根據2020年數據顯示，美國目前大部分碳排放主要來自化石燃料燃燒，為建筑（占能源系統碳排放的36%）、交通（占能源系統碳排放的36%）和工業（占能源系統碳排放的29%）部門各終端應用提供動力。化石燃料發電每年將排放14.5億噸CO2，約占美國能源系統碳排放總量的32%。隨著終端應用不斷電氣化，尤其是在交通和工業領域，電力對能源系統脫碳具有關鍵作用。因此，在未來轉型中，將電力系統脫碳與電氣化相結合，使得諸如太陽能等零碳電力資源對現有電力系統實現脫碳目標具有重要支撐作用。

 

 

2020年美國太陽能發電裝機容量約為80吉瓦，占美國電力需求的3%；按照“標準脫碳”（Decarb）情景預測[1]，到2035年預計太陽能發電累計裝機容量將達到760-1000吉瓦，滿足美國電力需求的37%-42%；到2050年預計太陽能發電累計裝機容量將達到1050-1570吉瓦，滿足美國電力需求的44%-45%。其中80%-90%的太陽能裝機容量將由公共事業規模太陽能發電貢獻，其余由分布式太陽能發電貢獻。按照“脫碳電氣化”（Decarb+E）情景預測[2]，2035年電力需求較2020年增長約30%，其中太陽能發電將滿足美國電力需求的37%，剩余部分由其他零碳資源提供，包括風能（36%）、核能（11%-13%）、水力發電（5%-6%）、生物能源和地熱（1%）；到2050年，所有電力均由零碳能源提供，其中太陽能和風能占比最大，分別為45%和44%。在Decarb和Decarb+E情景下，到2050年美國能源系統碳排放總量較2005年分別減少40%和62%，通過進一步電氣化、能源效率、脫碳燃料、包括太陽能工業熱利用（SHIP）在內的可再生熱生產以及碳捕集與封存等策略，實現能源系統凈零排放（如圖1所示）。在所有情景中，清潔發電、存儲和傳輸、運營和維護以及其他方面的資本投資都將產生成本，此外技術成本、排放政策、電氣化和需求側靈活性都對電力系統的平均成本和邊際成本產生影響。在Decarb+E情景中，需求側靈活性抵消了更高電氣化導致的平均成本增加，因此到2035年該情景下電力平均成本略低于Decarb情景。因此，太陽能和其他清潔技術的進步和靈活需求的結合，將促使電力系統碳排放大幅減少（約95%），而邊際成本幾乎不增加。                          

 

圖1 Decarb+E情景下2020年、2035年和2050年電力系統能源消耗占比變化

 

 

目前，太陽能技術廣泛部署面臨的最大挑戰是太陽能和風能這兩種主要電源是不穩定的，基于波動性可再生能源本身性質，并不能在任何時候、在任何位點上產生滿足需求的電力。此外，波動性可再生能源需通過逆變器等轉換裝置將直流電轉換為電網所需的交流電，長遠來看，基于逆變器等新型發電裝置的需求將大于對傳統發電機的需求。在一個主要基于逆變裝置的電力系統中，保持電力資源充分利用、可靠性和彈性需要多樣化的零碳發電組合、其他配套裝置（如儲能裝置）和技術改進（如先進的逆變器）的共同支撐。此外，與儲能技術相結合的小型太陽能裝置，可在電力中斷期為建筑或微電網持續供電，以增強電網彈性。

 

 

以化石燃料為基礎的電力系統為現代社會帶來了諸多好處，但也產生了巨大的社會成本，包括公共健康損害、環境破壞和氣候變化等。現有能源系統的收益和成本并沒有得到公平的分攤，社會階層較低的社區（如低收入社區、有色社區、面臨短期氣候變化風險的社區）承擔了現有能源體系中不成比例的大部分成本，而享受到較少的收益，并在很大程度上被排除在現代化能源體系規劃之外。與所有能源一樣，太陽能在各個國家、各地區范圍內產生的社會效益遠遠超過其社會成本。然而，這些收益與成本的分配不一定是公平的。研究表明，通過各種干預措施（財政、社區參與、選址、政策、監管和彈性措施）將有助于解決屋頂光伏發電采用的公平性。此外，電力系統清潔轉型將產生數十萬個取代化石燃料行業的工作崗位，其中快速增長的太陽能相關行業將吸收大量化石燃料失業工人。

 

 

儲能技術是實現深度脫碳和高比例太陽能裝機的關鍵。在Decarb+E情景中，到2050年太陽能和儲能累計裝機容量大致相等。目前，太陽能集成儲能方式大部分是短時儲能（幾小時內進行能量轉換），但從2035年到2050年將推進長時儲能應用示范。利用太陽能+儲能可以將電力調度相對不靈活的光伏電站轉變為具有與化石燃料發電裝置相當的調度能力。在太陽能未來愿景中，儲能技術將經歷三個發展階段：第一階段（到2030年），儲能裝機容量年增長率約為5吉瓦/年，儲能裝置部署規模具有一定限制，反映出太陽能累計裝機容量較低時，對儲能裝置的需求也相對較小。第二階段（2030年到2040年），儲能裝置將加速部署，這是由于太陽能和儲能之間日益增長的協同作用，以及儲能成本的下降和傳統發電廠退役，該階段儲能方式仍以短時儲能為主。第三階段（從2040年開始），長時儲能將變得越來越重要，該階段儲能方式將以長時儲能為主。

