晚上没有太阳了，我们却开始大量用电。
那么能不能在白天多用太阳能，减少火电的使用，把节省下来的燃料主要用于晚上发电。崔教授讲，美国的加州现在已经在这样后了。但是电网的管理是一件极为复杂的事情，如果没有大规模的储能设备，每天太阳日照最强时所发的电还是会浪费掉很多。
目前，加州太阳能和风能等可再生能源每天所发的电可以够当地使用大约4小时，大概占总用电量的20%。在这个阶段，储能的问题并不突出，因为白天发的电基本上白天就用完了，剩不下多少。
但如果太阳能的发电量进一步增加，比如增加到40%，白天峰值时期发的电就用不完了，就必须有大规模的储能设备储电才能保证不浪费。到那时，如果要把太阳能和风能发的一半电用锂电池储存下来，大约要投入230亿美元。注意，这不是一次性投资，因为电池是消耗品，目前的锂电池的寿命只有3年，和我们手机电池的寿命差不多。
储能技术发展的难点是什么?
那么能否提高电池的储电能力，或者大幅度降低电池的成本呢?崔教授讲，在电池领域可没有摩尔定律，单位容量电池价格每年下降的速度只有3%左右，最终提升的空间可能也不会超过一倍。崔教授的这个判断应该说很有权威性了，崔教授在学术界成名就是靠着在纳米电池上的研究成果。
早在2008年，崔教授就发明了以硅代替石墨做负极材料的锂电池，从理论上讲这能够将电池的能量密度(也就是单位质量或单位体积所储存的电能)提升好几倍。2014年，崔教授在电池材料上的研究成果被《科学美国人》评为当年“十大改变世界的技术”，同年他也被路透社评为世界排名第一的材料科学家。
日即便是站在世界电池技术最前沿的崔教授，对各种新型电池容量的成倍提升也不乐观，他认为，能够将电池的能量密度再提高一倍可能就已经是极限了。崔教授透露，其实有不少人希望给他提供研究经费，研制出能量密度增加一个数量级(也就是10倍)的电池，但崔教授认为这是一种妄想。
当然，有人可能会想世界上材料那么多，是不是将来科技发达了，我们就能找到新材料来做电极，制造出能量密度很高的电池呢?对于这个问题，目前能够给出的回答也是否定的，换言之，短时间内基本不可能。
电池单位质量的能量密度取决于材料的两个性质。
第一个是材料密度，材料密度越小，造出来的电池越轻。而锂是最轻的金属，因此用它做电池同样重量电池的能量密度就更高。
第二个因素是材料的一种化学特性被称为标准电极电位，通俗地讲就是这种材料能产生多少电。金属锂同时也是电极电位绝对值最大的金属之一，绝大多数化学元素都不如锂。也就是说自然界的元素不管怎么配，要取代锂几乎是不可能的。
对于未来可能的新型电池，崔教授提到了一种用氧气和锂作为正负极的电池，这是理论上能够达到最高能量密度的元素配对了，理论上可以将电池的能量密度提高5-15倍左右，这种电池也被称为锂空气电池。但它目前只存在于理论上和实验室里。
崔教授在这里有一段感慨，他说每次大家谈到新能源、新电池时都特别兴奋，但是真正投入进去做一段时间的工作后就会知道，要在目前的基础上提升效率，无论是发电还是储能，难度都很大。
如何系统性地看待新能源技术发展?
我就问崔教授，如果把新能源技术看作一个系统，应该如何发展呢?崔教授强调了两点:首先是要将储能
看作新能源发电体系的一个重要部分，不能只重视发电，忽视储能。
其次，在降低储能成本方面，主要要依靠延长电池的寿命。因为电池的价格难以降低，容量难以提升，但如果使用寿命能提高一倍，储能成本就降低了一半。
沿着这个思路，目前锂电池发展的道路可能就需要重新探索。
具体来说，目前锂电池的技术路线之争主要存在于这两种路线之间:一是发展三元锂电池，二是继续改进传统的磷酸铁锂电池。
但是三元锂电池有两个致命的弱点:可充电次数少。性质不稳定，在300摄氏度以上的环境中就可能出问题。充电次数少，就造成了储电的成本上升。性质不稳定，就容易爆炸。
相比之下，磷酸铁锂电池在600摄氏度以下都能保三稳定的性质，而且可充电次数是三元锂电池的两倍以上。也就是说，在电池寿命上，磷酸铁锂电池比三元锂电池更有优势，似乎更适合作为大规模储能的设备。不过目前为止，从成本考虑，不论是哪种电池都不足以在电网中大量使用。
新能源发展还有哪些潜在困难?
讲到这里你可能就能体会，为什么新能源推广起来那么困难。
采用可再生能源发电还有其它问题，比如对气候和生态环境可能造成不良的影响，目前我们对此也是所知甚少。
以风能发电为例风能的总量其实是有限的，如果用来发电了，风速就会下降，原来自然界的大气流动就会受到影响。比如你在北京的西北方向装上一大堆风车，从蒙古高原过来的风可能就吹不到北京了，这也许会加重北京的雾霾。
此外，如果风能发电厂建在了候鸟迁徙的路径上，发电厂对气流的影响会严重妨碍候鸟的迁徙。类似的例子其实过去就有。很多年前人们就发现，只要在荒野上建一条高速公路，很快两边的蝴蝶品种就不一样了，因为高速公路上空的气流让蝴蝶无法飞过这条界限。
此外，我们现在也难以确认，如果地球表面装了大量的风车，是否会影响到季风，继而是否会影响到气候，包括不同区域降雨量的变化。
当然，清洁能源中除了太阳能和风能，还有核能和水能。但水能发电对环境的影响比风能更显著，因此今天在世界范围内，水能发电的发展已经很缓慢了。核能原本是很清洁的能源，但也有自己的风险，而且民众在心理上比较难以接受，除了法国，其它国家大部分都推广不起来。
