“限电”的背后，是一项正在锁死人类进步的科技瓶颈
以下文章来源于柏年说 ，作者柏年
不知不觉间，已经消失在普通人生活中近20年的“限电”现象，又回到了大家的视野。
对于这一次的限电原因，坊间已经有相当多的分析。例如有说“煤价暴涨、发电厂赔本不愿意发电”的；有说“今年中国出口形势太好，生产用电太多”的；当然也有被媒体批驳的“贸易战大棋”一说。
官媒批驳“大棋论”一说
这些说法，或许是今年限电现象如此严重的直接原因，但并没有触及到根本。
假设有一天外需回落、煤价下降，限电现象依然不太可能彻底远离我们。
因为当下中国电力短缺的根本原因，不在于煤价太高、也不在于生产耗电太多，而在于一项难以解决的技术瓶颈。
如果这项技术难题得不到解决，中国的“用电荒”现象，只会越来越严重。
中国电力的技术攻坚
稍有些年纪的人，应该还清楚的记得，在上世纪80年代末至90年代初，“拉闸停电”对于广大城市家庭来说，算是家常便饭。
1992年，北京发生过著名的“8·28大停电”，连回民医院的供电都被中断了，和这一次东北断电十分相像。该年1月到8月的244天里，北京居民有184天被“拉闸限电”。
作为首都的北京是如此，其他地区的用电情况就更差。
例如在四川，80年代普遍实行每周“停三保四”的制度，江苏则是“停二保五”。
那个时候，中国的工商业用电正经历着突飞猛进，而发电、电网设备却还使用的是60、70年代的老旧技术，落后西方好几代，由此造成了巨大的电力缺口。
为此，我们在发电设备、输电网络两个关键环节，展开技术追赶。
发电设备方面，改开后国内发电厂逐批引进西方发电设备，然后进行仿制和国产化。
1978年底，当时的第一机械工业部组织了两批考察团，同时考察德国、法国等6个欧洲国家，和日本三菱、东芝、日立等公司。
1978年 一机部赴欧洲考察 引进技术
考察结束后，一机部提出同时引进西方30万KW、60万KW两代火电机组技术的方案，大胆实现“弯道超车”——而当时国内最多使用的，还是10万KW以下的机组。
经过反复论证、货比三家，1980年，一机部最终选择了美国西屋公司和美国燃烧工程公司的制造技术，电厂设计引入美国伊巴斯库工程公司技术。1985年，又引进了日本日立公司的相关技术。
此后，又经过“七五”、“八五”期间，电力设计院等科研部门的合力攻关，我们完全吃下了西方技术。进入新世纪后，我们甚至有了自主建造100万KW发电机组的能力，正式跻身世界一流水平。
在输电网络方面，我们也是走“先引进、后仿造”的类似路线。
1985年，电力部门全套引进瑞士BBC公司的电网技术，建设葛洲坝至上海500千伏直流电输电工程，开启了电网技术追赶西方的历史。
此后，我们花了整整20年时间，实现了500千伏电网技术的100%国产化，跻身世界先进水平。
正因为有强大发电、电网技术的支撑，中国的电力供应才能在新世纪狂飙突进。
2006年之后，中国发电能力平均每年增长1亿千瓦。2010年，中国发电量赶超美国，成为世界第一。
到2019年，中国的发电量已经是第二名美国的1.7倍，并且增速也远超世界平均水平。
中国发电量世界第一 增速也远超世界平均
看到这里，肯定会有很多人疑惑：既然我们的发电能力如此强大，为什么今年缺电现象会如此严重呢？
因为，随着新能源时代的到来，我们又面临着一个新的技术瓶颈。
新能源时代的难题
从“十三五”时期开始，我国开始了电力领域的新能源转型，大力建设风电、光伏等新能源发电厂。
五年时间内，我国非化石能源（风、光、水、核）发电装机年均增长13.1%。占总装机容量的比重，从2015年底的34.8%，上升至2020年底的44.8%，整整提升10个百分点。
新能源的重要性不必我多说——我国已经做出了“2030年碳达峰”、“2060年碳中和”的庄严承诺。此外，发展新能源也是我国摆脱外部能源依赖的最重要手段。
但如此重要的新能源，却有一个严重缺陷，那就是发电太不稳定。
光伏，白天发电、晚上不发、晴天多发、阴天少发；
