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独家:特朗普政府推动商业性天基太阳能电站发展途径

时间:2017年03月09日 信息来源:中国太空网 点击: 【字体:

(中国太空网讯,俞盈帆译自《空间评论》网站)尽管特朗普在佛罗里达州的选战中获得了广泛支持,但美国航天企业并不是这期间所讨论的话题。美国航空航天局(NASA)的支持者们希望能够推动美国航天员重返月球或前往火星的进程,另一个更好的话题是让即将上任的特朗普政府明白,商业载人航天事业可以作为增强和保卫美国的经济工具。

特朗普正在为了实现竞选时的诺言而为新政府设置政策和法律议程。有3个非常重要的话题需要引起人们的重视:国家能源自主、全球大气环境保护和《巴黎气候协定》。一个生机勃勃的、专注于天基可再生能源的美国商业载人航天事业,能够为增强美国未来的能源安全提供手段,处理好大气二氧化碳含量这个棘手的话题,为《巴黎气候协定》的重新谈判提供基础——同时,还要在强有力的多边支持下展开上述工作。

因此,恢复一个由副总统直接领导的白宫国家航天委员会可以为这些工作建立起清晰的跨部门及国会合作。作为这些工作的一部分,NASA载人探索项目将会增强美国私人企业,为即将到来的天基能源、太空采矿和太空制造业取得技术突破。

一、国家能源安全

家能源安全对美国在21世纪继续保持超级大国地位至关重要。化石燃料占美国当今能源使用的80%,是美国当前能源安全的基础。多数美国人错误地以为,美国拥有用之不尽的国内煤炭、石油和天然气,这是不准确的新闻报道和误导式的电视广告导致的。虽然每个人都知道,化石燃料是不可再生的,但由于相信美国的化石燃料取之不竭,人们对美国国家能源安全得出了不正确的结论。

于是,公众已经普遍得出这样一个结论:没有必要制定政策或采取行动来保证美国在后化石燃料能源时代的安全,因为目前的能源安全是有保证的。他们不知道什么东西可以用来替代化石燃料,或什么时候才急需这样做。

能源安全关系到方方面面,它包括人口数量、为保持国家繁荣所需的人均能源供给,以及已经探明的国内化石能源储量。美国地质勘探局给出了利用现有技术探明储量的正式评估。包括探明储量,技术上已经探明的可开采储量,以及专家根据已知地质形成物推测的可开采储量。下述这些自然资源的规模和组成适用于评估美国的化石能源安全。

1列出了美国国家地质勘探局对美国煤炭、石油和天然气资源的评估,同时给出了当前美国每年的能源消耗量和按照当前消耗量估算出资源的可用年数。煤炭除了用于发电,还用于转化人造汽油,以便于传统石油耗尽后继续保障石油供给。因此表1中给出的煤炭可用年数是根据这个原则计算的,也就是说,所有的能源资源将在两三代人之内耗尽,或者变得成本太高而无法使用。

美国化石能源储量

种类

可采原油储量/10亿桶

消耗原油量/10亿桶

可用年限/

石油

259.8

6.1

43

天然气

403.4

4.9

82

煤炭

882.5

18(考虑煤变油)

49

总计

1545.7

29

174

然这只是一个粗略的估算,但却指出了美国并不拥有取之不尽、负担得起的化石燃料供应。特朗普政府就任的这个时刻,正是启动未来后化石燃料时代能源计划的起点,因为美国当前拥有3.2亿人,到2100年预计将拥有5亿人,而能源转型需要几代人才能完成。

二、全球大气中的二氧化碳浓度

1给出了自公元1500年煤炭被普遍使用后,大气中二氧化碳含量的变化,以及世界人口规模和化石燃料导致碳排放的变化。图中阴影条带是大气中二氧化碳含量在过去80万年间的变化范围;较高的数值是在两次冰河期之间的气候变暖时期,正如我们当前身处其中的时期;较低的数值是比较寒冷的冰河期,冰层覆盖了北半球的很大一部分面积。在全球气候如此大幅度变化的条件下,二氧化碳含量的最高值和最低值却能出人意料地保持着相对稳定,这表明现在的高数值是不正常的。

