根据2020年数据显示，美国目前大部分碳排放主要来自化石燃料燃烧，为建筑（占能源系统碳排放的36%）、交通（占能源系统碳排放的36%）和工业（占能源系统碳排放的29%）部门各终端应用提供动力。化石燃料发电每年将排放14.5亿吨CO2，约占美国能源系统碳排放总量的32%。随着终端应用不断电气化，尤其是在交通和工业领域，电力对能源系统脱碳具有关键作用。因此，在未来转型中，将电力系统脱碳与电气化相结合，使得诸如太阳能等零碳电力资源对现有电力系统实现脱碳目标具有重要支撑作用。

 

 

2020年美国太阳能发电装机容量约为80吉瓦，占美国电力需求的3%；按照“标准脱碳”（Decarb）情景预测[1]，到2035年预计太阳能发电累计装机容量将达到760-1000吉瓦，满足美国电力需求的37%-42%；到2050年预计太阳能发电累计装机容量将达到1050-1570吉瓦，满足美国电力需求的44%-45%。其中80%-90%的太阳能装机容量将由公共事业规模太阳能发电贡献，其余由分布式太阳能发电贡献。按照“脱碳电气化”（Decarb+E）情景预测[2]，2035年电力需求较2020年增长约30%，其中太阳能发电将满足美国电力需求的37%，剩余部分由其他零碳资源提供，包括风能（36%）、核能（11%-13%）、水力发电（5%-6%）、生物能源和地热（1%）；到2050年，所有电力均由零碳能源提供，其中太阳能和风能占比最大，分别为45%和44%。在Decarb和Decarb+E情景下，到2050年美国能源系统碳排放总量较2005年分别减少40%和62%，通过进一步电气化、能源效率、脱碳燃料、包括太阳能工业热利用（SHIP）在内的可再生热生产以及碳捕集与封存等策略，实现能源系统净零排放（如图1所示）。在所有情景中，清洁发电、存储和传输、运营和维护以及其他方面的资本投资都将产生成本，此外技术成本、排放政策、电气化和需求侧灵活性都对电力系统的平均成本和边际成本产生影响。在Decarb+E情景中，需求侧灵活性抵消了更高电气化导致的平均成本增加，因此到2035年该情景下电力平均成本略低于Decarb情景。因此，太阳能和其他清洁技术的进步和灵活需求的结合，将促使电力系统碳排放大幅减少（约95%），而边际成本几乎不增加。                          

 

图1 Decarb+E情景下2020年、2035年和2050年电力系统能源消耗占比变化

 

 

目前，太阳能技术广泛部署面临的最大挑战是太阳能和风能这两种主要电源是不稳定的，基于波动性可再生能源本身性质，并不能在任何时候、在任何位点上产生满足需求的电力。此外，波动性可再生能源需通过逆变器等转换装置将直流电转换为电网所需的交流电，长远来看，基于逆变器等新型发电装置的需求将大于对传统发电机的需求。在一个主要基于逆变装置的电力系统中，保持电力资源充分利用、可靠性和弹性需要多样化的零碳发电组合、其他配套装置（如储能装置）和技术改进（如先进的逆变器）的共同支撑。此外，与储能技术相结合的小型太阳能装置，可在电力中断期为建筑或微电网持续供电，以增强电网弹性。

 

 

以化石燃料为基础的电力系统为现代社会带来了诸多好处，但也产生了巨大的社会成本，包括公共健康损害、环境破坏和气候变化等。现有能源系统的收益和成本并没有得到公平的分摊，社会阶层较低的社区（如低收入社区、有色社区、面临短期气候变化风险的社区）承担了现有能源体系中不成比例的大部分成本，而享受到较少的收益，并在很大程度上被排除在现代化能源体系规划之外。与所有能源一样，太阳能在各个国家、各地区范围内产生的社会效益远远超过其社会成本。然而，这些收益与成本的分配不一定是公平的。研究表明，通过各种干预措施（财政、社区参与、选址、政策、监管和弹性措施）将有助于解决屋顶光伏发电采用的公平性。此外，电力系统清洁转型将产生数十万个取代化石燃料行业的工作岗位，其中快速增长的太阳能相关行业将吸收大量化石燃料失业工人。

 

 

储能技术是实现深度脱碳和高比例太阳能装机的关键。在Decarb+E情景中，到2050年太阳能和储能累计装机容量大致相等。目前，太阳能集成储能方式大部分是短时储能（几小时内进行能量转换），但从2035年到2050年将推进长时储能应用示范。利用太阳能+储能可以将电力调度相对不灵活的光伏电站转变为具有与化石燃料发电装置相当的调度能力。在太阳能未来愿景中，储能技术将经历三个发展阶段：第一阶段（到2030年），储能装机容量年增长率约为5吉瓦/年，储能装置部署规模具有一定限制，反映出太阳能累计装机容量较低时，对储能装置的需求也相对较小。第二阶段（2030年到2040年），储能装置将加速部署，这是由于太阳能和储能之间日益增长的协同作用，以及储能成本的下降和传统发电厂退役，该阶段储能方式仍以短时储能为主。第三阶段（从2040年开始），长时储能将变得越来越重要，该阶段储能方式将以长时储能为主。