光伏白天发电，晚上用电高峰反而没电
风能，风大的时候多发、风小的时候少发；
水力发电稍好一些，但也有丰水期多发、枯水期少发的毛病。今年5月份广东地区开始限电，主要原因就是云南长期不下雨，导致水力发电骤降，南方电网不得不给广东地区限电。
电网公司收购电力，最需要的就是“稳定”，因为用电端的工厂和家庭，不可能因为今天是阴天、或者不刮风就不用电了。
而新能源发电的稳定性如此之差，以至于业内人士普遍将新能源称为“垃圾电”。
相比之下，电网最喜欢收购“稳定”的火电和核电。但火电烧煤，碳排放太高；而核电又出于安全考量，无法大力发展。
5、6年前，当时中国的火电能力还是富余的，以至于电网不愿意用风光电，并由此造成了2015年到2017年左右，大面积的“弃风”、“弃光”现象的发生。
电网不愿意收购不稳定的光伏、风电
例如在2017年，新疆的“弃光率”高达21.6%，也就是说光伏企业发出的电，有1/5没有电网愿意收购。
为了减少弃风弃光率，国家主管部门想出的办法，则是停建火力发电项目，迫使电网去收购不稳定的新能源电力。
2020年，我国火电装机同比仅增长4.7%。风电装机却在同一时间增长34.6%，光电装机同比增长24.1%。
停建火力发电，有效地减少了弃风、弃光现象的发生。2019年，新疆的“弃光率”终于降到10%以下。
但这样做代价，则是我国电网面对极端天气，稳定性越来越差。
这一次东北地区限电，很重要的一个因素就是9月份东北风力下降，而风力发电则占到了东三省电力装机的18%。
风力发电骤减，成为这次东北限电的主因
风力发电缺位，而火电又由于过去几年的停建、遇上增长瓶颈，无法及时补位，由此造成了大面积“拉闸限电”现象的发生。
换句话说，我们其实不缺电，缺的是“稳定”的电。
可以预见的是，随着新能源发电在我国的占比越来越高，由于极端天气造成的电网不稳定和拉闸限电的情况，只会更加频繁。
未来数年，中国的电力困境可能比2021年还要严重。
如何解决新能源电力困境？
想要有效解决我国的用电困境，就必须使新能源电力更加“稳定”。为此有两个解决办法：
短期来看，可以通过建设长距离特高压线路，加强全国电网调度和统筹，减少极端天气对电网稳定性的干扰。
例如北京风小，而内蒙古风大，则可以将内蒙古的风电，通过特高压线路输送到北京；再比如上海连续两个月阴天，但是新疆晴天多，则可以将新疆的光电输送到上海。
正在建设的特高压线路
但是“全国一盘棋”，仍不能完全杜绝电网不稳定的现象。因为极端天气难于预测，万一出现全国大部分地区连续阴天、或少风的情况，由此造成的“用电荒”和财产损失，是难以估量的。
毕竟过去几年，所谓“百年难遇”的极端气候，我们已经见识过很多次了。
因此从长期来看，想要使新能源发电彻底变得“稳定”，必须要有配套的电池储能设施。
白天的时候，光伏多产出的电储存在电池里，晚上再发出来。并且电池容量要足够庞大，足以应付连续数天、乃至数周的阴天情况。
风力发电也是如此。
然而不幸的是，相比于人类在其他领域的科技进步，人类电池技术进展异常缓慢，已经成了新能源转型的最大制约。
要说发电领域的电池技术，大家可能不太熟悉，咱们可以用手机里的电池作为替代进行说明。
过去20年，我们使用的手机从“功能机”变成了“智能机”，一切功能都在进步——看的视频更加清晰，游戏速度也更快了。
但唯独有一个退步，那就是手机的续航能力。
20年前，诺基亚的功能机换一次电池，至少可以用一个星期。20年之后，无论是苹果、华为还是小米，基本上都需要每天充电，为什么？
因为电池技术的进步，远远赶不上芯片技术的进步。
功能机时代，几乎没人会为电池发愁
芯片技术，大家可能听说过“摩尔定律”——集成电路上可以容纳的晶体管数目，每经过18个月便会增加一倍，性能也会翻一倍。
但电池技术，以手机上的锂电池为例，过去20年能量密度（单位体积内包含的能量）年均仅增长3%。
