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随着太阳能电池板价格的一落千丈，全球的太阳能发电量如今正在向上飙升。尽管如此，太阳能仍占世界总发电能力的不到2%。这并不奇怪。每平方米的太阳能电池板所产生的电力约为145瓦，仅能点亮两三个灯泡。
这就意味着，要想让太阳能发电的效益和一个大型化石燃料电厂的峰值容量媲美，就要把太阳能电池板覆盖在面积相当于5～6个像华盛顿特区的国家广场那么大的地方。更重要的，这么多的电池板，每一个都是人工安装的。
可持续的机器人：在德国莱比锡附近，机械手臂正将一块大型光伏板安装在架子上。这里正建造一个太阳能发电站。光伏板大约占6平方米，重120千克。
目前，德国的一些企业，例如PV Kraftwerker 和Gehrlicher，正在研发能够不分日夜、在各种天气条件下自动安装地面装配型太阳能电池板的移动机器人。PV Kraftwerker所设计的机器人预计能够组装发电厂级的太阳能电池板，这种电池板的大小是家庭屋顶电池板的四倍大。
研发这种机器人的主要目的是节省劳动力成本，因为随着电池板价格的日益降低，劳动力成本在太阳能发电中所占的比重就会随之增大。据太阳能园区建筑公司PV Kraftwerker透露，以前需要35个工人才能完成的安装工作，现在只需要3个，耗费的时间也只有原来的1/8。
该公司估计，对于一个发电能级为14兆瓦的太阳能发电厂，人工安装电池板的成本大约要200万美元。这个工作如果是由机器人代劳，成本可以减少将近一半。该公司还表示，这款标价90万美元的机器人，持续使用不到一年，就可以收回成本了。
德国目前正雄心勃勃地计划，在8年内实现该国1/3的电力来自可再生能源，到2050年增至80%。考虑到这一点，机器人的帮助将有利于这些目标的实现(见“德国能源大实验”)。2011年，德国的太阳能装机量在世界上处于领先地位，当年共安装了足以产生约7.5千兆瓦(GW)电力的电池板，覆盖了差不多50平方公里的地面和屋顶。
PV Kraftwerker打造的机器人，用的是来自日本的现成组件。它的机械手臂架设在一部有着类似坦克履带的全地形车上。在吸盘抓住电池板的玻璃面后，机械手臂根据相机提供的现场三维视图指导，将电池板摆放到正确的位置上。
机器人的局限也让人看到，完全自动化安装过程是一件非常困难的工作。德国的大部分太阳能电力都来自屋顶的太阳能电池板阵列，但由于屋顶的形状和方向有太多的变化，给机器人的安装工作增加了难度。更何况PV Kraftwerker的营销主管Markus Gattenlöhner表示，即使是安装小型太阳能农场中使用普通尺寸电池板的太阳能电池，人类工人的工作速度也比机器人快，成本亦比后者低。
弗劳恩霍夫可持续能源系统中心(Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems)(的科学总监Christian Hoepfner也认为，机器人的作用会很有限。“但对于大型的、架设在地面的安装工程，我能看到它们的好处，”他说。“当你要用相同的电池板覆盖一大片的地方时，你自然会这么想，‘为什么不让机器人来安装这些东西呢?’随着安装规模的增大，对机器人的使用就不可避免了。”
到目前为止，PV Kraftwerker研发的机器人只能做一件事：把电池板放在人类已经安装好的金属架上。还需要两个工人走在机器人旁边，用螺钉将电池板固定在金属架上并接通上电路。
然而，随着机器人其他组件逐渐变得自动化，机器人在安装过程中的应用可能会变得越来越普遍。现在，PV Kraftwerker和其他同类型的公司也在研发另外一种机器人，它们在全球定位系统(GPS)的引导下，能在地面上凿出洞来，再把电池板装在里面，这样就不需要人类工人来安装金属架了。一些较新型的太阳能电池组件无需人类用螺钉固定，可以被“抓”到或粘到位置上。特制的插头甚至可以让机器人进行电路连接。
这些机器人可以在恶劣的环境中提供电力。日本政府已经委托PV Kraftwerker公司开发一种适合本国的机器安装工人。它们将能够独立在福岛核电厂灾害现场附近受辐射的地区安装一个太阳能电厂。Gattenlöhner说，日本政府希望在六个月内就收到这些机器人。
德国能源大实验
德国西部的北莱茵-威斯特法伦州的乡村路边，居住着一位名叫诺伯特•罗尔(Norbert Leurs)的农夫。36岁的他为人和蔼，双手长满了老茧，有两个年幼的孩子。直到最近，他都在从事着平淡的行当：种马铃薯和养猪。不过他的最新业务却表明欧洲最大的经济体在能源政策上做出了非同寻常的转变。2003年，一家小型风能公司在罗尔斯的一块土豆田里竖起了一座70米高的风机。在点缀于德国乡间的数百个风电场中，有大约22000个这样的风机。罗尔斯可以得到6%的电力销售收入，每年大约9500美元。他正考虑再多增加2到3个风机，每个都相当于第一个风机的2倍高。
