能源转型变革 | 美国可再生能源发展现状和经验分析

目前，世界各国都在积极探索未来能源转型发展路线，加快开发利用可再生能源已成为世界各国的普遍共识和一致行动。大力发展可再生能源不仅能够减少对传统能源的依赖，又能减少二氧化碳等有害气体和有害物质的排放。在全球有害气体排放量中美国位居第三，仅次于中国和印度。为破解可再生能源发展瓶颈问题，美国政府推出了一系列能源战略和政策。

美国是世界上第一个制定能源安全战略的国家，能源安全战略包括四项基本原则：节约能源、完善机制、灵活的财政支持以及最大限度地利用可再生能源。

美国制定的能源安全战略的核心内容是节能。从降低能源消耗的角度来看，政府完成了本国的经济性结构调整。当然，这是大规模使用可再生能源的结果，有助于减少对化石燃料进口的依赖，实质上可以作为一项长期的政治任务。

美国退出“巴黎协定”的决定并未改变美国社会对环境保护问题的态度。每年举办的例行会议上美国超百万个城市的州长和市长表示他们打算继续大规模发展可再生能源发展，特别是风能和太阳能。

一、太阳能发展现状

从2008到2017年近十年来，美国可再生能源发展迅猛，特别是太阳能发电领域。2008年，美国太阳能的市场份额占0.05%(可以向18万户家庭提供电力)。2012年太阳能供电能力已经达到100万户家庭。但到2017年底，太阳能发电量达到总发电量的2%以上，足以为700万美国普通家庭提供电力，2018年第一季度末，太阳能可供电用户数量增加到1000万。

自2008年以来，美国太阳能发电量增加了39倍，从2000吉瓦时增加至2017年的80000吉瓦时左右。

美国加利福尼亚州近年来一直被誉为美国太阳能领导者，该州太阳能发电占全国太阳能发电总增长的43%，这主要得益于政府实施的“百万太阳能屋顶计划”。

美国其他州也跟随加利福尼亚州发展太阳能：亚利桑那州(太阳能发电量从2008年的35吉瓦时增加到2017年的6498吉瓦时)，北卡罗来纳州(7吉瓦时增长到5783吉瓦时)，德克萨斯州(从7吉瓦时增长到2814吉瓦时)，佐治亚州(从1吉瓦时增加到2364吉瓦时)和犹他州(从0吉瓦时增加到2262吉瓦时)。美国太阳能行业的快速发展主要是得到了各州政府的补贴政策，特别是一些在屋顶安装太阳能电池板的房主和小企业获得了大力的财政支持。

二、风电发展现状

2008~2017年，美国风力发电量从5万吉瓦时增加至25万吉瓦时。美国风力发电量占整个发电量的份额从2008年的1.5%增加至2017年的6.9%，使得风电还是供电的家庭数量从300万户增加至2400万户。目前，美国50000台风力发电机的运行使全社会发电量提高了5倍，风力发电主要来自于大西洋沿岸地带。美国计划再投入14.5吉瓦的风电装机容量，为500万户家庭提供能源。

风力发电量排名前十的州中德克萨斯州居首，风力发电量从2008年的16225吉瓦时增加到2017年的67092吉瓦时。其次是俄克拉荷马州(从2358吉瓦时到24404吉瓦时)和加利福尼亚(从5385吉瓦时增加到13971吉瓦时)。内布拉斯加州作为美国风电领导者，带动了全美风力发电的增长：2008~2017年，内布拉斯加州风力发电从214吉瓦时增加到5237吉瓦时，增长了24.5倍。

三、可再生能源发展经验分析

1、制定可再生能源标准

实际上，美国能源部的重组开始时间可以认为是1997年，当时马萨诸塞州政府当局制定了第一个可再生能源标准，该标准最终作为电力公用事业重组法案的一部分通过。如今已经连续第七年，马萨诸塞州被美国节能经济委员会评为全国能源效率最高的州。

目前，全美各州都采纳能源标准，但并非所有可再生能源都会对自然环境产生积极影响。例如，某些类型的生物质能和水力发电在其开发过程中可能会产生诸多问题。

在可再生能源发展的初始阶段，制约发展的因素是能源生产成本较高。随着新结构材料和复合材料的使用、以及科学研究的进步，可再生能源已经进入商业化模式。而太阳能、风能的应用和快速发展促进了可再生能源商业化进程。

2、建立无碳化经济模式

美国可再生能源发展的一个显著特点：随着可再生能源在总能源生产中的份额增加，实际的能源消耗量将会减少。这是实施能源安全四项基本原则的结果，原则中还提到了首要任务是要提高国家经济能效，即提高能源效率和促进可再生能源发展，从而形成无碳经济。

提高能源效率

美国人均使用能源比十年前节约近8%，这在很大程度上归功于能源效率的提高。在1950至2008年间，美国的能源消耗量增加了两倍，从2008到2017年，在人口数量和经济增长的状况下能效下降了1.1%。 而今天，尽管增长了4400万人口，但美国的能源消耗量仍低于2000年。 过去十年美国GDP绝对值增长15%的情况下，GDP单位能耗下降了14%，人均能源消耗下降了7.7%。