芯片性能翻番，带来的是耗能的大幅增长，而电池容量增长得又如此缓慢，以至于今天手机的续航能力大幅缩减。
各项技术发展速度 红线：通讯容量 蓝线：处理器性能 绿线：电池容量
电池技术成为发展瓶颈的现象，同样体现在电动汽车产业上。
了解电动汽车行业的人，可能听说过一个词叫“里程焦虑”——电动汽车上安装的电池，能够支撑汽车驾驶的里程太短，以至于司机们普遍感到焦虑，就像手机快没电了一样。
2021年1月份，北方下大雪，大街上开电动汽车的司机都不敢开暖风空调，生怕汽车耗光了电。此后，电动汽车就有了个“电动爹”的名声。
北京的寒冬午夜，充电桩前停满了车
未来，随着自动驾驶技术应用到电动汽车上，并由此带来大量能耗，电池技术的瓶颈将更加凸显。
对于高利润的手机、电动汽车行业来说，电池一直是最大的难题，那就更不要提微利的发电行业。
由于电池成本过高、效率又太低，光伏、风能发电厂一般不愿意建造配套的电池设施。
直到2021年，多个省市下发通知，强制要求发电厂安装电池设施，这一行业才开始起步，但仍远远不能满足现实需要。
例如新能源大省青海，要求“新建新能源项目配置储能设备比例不低于10%、储能时长2小时以上。”
发电厂的电池只能用2个小时，够干啥？
电池技术正在锁死人类科技
在科幻小说《三体》中，三体人用一颗“智子”阻碍了物理学的发展，锁死了人类科技。
随着以“新能源+人工智能”为代表的下一场科技革命即将到来，落后的电池技术越来越像这颗“智子”。
因为电池技术进展缓慢，光能、风能始终由于“稳定性”问题，无法大规模应用，中国全面舍弃火电的目标遥遥无期。
与此同时，人工智能建立在海量的计算能力基础之上，带来的是极高的耗能，而当前的电池技术又无法提供支持。
你能想象一个智能机器人，或者全自动驾驶汽车，运行3、4个小时就断电么？
并且与三、四十年前，我国电力工程师们遇到的技术困难不同的是，那时候我们有西方现成的技术可以“照抄”。而今天，中国的新能源技术已经是世界先进，没人可以带领我们继续前进。
中国的工程师们必须自己探索方向，解决当前的“电池难题”。其背后，是人类在化学+材料学领域面临的严峻挑战。
对此，我只能对我们的工程师和科研工作者们，致以最大的敬意。希望“电池革命”，能早一天到来。
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对于这一次的限电原因，坊间已经有相当多的分析。例如有说“煤价暴涨、发电厂赔本不愿意发电”的；有说“今年中国出口形势太好，生产用电太多”的；当然也有被媒体批驳的“贸易战大棋”一说。
官媒批驳“大棋论”一说
这些说法，或许是今年限电现象如此严重的直接原因，但并没有触及到根本。
假设有一天外需回落、煤价下降，限电现象依然不太可能彻底远离我们。
因为当下中国电力短缺的根本原因，不在于煤价太高、也不在于生产耗电太多，而在于一项难以解决的技术瓶颈。
如果这项技术难题得不到解决，中国的“用电荒”现象，只会越来越严重。
中国电力的技术攻坚
稍有些年纪的人，应该还清楚的记得，在上世纪80年代末至90年代初，“拉闸停电”对于广大城市家庭来说，算是家常便饭。
1992年，北京发生过著名的“8·28大停电”，连回民医院的供电都被中断了，和这一次东北断电十分相像。该年1月到8月的244天里，北京居民有184天被“拉闸限电”。
作为首都的北京是如此，其他地区的用电情况就更差。
例如在四川，80年代普遍实行每周“停三保四”的制度，江苏则是“停二保五”。
那个时候，中国的工商业用电正经历着突飞猛进，而发电、电网设备却还使用的是60、70年代的老旧技术，落后西方好几代，由此造成了巨大的电力缺口。
为此，我们在发电设备、输电网络两个关键环节，展开技术追赶。
发电设备方面，改开后国内发电厂逐批引进西方发电设备，然后进行仿制和国产化。
1978年底，当时的第一机械工业部组织了两批考察团，同时考察德国、法国等6个欧洲国家，和日本三菱、东芝、日立等公司。
