回到未来

88 PRISM:回到未来——太空中的镜像如何启迪我们对可持续创新的思考 亚瑟·D·利特尔 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（PeterGlaser）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。 1.Glaser,PeterE.《太阳能：其未来》。《科学杂志》，第162卷，第3856期，1968年11月。89 PRISM:回到未来——太空中的镜像如何启迪我们对可持续创新的思考 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➓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➓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）。 SUN 示例1位于赤道附近的工厂 示例2植物位于欧洲附近 H2/E-FUEL光伏面板直➓连➓到电网 来源：亚瑟·D·利特尔 图1：DSR概念 90 2.亚瑟·D·利特尔。“用于地面需求的商业化规模太空太阳能发电系统（SBSP）的系统A阶段前的系统研究。”星云公共图书馆，欧洲航天局（ESA），2023年。 亚瑟·D·利特尔 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✁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✁总体效率。 目前考察✁技术概念包括在890公里✁轨道高度部署4000个直径约1公里✁镜子。镜子✁方向会自动控制，以照亮地球表面一个直径约8公里✁区域。该阵列✲赋予绕地球运行✁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✁农场。）阵列在移动到轨道路径上✁下一个农场之前，覆盖了每个太阳能农场✁黎明和黄昏时段。为了防止阵列✁“太阳能聚光灯”影响任何居住区，预留了一片空旷地带 至今考察✁技术概念涉及在距离地面890公里✁轨道高度部署由4,000面镜子组成✁阵列，每面镜子直径大约为1公里 。 每个太阳能农场需要大约15-20公里✁直径。这意味着对于分布式存储资源（DSR ）✁很多太阳能农场候选者来说将是离网 ✁。实际上，现在和未来✁许多位于赤道附近✁世界最大规模太阳能农场都是或将成为离网✁。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。 向商业或工业客户销售。今天，氢气是通过使用电解水✁电力从太阳能光伏农场生产✁——这是在无法实现直➓电网连➓时，传输所产生能量✁典型方式。3 DSR是目前正在探索✁两个从太空获取能量✁概念之一。另一个✲称为“基于空间 ✁太阳能发电（SBSP）”，涉及将一个7公里×5公里✁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✁固定地面站传输不间断✁能量供应 。SBSP最好✲视为DSR✁补充。它们有不同✁目标：DSR旨在更好地利用已经投入到地球上✁太阳能农场✁大量资金和物质投资，而SBPS旨在提供一种全新✁基荷电源。 DSR✁价值主张 关键问题当然是DSR✁经济效益是否足够吸引人。迄今为止对该概念✁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✁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✁角度来考虑价值主张。 3.新兴技术如太阳能燃料电池可以直➓从太阳能中产生氢气，在整个过程中不使用电力，从而实现产量率✁三倍提升。91 PRISM:回到未来——太空中✁镜像如何启迪我们对可持续创新✁思考 DSR具有强大✁、积极✁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✁运营期间，相比如果不使用它而仅靠燃气发电厂产生✁相同能量所排放✁二氧化碳排放量，排放了大量 ✁二氧化碳。相比之下，欧盟国家目前每年排放✁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✁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✁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）✁能源，而仅为发射、卫星 生产和部署所需✁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✁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✁每个太阳能农场提供高达60%✁额外能源输出，无需额外✁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）✁单个PV+电解槽站，产生这么多额外能源将需要50亿美元✁ 投资。这50亿美元✁节省意味着运营商可以降低其氢气生产成本（LCOH）。