全球大气中的二氧化碳浓度

这些图表使笔者得出结论,人类在18世纪开始对大气中的二氧化碳浓度造成影响,当时的人口规模超过了10亿人。而从19世纪中叶开始,二氧化碳浓度开始大幅度上升,因为煤炭广泛地取代了木材,蒸汽动力带来了工业革命。这使人类对于煤炭的需求大幅度上升,生活水平的提高又促使人口爆发式增长。当前围绕“全球变暖”这个话题,在公众和科学界有很多争议,其中的焦点就是当前的二氧化碳浓度是否比先前“自然”水平的最高值高40%,并且每年还在攀升。

三、《巴黎气候协定》

1992年,经美国参议院批准、小布什总统签署,美国加入了《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)。这个协议的目标是“将温室气体的浓度稳定在不致于使气候系统遭破坏的水平上”。而二氧化碳则是主要温室气体之一。

《巴黎气候协定》是为了全球一致实现UNFCCC目标、针对大气中二氧化碳浓度上升的最近一次努力。这个协定在2016114日生效。作为美国的一项“行政协定”,总统可以直接批准,不需要经过参议院。因此,美国在201694日提交了正式批准的文件。但奥巴马政府声明“目标不存在捆绑:所绑定的要素和此前已经批准的协议是一致的。”

《巴黎气候协定》在有些方面是有缺陷的。其中的一个例子就是它对全球气候变暖的关注,协议相信这是由于二氧化碳浓度持续上升造成的,但并不关心如何通过有序地转向可再生能源来消除对化石燃料的依赖。另一个例子是创造了一系列自定义的“气候变化”受害国,按照协定,要对这些国家做出每年不少于1000亿美元的经济补偿。虽然存在着一些废除《巴黎气候协定》的讨论,但从法律上来说这是很困难的。前总统行政协定的法律授权是含糊的,它可以被视为一事一议的法律决策。部分联邦法官可能会接受这项行政协定,认为总统批准这项协定能够更好地服务于公众(其中一个结果是奥巴马政府批准的二氧化碳排放限制法规,当一名参议员试图阻止迅速通过法案的时候,这份法规可以得到法庭的支持)。

美国的联邦法律中涉及环保的条款复杂而冗长(特朗普政府利用法庭来保持《巴黎气候协定》的活跃是一种政治手腕,这可以成为一个政治议题)。作者本人不是律师,但如果特朗普政府试图无视《巴黎气候协定》,那么在某些国际法庭上就会面对挑战,也会成为特朗普外交政策上令人头痛的事情,特别是当他出访某些希望得到补偿的发展中国家时。

比较好的途径是,重新开展关于《巴黎气候协定》的谈判,重点讨论用于抑制、逆转二氧化碳浓度上升趋势的技术解决方案,同时向全世界提供一种用于替代化石燃料、提高能源缺乏国家生活水平的可再生能源。当然,这里讨论的是天基可再生能源。重新谈判应当维持原先的时间表,也就是在2100年前完成化石燃料的替代。重新谈判后的协议应当简单地把2100年设定为完成替代的目标节点,并给出可以采用的可再生能源手段,其中应当包括天基可再生能源。每个国家都可以自由选择最适合自己需求的方式组合。这样的简短协议最适合美国利益,可以在国会得到两党的一致支持。这也将给特朗普政府在面对所有能源需求国和最希望得到可再生能源的国家时,提供一个有力的外交谈判工具。

四、美国对于天基可再生能源的需求

许多人尚且没有意识到美国是需要得到天基可再生能源的。笔者先前曾经撰文讨论过这些问题,下面是主要的结论:

化石燃料占美国能源消耗的80%。到2100年,美国人口将达到5亿人,80%的美国人需要新的可再生能源作为电力和燃料,其余20%可以通过水电、地热发电、核电、风电、地基太阳能、生物能源来提供,这一比例一如今日。

对风电来说,每平方千米商业风电场只能满足77个美国人的年能源需求。如果要完全替代化石能源,美国需要在2100年前建设5.2×106km2的商业风电场,建立500万个150m高的风力发电机来替代化石能源。

对于地基太阳能来说,每平方千米商业地基太阳能电站只能满足580个美国人的能源需求。如果要完全替代化石能源,2100年美国需要在阳光强烈的西南部建设7.0×105km2的商业太阳能电场。考虑到当地地形总体来说较为崎岖,几乎所有新墨西哥州、亚利桑那州、内华达州、犹他州、德克萨斯州西部、加利福尼亚州南部的平坦地域都将被占用。如果考虑到云层遮盖的问题,还需要相应增加太阳能电场面积。