从这些风机获得的收益与他在太阳能电池板中赚到的比还不算多。在2005年，罗尔斯得知政府正要求地方电力部门高价购买屋顶太阳能。于是他贷了款，在接下来的7年内逐步为他的猪圈、谷仓和房屋都覆盖上了太阳能电池板——也不管经常阴天以及屋顶朝向并不都很理想。他从最终安装好的690千瓦的电池板上每年可以赚到280000美元，而且预计在偿清贷款后可以获得超过200万美元的收入。
德国高明(Görmin)正在建造中的风力涡轮机，这样的风机在全国有大约22000多个。
罗尔斯这样的故事可以帮助解释，为何在2011年，德国来自于可再生能源的发电量占据总发电量的比例能从2010年的6%上升到20%。德国保证风能、太阳能、生物质能以及水电的高价格，把成本转移到电价上。像罗尔斯这样的参与者和建造他的风机的小能源公司采用的是现成的技术并且可以确保收益。对于他们来说，绿色是相当容易实现的。
但接下来就没那么容易了，德国政府在2010年宣布将要实施被称为Energiewende的计划，这是一次能源政策的转变，或者说是一场能源革命。这次由化石能源到可再生能源的转换是一个重工业国家所进行过的最具野心的尝试：其目标是到2020年要把温室气体排放量在1990年的基础上削减40%，到本世纪中叶削减80%。这个目标相当具有挑战性，但考虑到德国已经有20%的电力是来自于几乎完全不产生温室气体的核能，要实现就容易了一些。而到了去年，为了应对公众对于海啸后日本福岛核事故的担忧，总理安格拉•默克尔(Angela Merkel)下令立刻关闭了德国最老的8座核电站。在几个月后，政府完成了一个方案，将在2022年前关闭剩余的9座。现在，Energiewende也包括了离弃德国最主要的低碳电力来源。
德国已将自身置于一场会在严重依赖德国经济力量的全欧洲引发巨大反响的宏大能源试验中。这个国家必须在降低能耗的同时，付出巨大而难以估量的代价，以前所未有的规模来开发和应用可再生能源技术。这些都要在工业不受到损伤的前提下进行，而工业依赖的是价格合理且稳定可靠的能源。“从某种意义上说，Energiewende是一个没有技术解决方案支持的政治主张，”通用电气能源集团德国公司的首席执行官斯蒂芬•莱梅特(Stephan Reimelt)说，“德国正强迫自己进行革新，这导致了一座规模前所未有的巨型工业试验室的出现。我们必须尝试多种不同的技术来达到目标。”
德国能源工业的主要企业正同时采用数种策略。为了取代核能，它们竞相在远离德国海岸的北海中建设巨大的风电场;并且正在计划建造把电力输送到德国工业区的新输电设施。与此同时，西门子、通用电气和RWE这几个德国最大的电力供应商，正在寻找让工厂在风能和太阳能出现断档时保持正常运作的方法。他们正在寻找廉价、大规模的储能形式，并且希望计算机可以智能协调可能多达数百万个的分布式电源。
德国罗斯托克北海港口附近的船坞。西门子正建造一个巨大的平台，管理远离岸边的风电场发电的设备将会安放在这个平台上。
对这一转变成本的估算分歧很大，部分取决于新技术的采用有多迅速，以及它们价格的下降有多快。不同的经济智库预测德国在未来8年内大约会在基础设施扩建以及政府补贴上花费1250到2500亿美元——相当于德国2011年GDP的3.5%到7%。
德国已经为此付出了显著的成本，每月的电费额外多了15%的可再生能源附加费(重工业用电除外)。自从8个核电站关闭后批发电价上升了大约10%。德国电网前所未有的紧张。而且，讽刺的是，Energiewende的目标是削减温室气体排放，而关闭核电站的决定却增强了对燃煤电厂的依赖。
虽然花费巨资，但德国也可以从其宏大的试验中获得巨大的利益。在过去的数十年中，德国不仅开发了风能和太阳能，也有些不太引人注目的能源技术，例如管理软件和高效的工业流程。据柏林自由大学环境策略研究中心主任米兰达•西罗斯(Miranda Schreurs)称，合起来考虑，这些“绿色”技术已经创造出价值120亿美元的出口产业，而且有潜力进一步增长。政府的政策可以为新技术的发展与应用提供进一步的激励。“这是从中获益的诀窍，”西罗斯说，“从长远看来，德国的竞争之道是成为最为节能和节约资源的市场，并且在这个过程中扩大出口市场。”