美国新汽车的能耗标准从2008年的每加仑21英里降低至2017年每加仑25.2英里，能耗降低了20%，这大大提高了能源效率。2007年的能源市场同样也起到了节能的带头作用，开始在照明领域大规模使用LED设备，2016年使用数量达到8.74亿台，节省的能源足以供应520万个家庭使用。

交通电气化

建立无碳化经济的条件之一便是交通电气化，一种新的能源消耗模式，这势必对电力系统的装机结构产生一定影响，以确保优先使用可再生能源。2008~2017年美国电动汽车销售量为39.5万台，仅在2017年销售了10.4万台电动汽车。就在2010年，美国道路上的电动车数量达到数百个，甚至包括插电式混合动力汽车。现在市场上有20多种纯电动车型，从经济实惠的通勤车到超快速豪华车。

在电动汽车使用方面，加利福尼亚州成为领跑者，占据美国的电动汽车销售总量多达一半——18.2805万辆汽车，安装的电池充电站和充电装置也是全国领先，以确保全州大范围使用电动汽车。2018年，加利福尼亚州已建成全国17000座充电站中的4320座。

另外，根据新建地下停车场安装充电桩的规定，除了主要道路的固定充电桩外，可以在车库和停车场安装私人充电装置。充电时间取决于输入功率，充电设备容量越高，充电时间越短。另外也可以建立电池更换的自动化中心。

3、提高可再生能源份额

能量的存储装置促进了电力系统中可再生能源份额的增加，减小可再生能源生产中的波动性影响，在恶劣的气候条件或技术事故导致的能源生产减少情况下，可以为消费者提供能源，从而提高能源供应的稳定性。储能方式有很多种，其中最常见的是锂离子电池，在低成本下，锂离子电池具备能量高、循环寿命长、绿色环保等显著优势。电力系统中，为了防止电力供应中断等紧急情况导致用户断电，储能装置的储存容量高达100兆瓦，在电力供应中断期间储存容量达10千瓦的存储装置可以为家庭提供长达数小时的电力来源。

储能技术是可再生能源大规模利用的必要开发手段。例如，美国电力储存容量从2008年的42兆瓦增加至2017年的708兆瓦。专家预测，到2020年，美国的电力储存容量将增加到1.7吉瓦。

美国军队对可再生能源的利用给予高度支持，特别是海军。为了向军事基地提供能源，包括住房、办公楼、医院、培训中心和野外营地，目前正在建设基于可再生能源利用的自动化智能能源系统。该系统发出的电力有三分之一用于武装部队，这取代了上千个柴油发电厂。2020年前自动化系统装机容量将达到4.3吉瓦。

近十年来可再生能源的积极发展使其在美国能源消费总量的份额达到20%。前十大“领跑者”中北达科他州居首，2017年可再生能源份额占总能源消耗的58%。在爱荷华州的比例为43%，俄克拉荷马州为41%。如果可再生能源的年增长率达到14%，美国在2035年之前将实现100%可再生能源提供电力。

4、提升可再生能源装备的技术经济性能

加快发展和使用技术经济性能高的能源装备是推动可再生能源发展的关键。在风力发电方面，单位产能持续增长。2005至2015年美国陆地风电装机容量从1.4兆瓦增加到2.0兆瓦。同时，塔架高度从73米升至83米，叶片长度从73米增加到102米。据专家估计，到2030年，大陆风力涡轮机的支撑塔架为115米，叶片长度为135米，装机为3.25兆瓦。

具有最佳风能利用条件的海上风电投运产能在8~10兆瓦，政府考虑进一步增加其单机容量的可能性，相当于6台现有容量最大的风力发电机组。为此成立了一个工作组，着手设计功率为50兆瓦的风力发电机，采用棕榈叶的原理，在强风中弯曲并随风摇摆，以此来抵抗飓风。

太阳能领域广泛利用纳米颗粒来提高太阳能电池板的能源效率。通过减少损耗和扩大太阳能通量的光谱来提升装置的技术性能。从2008到2016年，美国屋顶太阳能电池板的效率提高了25%。效率的提高给计算机跟踪系统和太阳能发电厂管理系统的应用带来了益处。

改进技术和提高装置效率有助于降低能源生产成本。2008到2017年，风能和太阳能发电厂的能源生产成本分别下降了67%和86%。与2010年相比，能量储存单位成本下降了80%，2017年每千瓦时为209美元。这也有助于降低电动汽车和充电设施的成本。

发电成本的降低提高了可再生能源的竞争力。可再生能源国家实验室称，到2030年，风力发电成本将下降30%，太阳能发电成本将减少36%，将低于燃煤发电成本。

对目前美国可再生能源发展现状和经验的分析表明，为了进一步扩大可再生发展规模，节约能源仍是首要任务。这需要引入新的能源消费标准，并扩大美国在各个经济层面可以广泛使用可再生能源的条件。

原文首发于《电力决策与舆情参考》2018年10月19日第39期