1978年 一机部赴欧洲考察 引进技术
考察结束后，一机部提出同时引进西方30万KW、60万KW两代火电机组技术的方案，大胆实现“弯道超车”——而当时国内最多使用的，还是10万KW以下的机组。
经过反复论证、货比三家，1980年，一机部最终选择了美国西屋公司和美国燃烧工程公司的制造技术，电厂设计引入美国伊巴斯库工程公司技术。1985年，又引进了日本日立公司的相关技术。
此后，又经过“七五”、“八五”期间，电力设计院等科研部门的合力攻关，我们完全吃下了西方技术。进入新世纪后，我们甚至有了自主建造100万KW发电机组的能力，正式跻身世界一流水平。
在输电网络方面，我们也是走“先引进、后仿造”的类似路线。
1985年，电力部门全套引进瑞士BBC公司的电网技术，建设葛洲坝至上海500千伏直流电输电工程，开启了电网技术追赶西方的历史。
此后，我们花了整整20年时间，实现了500千伏电网技术的100%国产化，跻身世界先进水平。
正因为有强大发电、电网技术的支撑，中国的电力供应才能在新世纪狂飙突进。
2006年之后，中国发电能力平均每年增长1亿千瓦。2010年，中国发电量赶超美国，成为世界第一。
到2019年，中国的发电量已经是第二名美国的1.7倍，并且增速也远超世界平均水平。
中国发电量世界第一 增速也远超世界平均
看到这里，肯定会有很多人疑惑：既然我们的发电能力如此强大，为什么今年缺电现象会如此严重呢？
因为，随着新能源时代的到来，我们又面临着一个新的技术瓶颈。
新能源时代的难题
从“十三五”时期开始，我国开始了电力领域的新能源转型，大力建设风电、光伏等新能源发电厂。
五年时间内，我国非化石能源（风、光、水、核）发电装机年均增长13.1%。占总装机容量的比重，从2015年底的34.8%，上升至2020年底的44.8%，整整提升10个百分点。
新能源的重要性不必我多说——我国已经做出了“2030年碳达峰”、“2060年碳中和”的庄严承诺。此外，发展新能源也是我国摆脱外部能源依赖的最重要手段。
但如此重要的新能源，却有一个严重缺陷，那就是发电太不稳定。
光伏，白天发电、晚上不发、晴天多发、阴天少发；
光伏白天发电，晚上用电高峰反而没电
风能，风大的时候多发、风小的时候少发；
水力发电稍好一些，但也有丰水期多发、枯水期少发的毛病。今年5月份广东地区开始限电，主要原因就是云南长期不下雨，导致水力发电骤降，南方电网不得不给广东地区限电。
电网公司收购电力，最需要的就是“稳定”，因为用电端的工厂和家庭，不可能因为今天是阴天、或者不刮风就不用电了。
而新能源发电的稳定性如此之差，以至于业内人士普遍将新能源称为“垃圾电”。
相比之下，电网最喜欢收购“稳定”的火电和核电。但火电烧煤，碳排放太高；而核电又出于安全考量，无法大力发展。
5、6年前，当时中国的火电能力还是富余的，以至于电网不愿意用风光电，并由此造成了2015年到2017年左右，大面积的“弃风”、“弃光”现象的发生。
电网不愿意收购不稳定的光伏、风电
例如在2017年，新疆的“弃光率”高达21.6%，也就是说光伏企业发出的电，有1/5没有电网愿意收购。
为了减少弃风弃光率，国家主管部门想出的办法，则是停建火力发电项目，迫使电网去收购不稳定的新能源电力。
2020年，我国火电装机同比仅增长4.7%。风电装机却在同一时间增长34.6%，光电装机同比增长24.1%。
停建火力发电，有效地减少了弃风、弃光现象的发生。2019年，新疆的“弃光率”终于降到10%以下。
但这样做代价，则是我国电网面对极端天气，稳定性越来越差。
这一次东北地区限电，很重要的一个因素就是9月份东北风力下降，而风力发电则占到了东三省电力装机的18%。
风力发电骤减，成为这次东北限电的主因
风力发电缺位，而火电又由于过去几年的停建、遇上增长瓶颈，无法及时补位，由此造成了大面积“拉闸限电”现象的发生。
换句话说，我们其实不缺电，缺的是“稳定”的电。