 

 

在過去十年中，受技術、經濟和地緣政治綜合影響，太陽能光伏成本急劇下降。DOE考慮到能源存儲、額外電力傳輸等基礎設施成本，對太陽能光伏發電成本制定了一個新的目標。該目標要求持續降低太陽能光伏發電成本以及提高性能，實現到2030年太陽能光伏平準化度電成本（LCOE）由2020年的46美元/兆瓦時降至20美元/兆瓦時。新的太陽能電池技術將有效提高轉換效率，同時更有效地利用少量的昂貴材料。制造業的進步將較過去更快的將新興想法從實驗室推向市場。新型太陽能技術集成了多種類型的太陽能電池（如晶體硅和鈣鈦礦），將有效提高能效并降低光伏系統中所有相關部件的成本，但與其他主要太陽能市場相比，美國的軟性成本（包括安裝人工、客戶獲取和許可成本）依然較高。太陽能技術的低成本本身并不能直接推動太陽能快速部署進程，太陽能市場的快速擴張還需大幅降低太陽能制造成本，建立更多的太陽能工廠。此外，儲能技術還需進一步提升，包括開發熱儲能和電池儲能系統相關技術。

 

 

太陽能在建筑、交通和工業等各終端用能部門的短期和長期應用將促進能源終端應用電氣化實現脫碳目標。太陽能對建筑行業脫碳最直接且具有長期影響，在Decarb+E情景中，到2050年太陽能發電量將支撐所有建筑終端電力需求的30%。在交通部門，目前幾乎完全依賴化石燃料供能，但隨著輕型乘用車和一些中型和重型車輛電氣化轉型，將促使交通部門電力需求增加。因此，太陽能在交通領域脫碳作用將隨著時間的推移而增加。在Decarb+E情景中，到2050年太陽能發電量將支撐交通運輸終端電力需求的14%。目前，太陽能電力在工業部門長期作用不太明確，主要是因為能源密集型工業過程脫碳的可能途徑多樣化。但對于工業部門脫碳可以利用太陽能熱電廠產生熱能取代傳統化石燃料供熱，研究表明，太陽能熱可以滿足大約25%的工業供熱需求。因此，如圖2所示，在建筑、交通和工業部門，太陽能作為零碳燃料將長期發揮作用，以實現終端應用脫碳目標。

 

 

圖2 在Decarb+E情景中建筑、交通和工業部門碳減排情況對比

 

 

太陽能未來方案與太陽能技術整個生命周期中材料的使用、太陽能供應鏈以及土地和水資源使用的相關挑戰和機遇息息相關，所有這些因素都將影響環境和能源分配的公平性。基于對美國和全球太陽能技術制造相關潛在材料需求的分析表明，當材料實現回收和再利用時，材料供應將不會限制太陽能應用的擴張。未來最大限度利用可回收材料，將對能源和材料安全、社會和環境影響、國內勞動力和制造業方面產生巨大效益，未來急需在技術上取得突破，并適應目前美國資源回收和循環經濟趨勢。為構建一個多樣化、不過度依賴任何單一供應渠道的彈性光伏供應鏈，美國光伏制造業將通過提高自身自動化程度、利用國內制造特定組件的固有優勢以及先進制造技術和自動化產品以提高其國際競爭地位。此外，太陽能發展面臨的土地可用性同樣也不是太陽能未來愿景的障礙，這是因為到2050年，太陽能擴張所需的土地面積只占美國地表面積的0.5%，可以通過使用尚存的10%左右的儲備用地得以滿足，從而避免高價值土地的征用。與化石燃料和核能發電相比，太陽能和其他部分清潔能源發電技術對水需求量較少，在太陽能未來脫碳方案中，電力部門耗水量將減少約90%。最后，在勞動力方面，目前太陽能行業在美國已創造了23萬個工作崗位，預計到2035年該行業將創造50-150萬個工作崗位。此外，基于對現有清潔能源行業的研究表明，這些工作的工資往往高于社會平均工資，并且所需的教育門檻更低。

 

 

在既定政策情景中，到2050年電力行業將繼續每年排放9.3億噸CO2，因此除了上述7項措施（前文2-8）之外，實現太陽能未來愿景還需持續的政策和市場支持。由于政策采取的脫碳措施相較于僅憑市場自身調節對實現脫碳目標更為關鍵。越來越多的州政府和公共事業單位承諾到2050年之前實現電力系統脫碳。鑒于電力系統脫碳的邊際成本隨著接近100%脫碳而增加，實現這一目標將需要堅定且長期的政治支持。政策支持包括通過研發投資，推動太陽能基礎設施的快速部署以及發電成本的降低，加速技術創新，并確保清潔能源轉型過程中收益公平分配。

 

[1]標準脫碳情景預測利用太陽能（光伏和光熱）、其他可再生能源（生物能源、地熱、水力發電、陸上和海上風力發電）以及儲能（電池和抽水蓄能）技術，使到2035年CO2排放量比2005年水平減少95%，到2050年實現凈零排放。

 

[2]與標準脫碳情景相比，這一情景增加了大規模的建筑和交通運輸電氣化，使得到2035年和2050年電網碳排放量較2005年水平減少約105%和155%。該情景中電力需求顯著增加，電力系統對于美國能源系統脫碳具有更大作用。