回到未来

作者 阿诺德·西拉迪恩，马泰奥·阿纳尔迪，阿马乌里·克洛萨 大多数人都认同，技术创新是我们应对气候变化这一生存威胁的必要手段。确实，只有通过创新，我们才有可能实现净零排放，适应新的气候条件，同时保持——并且有望进一步提高——经济和社会福祉。然而，对于新出现和新兴的气候变化技术来说，其主要障碍往往是由于风险、不确定性、难以货币化环境效益、高资本支出和漫长的回收期等原因，它们在投资回报方面缺乏吸引力。 太空中的能量是一个很好的例子。从20世纪中叶太空旅行的现实成为可能以来，利用太空中一个设备收集不间断、几乎无限的太阳能的想法就令人着迷了。在1968年，亚瑟·D·利特尔有限公司（ADL）的一名领先的太空技术专家彼得·格拉泽（Peter Glaser）首次发表了从太空中收集太阳能的概念，该概念涉及将卫星部署到地球，使用微波将太阳能传输到地表。1尽管当时引起了相当大的兴趣，但技术挑战被认为过高，并且对基于微波的能量传输技术存在安全担忧。事实上，彼得（后来被誉为“太阳能卫星之父”）继续在ADL担任副总裁，负责多个开创性创新项目，包括1969年7月安装在月球表面的阿波罗11号月球激光测距反射镜阵列的项目经理，以及后续阿波罗登陆任务中安装的两个其他阵列。所有这些硬件至今仍在月球上正常工作。 然而，太空能源的概念最近获得了新的动力。ADL公司与合作伙伴——法国泰雷兹阿莱尼亚航天、达索航空、Engie和液化空气——携手，以一种方式回到了太空能源的“未来”，开展了一项新研究。2对于欧洲航天局（ESA）直接太阳能反射（DSR）项目。与其在太空中利用太阳能发电并通过微波将其传输到地球上的固定基站，DSR项目涉及在太空中部署一系列反射镜，以直接将阳光反射到各种基于地球的太阳能农场，就像为它们提供额外阳光一样。DSR目前仍处于概念阶段，但最初的部署可能最早在2035年发生。 DSR概念的突然加速展示了利用创新实现可持续性目标的一些关键经验教训。它本身也是一个引人入胜的项目。 DSR工作原理 全球安装的太阳能光伏（PV）继续成为增长最快的绿色能源技术之一，到2024年将达到约2,000吉瓦（GW）。然而，太阳能农场仅在太阳高悬于天空时才能产生能源。日间储备系统（DSR）涉及在太空部署大型反光镜，以将太阳能在地面重新定向到现有的或新的光伏发电场，以增强其照明，特别是在无阳光（或阳光不足）的情况下（见图1）。 图1：DSR概念 镜子可以放置在低地球轨道，这可能会使每天在黎明和黄昏时分额外增加多达两个小时的高峰阳光，从而显著提高太阳能农场发电能力——在赤道附近每年可增加高达60%，极大地提高了它们的总体效率。 目前考察的技术概念包括在890公里的轨道高度部署4000个直径约1公里的镜子。镜子的方向会自动控制，以照亮地球表面一个直径约8公里的区域。该阵列被赋予绕地球运行的轨道路径，使其能够覆盖多个地面太阳能农场。（概念评估考虑了30个这样的农场。）阵列在移动到轨道路径上的下一个农场之前，覆盖了每个太阳能农场的黎明和黄昏时段。为了防止阵列的“太阳能聚光灯”影响任何居住区，预留了一片空旷地带 每个太阳能农场需要大约15-20公里的直径。这意味着对于分布式存储资源（DSR）的很多太阳能农场候选者来说将是离网的。实际上，现在和未来的许多位于赤道附近的世界最大规模太阳能农场都是或将成为离网的。它们不是提供电力，而是生产绿色氢气，这些氢气通过管道或船只运输。 至今考察的技术概念涉及在距离地面890公里的轨道高度部署由4,000面镜子组成的阵列，每面镜子直径大约为1公里。 向商业或工业客户销售。今天，氢气是通过使用电解水的电力从太阳能光伏农场生产的——这是在无法实现直接电网连接时，传输所产生能量的典型方式。3 DSR是目前正在探索的两个从太空获取能量的概念之一。另一个被称为“基于空间的太阳能发电（SBSP）”，涉及将一个7公里×5公里的太阳能光伏工厂部署到地球静止轨道。