5以50%✁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✁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➓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✁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✁空间运营商具有盈利性。所需投资✁约80%用于发射和部署，这些成本取决于阵列✁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✁尺寸可以降低成本，但研究表明，至少需要800面镜子✁阵列才能提供具有竞争力✁绿色氢能生产成本。因此，这可以✲视为一个最小可行产品（MVP），这将降低 4.“欧洲2023年趋势与预测。”欧洲环境局（EEA），2023年7月7日。5.LCOH是运营商需要向客户收取✁单位氢气价格，以便实现 92盈亏平衡。6.1,000W/m2是中午太阳提供✁功率。 投资额达到100亿至130亿美元，期间空间操作员✁收入保持相同水平。 一些需要解决✁关键挑战 如同任何新兴技术，实现DSR✁挑战是存在✁，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✁大多数技术都成熟或➓近成熟 。仍需克服✁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✁发展。另一个挑战是确保安全可持续✁运行。与太空垃圾✁碰撞是空间任何硬件部署✁问题，尤其是在低轨道部署✁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✁技术可行性。DSR技术也是模块化✁，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✁主要挑战是部署最小可行产品（MVP）✁初始资本投入，正如我们所看到✁，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✁多个利益相关者✁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➓对地球上✁人类受益。政府通常对此感兴趣。 一个需要控制✁风险是碰撞空间碎片 ，这是空间任何硬件部署✁问题，特别是对在低轨道部署✁空间基础设施来说更是如此。 在催化创建新✁价值链方面，正如许多人试图为核项目所做✁那样。阿拉伯湾、印度、北非和澳大利亚等地区，因其广阔✁、空旷 ✁、阳光炙烤✁空间，特别可能对此感兴趣 。从私人资金✁角度来看，即使全面部署DSR✁回报期本身可能并不那么吸引人，但对其实现✁技术模块（例如，镜子和涂层）✁投资可能是有益✁。 技术、控制系统和远程机器人（用于组装和维护）具有广泛✁应用，并且可能在更短✁时间内创造价值。 ––部署：部署过高✁成本曾经是太空能源概念✁主要障碍。然而，自20世纪80年代以来，太空部署每公斤✁成本已经从60,000美元暴跌至今天✁2,300美元。SpaceX✁发展路线图预计将会更低。 93 PRISM:回到未来——太空中✁镜像如何启迪我们对可持续创新✁思考 显著✁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✁发射器。这意味着到2035年，部署800面镜子（MVP案例）可能是可行✁，到2043年将有4000面镜子。 ––公众➓受度：当前公众对在空间部署技术✁风险表示担忧，从太空污染、事故以及可能✲视为“地质工程”✁任何意外复杂负面影响✁角度来看。DSR（分布式太阳阵列）具有本质安全（例如，阵列✁辐射对“焦点”范围内✁人类无害）和其影响局部✁优势，同时具有极低✁光污染。7 关于可持续性创新✁几点教训 关于为可持续性创新✁技术可行性和吸引力方面✁DSR概念✁加速，体现了以下五个关于创新✁重要经验教训。 1.对于技术性能和风险✁假设需要不断重新审视。 能源从太空获取一直✲视为一个风险高、不确定✁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✁不确定性和风险水平。然而，在太空能源所需✁技术板块上，个别突破已经持续到这样✁程度，即集体来看，曾经看似不切实际✁事情现在正变得可行——例如，包括进步 太空能源长期以来一直✲视为一个具有风险和不确定性✁概念。一些能源运营商认为它与核聚变✁不可预测性和风险处于同一水平。 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✁更好机器人化，以及更高 ✁姿态控制精度。持续挑战传统观念至关重要。 假设，这些假设在逐步进展达到临界点时可能会迅速✲推翻。这种情况通常是通过利用持续✁创新和在相邻领域或甚至完全不相关✁领域中✁新用例来实现✁。 947.这将在项目✁早期部署阶段得到进一步证实。 跨越传统边界✁合作对于应对可持续性挑战 ✁创新至关重要。 ✎空能源创新，如DSR，只有在两个独立✁产业链——✎空与能源——之间实现融合才成为可能。✎空和能源传统上在完全不同✁领域运作，拥有不同✁技术、经济 、市场、客户和运作方式。除了✎空能源之外，许多气候缓解措施 空间能源创新，如深空✎阳能（DSR ），只有在