可以预见的是，随着新能源发电在我国的占比越来越高，由于极端天气造成的电网不稳定和拉闸限电的情况，只会更加频繁。
未来数年，中国的电力困境可能比2021年还要严重。
如何解决新能源电力困境？
想要有效解决我国的用电困境，就必须使新能源电力更加“稳定”。为此有两个解决办法：
短期来看，可以通过建设长距离特高压线路，加强全国电网调度和统筹，减少极端天气对电网稳定性的干扰。
例如北京风小，而内蒙古风大，则可以将内蒙古的风电，通过特高压线路输送到北京；再比如上海连续两个月阴天，但是新疆晴天多，则可以将新疆的光电输送到上海。
正在建设的特高压线路
但是“全国一盘棋”，仍不能完全杜绝电网不稳定的现象。因为极端天气难于预测，万一出现全国大部分地区连续阴天、或少风的情况，由此造成的“用电荒”和财产损失，是难以估量的。
毕竟过去几年，所谓“百年难遇”的极端气候，我们已经见识过很多次了。
因此从长期来看，想要使新能源发电彻底变得“稳定”，必须要有配套的电池储能设施。
白天的时候，光伏多产出的电储存在电池里，晚上再发出来。并且电池容量要足够庞大，足以应付连续数天、乃至数周的阴天情况。
风力发电也是如此。
然而不幸的是，相比于人类在其他领域的科技进步，人类电池技术进展异常缓慢，已经成了新能源转型的最大制约。
要说发电领域的电池技术，大家可能不太熟悉，咱们可以用手机里的电池作为替代进行说明。
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20年前，诺基亚的功能机换一次电池，至少可以用一个星期。20年之后，无论是苹果、华为还是小米，基本上都需要每天充电，为什么？
因为电池技术的进步，远远赶不上芯片技术的进步。
功能机时代，几乎没人会为电池发愁
芯片技术，大家可能听说过“摩尔定律”——集成电路上可以容纳的晶体管数目，每经过18个月便会增加一倍，性能也会翻一倍。
但电池技术，以手机上的锂电池为例，过去20年能量密度（单位体积内包含的能量）年均仅增长3%。
芯片性能翻番，带来的是耗能的大幅增长，而电池容量增长得又如此缓慢，以至于今天手机的续航能力大幅缩减。
各项技术发展速度 红线：通讯容量 蓝线：处理器性能 绿线：电池容量
电池技术成为发展瓶颈的现象，同样体现在电动汽车产业上。
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对于高利润的手机、电动汽车行业来说，电池一直是最大的难题，那就更不要提微利的发电行业。
由于电池成本过高、效率又太低，光伏、风能发电厂一般不愿意建造配套的电池设施。
直到2021年，多个省市下发通知，强制要求发电厂安装电池设施，这一行业才开始起步，但仍远远不能满足现实需要。
例如新能源大省青海，要求“新建新能源项目配置储能设备比例不低于10%、储能时长2小时以上。”
发电厂的电池只能用2个小时，够干啥？
电池技术正在锁死人类科技
在科幻小说《三体》中，三体人用一颗“智子”阻碍了物理学的发展，锁死了人类科技。
随着以“新能源+人工智能”为代表的下一场科技革命即将到来，落后的电池技术越来越像这颗“智子”。
因为电池技术进展缓慢，光能、风能始终由于“稳定性”问题，无法大规模应用，中国全面舍弃火电的目标遥遥无期。
与此同时，人工智能建立在海量的计算能力基础之上，带来的是极高的耗能，而当前的电池技术又无法提供支持。
你能想象一个智能机器人，或者全自动驾驶汽车，运行3、4个小时就断电么？
并且与三、四十年前，我国电力工程师们遇到的技术困难不同的是，那时候我们有西方现成的技术可以“照抄”。而今天，中国的新能源技术已经是世界先进，没人可以带领我们继续前进。
中国的工程师们必须自己探索方向，解决当前的“电池难题”。其背后，是人类在化学+材料学领域面临的严峻挑战。
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