太空光伏阵列将通过微波向地球上的固定地面站传输不间断的能量供应。SBSP最好被视为DSR的补充。它们有不同的目标：DSR旨在更好地利用已经投入到地球上的太阳能农场的大量资金和物质投资，而SBPS旨在提供一种全新的基荷电源。 DSR的价值主张 关键问题当然是DSR的经济效益是否足够吸引人。迄今为止对该概念的研究表明，它可能具有吸引力；然而，与其他一些新兴能源技术一样，它需要大量的前期投资。我们可以从环境效益、地面能源运营商和太空运营商的角度来考虑价值主张。 DSR具有强大的、积极的环境影响。 DSR基础设施全面运营预计可以避免大约88亿在30年的运营期间，相比如果不使用它而仅靠燃气发电厂产生的相同能量所排放的二氧化碳排放量，排放了大量的二氧化碳。相比之下，欧盟国家目前每年排放的温室气体总量略低于30亿吨。4针对这一点，我们需要考虑DSR操作产生的碳足迹，其中以发射阶段为主。总体而言，在整个项目生命周期中，大约排放了8500万吨二氧化碳，从而产生大约净CO2效益。87亿吨。在启动后大约五年内实现碳中和。 DSR相较于其能源生产能力具有微不足道的能源足迹。在参考情景下，在整个项目生命周期内，大约产生20,400太瓦时（TWh）的能源，而仅为发射、卫星生产和部署所需的能源仅为大约300太瓦时。在满负荷运行下，1800万吨氢气将会每年生产，超过10%对 projected 欧洲在2050年的消费需求进行分析。 DSR 可以为地面能源运营商带来实质性价值 一旦原始资本支出完成，DSR可以从它服务的每个太阳能农场提供高达60%的额外能源输出，无需额外的资本支出（CAPEX）。如果我们考虑一个装机容量为8.8吉瓦峰值（GWp）的单个PV+电解槽站，产生这么多额外能源将需要50亿美元的投资。这50亿美元的节省意味着运营商可以降低其氢气生产成本（LCOH）。5以50%的涨幅。即使DSR供应商对额外能源收取转让价，运营商仍将保持较大的净利润。 如果太阳能燃料电池（SFC）技术变得可用，可能会进一步实现增长。SFC可以直接将太阳能转化为氢气，而不需要通过发电作为中间步骤。SFC将绿色氢气生产的效率从12%提高到约40%。 DSR可能对太空运营商带来盈利。 为了使该概念可行，该技术还必须对管理DSR星座的空间运营商具有盈利性。所需投资的约80%用于发射和部署，这些成本取决于阵列的大小和规模。为了达到1,000W/m2，需要4,000面镜子，6投资规模约为600亿美元。减小阵列的尺寸可以降低成本，但研究表明，至少需要800面镜子的阵列才能提供具有竞争力的绿色氢能生产成本。因此，这可以被视为一个最小可行产品（MVP），这将降低 投资额达到100亿至130亿美元，期间空间操作员的收入保持相同水平。 一些需要解决的关键挑战 如同任何新兴技术，实现DSR的挑战是存在的，但在理论上，至少这些挑战似乎在可控范围内： ––技术：DSR比SBSP显著复杂度低，它依赖的大多数技术都成熟或接近成熟。仍需克服的挑战包括镜面部署、姿态控制、镜面生产能力以及地面太阳能燃料电池的发展。另一个挑战是确保安全可持续的运行。与太空垃圾的碰撞是空间任何硬件部署的问题，尤其是在低轨道部署的空间基础设施。我们有望在不到两年内将第一个小规模镜面送入轨道，作为演示器以证明部署和姿态控制的技术可行性。DSR技术也是模块化的，因此可以分阶段进一步发展，最早从2035年开始运营五个镜面，以证明这些技术问题可以解决。 ––金融：此处的主要挑战是部署最小可行产品（MVP）的初始资本投入，正如我们所看到的，这至少需要100亿美元。这可能会需要包括太空机构、政府和私人资助者在内的多个利益相关者的参与。太空机构通常强烈动机去推进太空能源项目，因为这些项目直接对地球上的人类受益。政府通常对此感兴趣。 在催化创建新的价值链方面，正如许多人试图为核项目所做的那样。阿拉伯湾、印度、北非和澳大利亚等地区，因其广阔的、空旷的、阳光炙烤的空间，特别可能对此感兴趣。