对核能来说,每10万个美国人需要1000MW的电力。如果要完全替代化石能源,美国需要在2100年前建立40001000MW的核电站。除了核废料安全存储的问题、核设施安全问题、铀资源供应问题以及与核燃料增殖相关的外交政策问题之外,美国大陆能够提供足够冷却水来支撑核电站适度扩张的地点并不多。

很显然,在美国,风电、地基太阳能、大陆核电站不能恰当地替代化石燃料。如果把讨论话题扩大到水电、地热发电或生物燃料,结果也是一样的。因此,美国需要另一种可再生能源解决方案。需要明确指出,真正急需的新解决方案就是天基可再生能源,因为别无选择。考虑到大气中二氧化碳浓度的上升,正如在19世纪中叶美国被迫放弃木材燃料转向煤炭一样,美国如今将被迫转向天基能源来取代化石燃料,以承担法律和道义责任。天基太阳能发电将成为天基可再生能源的首选。

五、天基太阳能发电及其潜在的市场价值

天基太阳能的理念是在20世纪60年代提出的,是把地面上的太阳能发电场移到地球静止轨道上。从这个轨道上,电力可以传输到地面接收站上,然后分配到当地电网。为了做到这一点,需要在轨道上设置1.55×104km2规模的太阳电池或反射镜,来提供4.0×106MW的基本用电负载。天基电站的尺寸之所以和地基发电场有差异,是因为天基太阳电池可以全天时工作,地基电池只有20%的时间可以工作;而且在大气层之外,阳光照射强度比大气层之内高50%;天基太阳电池可以持续指向太阳,不会受到地面障碍物和道路的遮挡,因此可以使用更紧凑的电池阵。地球静止轨道的周长达到2.65×105km,有充足的空间来布置电站平台。

重开《巴黎气候协定》谈判、制定新的国家能源安全政策和修订新的国家航天政策,这3个要素结合在一起,能够使美国私营企业明确看到:到2100年,美国将需要一个能提供4.0×106MW基本电力的天基可再生能源产业。更进一步,未来全新修订的《巴黎气候协定》将要求在世界范围内提供5.0×107MW的潜在能源市场,若要去除大气中的超量二氧化碳、使大气成分恢复正常,还需要在几十年内额外提供2.0×107MW的能源,

当前,美国的平均工业电价是7美分/kWh4.0×106MW的天基电站每年可以提供3.5×109kWh的电量,意味着每年产生24500亿美元的产值。如果考虑到全球7.0×107MW的电力市场需求,年产值可以达到4.3×105亿美元。假设有10%的产值用于建造和运行天基电力产业的航天后勤活动,意味着每年又会有40000亿美元潜在的航天后勤市场营业额。

六、可再生能源关口站

正如前文所述,天基电站要把电力传回地基接收站。出于设计上的考虑,典型接收站的规模是5.0×105MW。这意味着美国需要建设800个接收站,来提供可持续的电力和燃料。考虑安全边界,每个接收站占地大约205km2,全美需要占用1.64×105km2土地,这比地基电站需要的7.0×105km2少得多。

胡佛大坝发电能力为2.0×105MW,每个地基电力接收站是其2.5倍。为了取代化石燃料、提供天基可再生能源,需要在全美建设800个相当于2.5倍胡佛大坝的能源关口站,以支持地方经济。一批新的、现代化的、大规模的21世纪城市将会在这些关口站周边建立起来,从而充分享受可再生能源的优势,不再需要长距离输电线路。经过精心设计,接收天线的下方依然可以进行农业生产,因为俯仰式天线可以透过85%的阳光,不像传统太阳电池那样不透明。将接收天线置于温室顶部,可以实现工业化温室食品生产,全年可为相应的城市提供不受气候影响的、本地生产的新鲜食物。

在接收站内的天线下方建立工厂车间,可以直接获得百兆瓦级别的电力。这样的事情在全美重复800次,可以有效实现美国能源生产、食品生产和工业的大幅度分散化,在各地产生可观的新商业机会和工作岗位增长。这是天基能源所能带来的显著经济优势,是任何地基可再生能源解决方案都无法相提并论的。美国将在整个21世纪从化石燃料转向天基能源的过程中,持续地重建并现代化。