 

 

在过去十年中，受技术、经济和地缘政治综合影响，太阳能光伏成本急剧下降。DOE考虑到能源存储、额外电力传输等基础设施成本，对太阳能光伏发电成本制定了一个新的目标。该目标要求持续降低太阳能光伏发电成本以及提高性能，实现到2030年太阳能光伏平准化度电成本（LCOE）由2020年的46美元/兆瓦时降至20美元/兆瓦时。新的太阳能电池技术将有效提高转换效率，同时更有效地利用少量的昂贵材料。制造业的进步将较过去更快的将新兴想法从实验室推向市场。新型太阳能技术集成了多种类型的太阳能电池（如晶体硅和钙钛矿），将有效提高能效并降低光伏系统中所有相关部件的成本，但与其他主要太阳能市场相比，美国的软性成本（包括安装人工、客户获取和许可成本）依然较高。太阳能技术的低成本本身并不能直接推动太阳能快速部署进程，太阳能市场的快速扩张还需大幅降低太阳能制造成本，建立更多的太阳能工厂。此外，储能技术还需进一步提升，包括开发热储能和电池储能系统相关技术。

 

 

太阳能在建筑、交通和工业等各终端用能部门的短期和长期应用将促进能源终端应用电气化实现脱碳目标。太阳能对建筑行业脱碳最直接且具有长期影响，在Decarb+E情景中，到2050年太阳能发电量将支撑所有建筑终端电力需求的30%。在交通部门，目前几乎完全依赖化石燃料供能，但随着轻型乘用车和一些中型和重型车辆电气化转型，将促使交通部门电力需求增加。因此，太阳能在交通领域脱碳作用将随着时间的推移而增加。在Decarb+E情景中，到2050年太阳能发电量将支撑交通运输终端电力需求的14%。目前，太阳能电力在工业部门长期作用不太明确，主要是因为能源密集型工业过程脱碳的可能途径多样化。但对于工业部门脱碳可以利用太阳能热电厂产生热能取代传统化石燃料供热，研究表明，太阳能热可以满足大约25%的工业供热需求。因此，如图2所示，在建筑、交通和工业部门，太阳能作为零碳燃料将长期发挥作用，以实现终端应用脱碳目标。

 

 

图2 在Decarb+E情景中建筑、交通和工业部门碳减排情况对比

 

 

太阳能未来方案与太阳能技术整个生命周期中材料的使用、太阳能供应链以及土地和水资源使用的相关挑战和机遇息息相关，所有这些因素都将影响环境和能源分配的公平性。基于对美国和全球太阳能技术制造相关潜在材料需求的分析表明，当材料实现回收和再利用时，材料供应将不会限制太阳能应用的扩张。未来最大限度利用可回收材料，将对能源和材料安全、社会和环境影响、国内劳动力和制造业方面产生巨大效益，未来急需在技术上取得突破，并适应目前美国资源回收和循环经济趋势。为构建一个多样化、不过度依赖任何单一供应渠道的弹性光伏供应链，美国光伏制造业将通过提高自身自动化程度、利用国内制造特定组件的固有优势以及先进制造技术和自动化产品以提高其国际竞争地位。此外，太阳能发展面临的土地可用性同样也不是太阳能未来愿景的障碍，这是因为到2050年，太阳能扩张所需的土地面积只占美国地表面积的0.5%，可以通过使用尚存的10%左右的储备用地得以满足，从而避免高价值土地的征用。与化石燃料和核能发电相比，太阳能和其他部分清洁能源发电技术对水需求量较少，在太阳能未来脱碳方案中，电力部门耗水量将减少约90%。最后，在劳动力方面，目前太阳能行业在美国已创造了23万个工作岗位，预计到2035年该行业将创造50-150万个工作岗位。此外，基于对现有清洁能源行业的研究表明，这些工作的工资往往高于社会平均工资，并且所需的教育门槛更低。

 

 

在既定政策情景中，到2050年电力行业将继续每年排放9.3亿吨CO2，因此除了上述7项措施（前文2-8）之外，实现太阳能未来愿景还需持续的政策和市场支持。由于政策采取的脱碳措施相较于仅凭市场自身调节对实现脱碳目标更为关键。越来越多的州政府和公共事业单位承诺到2050年之前实现电力系统脱碳。鉴于电力系统脱碳的边际成本随着接近100%脱碳而增加，实现这一目标将需要坚定且长期的政治支持。政策支持包括通过研发投资，推动太阳能基础设施的快速部署以及发电成本的降低，加速技术创新，并确保清洁能源转型过程中收益公平分配。

 

[1]标准脱碳情景预测利用太阳能（光伏和光热）、其他可再生能源（生物能源、地热、水力发电、陆上和海上风力发电）以及储能（电池和抽水蓄能）技术，使到2035年CO2排放量比2005年水平减少95%，到2050年实现净零排放。

 

[2]与标准脱碳情景相比，这一情景增加了大规模的建筑和交通运输电气化，使得到2035年和2050年电网碳排放量较2005年水平减少约105%和155%。该情景中电力需求显著增加，电力系统对于美国能源系统脱碳具有更大作用。