从私人资金的角度来看，即使全面部署DSR的回报期本身可能并不那么吸引人，但对其实现的技术模块（例如，镜子和涂层）的投资可能是有益的。 一个需要控制的风险是碰撞空间碎片，这是空间任何硬件部署的问题，特别是对在低轨道部署的空间基础设施来说更是如此。 技术、控制系统和远程机器人（用于组装和维护）具有广泛的应用，并且可能在更短的时间内创造价值。 ––部署：部署过高的成本曾经是太空能源概念的主要障碍。然而，自20世纪80年代以来，太空部署每公斤的成本已经从60,000美元暴跌至今天的2,300美元。SpaceX的发展路线图预计将会更低。 显著的下降，星际飞船发射器声称短期内在价格上可以达到每千克100美元。欧洲正在考虑开发类似的发射器。这意味着到2035年，部署800面镜子（MVP案例）可能是可行的，到2043年将有4000面镜子。 ––公众接受度：当前公众对在空间部署技术的风险表示担忧，从太空污染、事故以及可能被视为“地质工程”的任何意外复杂负面影响的角度来看。DSR（分布式太阳阵列）具有本质安全（例如，阵列的辐射对“焦点”范围内的人类无害）和其影响局部的优势，同时具有极低的光污染。7 关于可持续性创新的几点教训 关于为可持续性创新的技术可行性和吸引力方面的DSR概念的加速，体现了以下五个关于创新的重要经验教训。 1. 对于技术性能和风险的假设需要不断重新审视。 能源从太空获取一直被视为一个风险高、不确定的概念，数十年来如此。一些能源运营商认为它与核聚变具有相同的不确定性和风险水平。然而，在太空能源所需的技术板块上，个别突破已经持续到这样的程度，即集体来看，曾经看似不切实际的事情现在正变得可行——例如，包括进步 在超级重型发射器上进行制造以降低每公斤成本，新型超薄和低重量反射材料，部署过程中的更好机器人化，以及更高的姿态控制精度。持续挑战传统观念至关重要。 太空能源长期以来一直被视为一个具有风险和不确定性的概念。一些能源运营商认为它与核聚变的不可预测性和风险处于同一水平。 假设，这些假设在逐步进展达到临界点时可能会迅速被推翻。这种情况通常是通过利用持续的创新和在相邻领域或甚至完全不相关的领域中的新用例来实现的。 跨越传统边界的合作对于应对可持续性挑战的创新至关重要。 太空能源创新，如DSR，只有在两个独立的产业链——太空与能源——之间实现融合才成为可能。太空和能源传统上在完全不同的领域运作，拥有不同的技术、经济、市场、客户和运作方式。除了太空能源之外，许多气候缓解措施 适应挑战需要不同领域和利益相关者之间的汇聚，例如航天和农业用于作物监测，以及航天和电信用于海事通信（例如，以优化船只的燃油消耗）。气候变化适应性还极大地依赖于寻找新的方法。 空间能源创新，如深空太阳能（DSR），只有在两个分离的价值链——航天和能源——之间实现融合才有可能。 为了在政府、当地社区、企业和个人之间进行合作，以结合本地、国家和全球的系统层面利益和挑战。需要一种新的思维模式，愿意放下不愿透露意图和限制的顾虑，以实现合作。 需要采取新的生态系统工作方法来推动此类创新。 为了这些长期的、多样化的生态系统能够建立并有效运作，需要新的方法。例如，DSR项目涉及能源参与者、航天参与者、公共机构和投资者。建立一个独立的协调角色对于这一工作的成功至关重要。协调员作为无偏见的第三方，鼓励开放信息共享，以帮助不同参与者间的“翻译”，促进更好的沟通和理解；作为可信的资源进行研究，以提供回答关键问题所必需的证据，以及解决意见分歧。 4. 需要追求多种并行技术方法以增加解决可持续性问题成功的可能性。 尽管平衡科技开发项目组合的观念在企业研发部门内被广泛接受，但这种做法在全球范围内却并不普遍。例如，在国家层面存在一种趋势，将分散式太阳能发电系统（DSR）技术与集中式太阳能电站技术（SBSP）进行比较，以决定哪些项目值得资助。实际上，这两个概念所产生的结果完全不同，它们是完全相互补充的。 为了应对