如果把这个模式推广到全世界,就需要建设10000个这样的可再生能源关口站,来满足不断增长的世界能源需求。若要去除大气中的二氧化碳,还要再建设4000个能源关口站,以便在全球范围内彻底取代传统能源,转向天基可再生能源。这是UNFCCC协议所要求做到的,这也是修订后的《巴黎气候协定》可以做到的。

未来,在每一个能源关口站,政府从消费税、所得税和财产税上得到的收入都会增加。美国现在有2.0×105亿美元的庞大国债,州和地方政府的债务和未来的公共开支负担在持续攀升。商业天基能源、空间采矿和空间制造产业,天基能源关口站带来的新城市、工业、商业和工作岗位,将大幅度增加国家财富和收入。

这正是美国需要再平衡政府收入和开支、减少公共债务的时刻。同样的事情也会发生在全世界,缺乏能源的国家接受天基能源关口站,就有可能为国民和国家实现经济转型,获得新的国家财富,同时还能建立起新的现代化生活标准和经济模式。地基可再生能源是无法做到这一点的。

七、NASA的探路作用

19世纪50年代,建设横穿美洲大陆铁路的想法在美国广泛传播开来,联邦政府向西部派遣了勘探队伍,勘探所需自然资源的位置,测绘可能的路线。后来人们实施了类似的工作来测绘海岸线、内河和湖泊航线图。这些案例体现了早期联邦政府为了帮助私营企业开拓新物理和前沿技术所发挥的重要作用。

事天基可再生能源工作,需要建立新的美国国家天基能源、采矿和制造产业。为了减少私人投资风险、提高公众信心,NASA应该启动一项有益于这些工作的探路任务,探明月球和小行星资源,推动关键技术的发展和成熟。NASA正在考虑重返月球和前往近地小行星的载人任务,这些工作如果能与NASA正在实施的科学技术研发工作相结合,将使NASA处于一个很有利的定位上,可以承担积极进取的载人航天计划,引领美国私营企业实现常态化载人商业航天活动。

八、国家航天委员会

了启动这项工作,需要特朗普政府发挥强健、有效的领导作用。重建由副总统领导的白宫国家航天委员会,对于制定广泛的跨部门规划是合理的,这种计划对美国成为一个真正商业载人航天强国是必要的。虽然本文的讨论集中在天基太阳能发电上,但这种规划对类似于空间采矿、空间制造、空间补给来说同等重要,需要新的或修订的国家航天政策、立法、跨部门合作和预算计划等工作。在整个特朗普政府中,国家航天委员会对于成功启动美国转向一个真正载人航天活动国家的进程是必要的,NASA的探路计划将在其中起到引导作用。

九、结论

美国一定要成为一个载人航天强国,而不仅仅是进行航天探索的国家。为了达到这个目标,需要给出具有说服力的经济理由。美国无可置疑地需要从化石燃料转向天基可再生能源,这为特朗普政府接受这一重大转型提供了判据。本文所列举的巨大效益并不仅仅是为了美国,也是为了全世界。美国需要在经济和技术上更加强大,对世界很多地方来说,能源匮乏带来的灾难会使之被抛离主流。人类文明将在21世纪真正的航天文明出现时更上一层楼。

我们可以想象自己回到1917年。当时,航空技术还在襁褓之中,飞机是用木材和布匹支撑的。如果对当时美国顶尖的航空工程师解释说,美国能在1个世纪内做到年产数千架飞机,每架飞机都可以运载数百人,并在8km高度以高亚音速飞行数千千米而不用加油,恐怕没有人会相信,更不会相信数千架这种飞机可以昼夜按航线飞行,几年都不会出事故;远程飞机可飞过半个地球,乘客可以在这期间看电影或者睡觉。然而,这些令人激动的幻想如今已经成为现实。

能够与之相提并论的航天革命正在发端,希望美国人能领导这次革命。这也是特朗普政府可以把握的机会,希望梦想可以成真。

作者麦克·斯尼德是资深工程师,美国航空航天联合会院士,是航天研究所负责人和专栏作家。



 

(作者:佚名)
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