如果德国能够成功实现转变，那么它将为其他工业国家提供可行的蓝图，这些国家也正面临着能源消费转型的压力。“人们正密切关注Energiwende，如果它能在德国实现，那就为其他国家树立了一个样板。” RWE的首席经济学家格雷厄姆•威尔(Graham Weale)说，该公司正努力解决怎样在关闭核电站的同时保持电力供应的问题。“如果不能，那将会对德国乃至整个欧洲的经济造成非常严重的破坏。”
遭遇瓶颈
在纽伦堡以北20千米处的埃朗根城，坐落着安保严密的工业建筑群，能源巨头西门子的实验室和工厂就位于这里。西门子正是参与Energiwende的承包商之一。其中的一座建筑如字面上一样充满“能量”(30兆瓦的电能)地嗡嗡作响。在建筑里面是一个用钢铁与铜制成，用来大规模地把交流电转换为直流电的巨型机器。这样的机器预定要装在离岸平台上，这些平台必须要承受几十年强劲的北海风暴。
德国需要这种技术，因为它正在寻求所能找到的最稳定的风能来源。而这只有在远离岸边的海上才能找到——距离太远以至于标准的交流输电线路不能胜任输电工作。到目前为止，德国只建造了装机总容量大约500兆瓦的离岸风力发电设施，都在距离陆地90千米的范围内，水深则在40米内。现在能源公司正计划建造10000兆瓦的风电设施，到岸边距离远至160千米，水深达到70米。数个10000到20000吨的离岸变电站会把数十亿瓦的交流电转换为直流电，直流电在跨越这样的长距离进行传输时能量损失很小。负责德国北海大规模建设部分工程的荷兰电网公司Tennet的企业发展总监莱克斯•哈德曼(Lex Hartman)说：“世界上没有任何一个地方这样做过——以这样的方式和这样的规模建设离岸电网和输电线路。”
当然，这一切仅仅是将电能传输到海岸上，电力还需要穿越德国送抵国家南部的主要工业中心。这需要大约3800千米的新输电线路，但由于不情愿的土地所有者和地方政治家拖延了进展并制造阻碍，已经建成的只有约200千米。进度的拖延以及对新技术的采用使得的德国的离岸风电项目本身成为了一场豪赌。“没有人真正知道Energiwende到底要花费多少，”慕尼黑大学的能源经济学家卡伦•皮特尔(Karen Pittel)说，“尤其是那些风电场，它们大致上就是些试点项目。”
没有了廉价可靠的能源来支持高技术产业和交通系统，德国经济，以及整个欧洲的经济都会陷入困境。已经有一些德国公司开始在其他地方建设新生产设施，例如，去年化工制造商瓦克化学公司决定在田纳西州建一座多晶硅工厂，部分原因就是德国能源成本太高了。威尔说;“能源供应的质量只要下降一点，对高科技产业就会带来严重的影响。即使没有停电，这些行业也越发紧张了。”
为了避免灾难发生，德国必须开始更大规模地运用储能技术以及负载平衡策略。现在，整个国家有31座抽水蓄能电站。这种电站可以在夜间把水抽到高处，然后让向下的水流推动水轮机发电。它们总共可以存储38兆千瓦时的电能，这听起来好像很多，但还不到德国风电场以峰值功率在90分钟内输出的电能。
电池或许能帮上忙，但目前它们成本太高，难以承担大任。在埃朗根的另一座建筑里，西门子正基于三种不同的锂离子技术来制造拖车大小的电池。每个电池可以为40个德国家庭供电一天，但是这些电池作为备用电源来说就太贵了。取而代之的是，高科技企业可能利用它们平安度过供电不稳定之时，例如持续15分钟，8兆瓦的波动，这样的话那些特殊设备就无需经历耗时漫长的重启过程。锂离子电池价格至少还需要下降一半，才能为风机在数小时内输出的额外电能提供一种经济的存储方法。
其他存储技术也正处在开发中，不过即使它们最终可以投入实用，也还是要等很多年。例如，西门子正在研究的一项新技术，是利用过量的电能分解水来制取氢。不过这是实验性质的技术，而且在目前这个阶段价格很昂贵。
不可避免的，当承受着巨大压力的电力系统把欧洲拖入泥淖之时，7月最炎热的几周却即将到来，当被烈日炙烤的德国人向空调求救时，风力涡轮机却都停在那里。直到有大规模且价格低廉的储能技术可用之前，可以迅速且高效地启动的天然气发电站会是用来协调这种状况的最为实用的方法。但人们没有充足的动机来建造这种电站。天然气发电站要满足高峰期电力需求，已经不能再每次运行固定的几个小时了。因为电力需求变化也不再是可以预测的了，曾经在工作日下午固定下降的需求，现在则是随着太阳和风变动。波茨坦气候影响研究院的首席经济学家，奥特玛·埃登霍费尔(Ottmar Edenhofer)说：“电力市场的设计将会发生根本性的变化。需求是浮动的，与此同时供应也是浮动的。这两个维度的联系和互动已经成为热门的研究课题。会出现新的和正在形成中的市场失效情况。
虚拟电力
杜伊斯堡是埃森市西边的一座坚韧的城镇，它在二战中曾是主要的军火制造中心，被盟军轰炸成一片瓦砾。而今在这里，德国四大电力公司之一的RWE集团正在进行另一项关键技术：虚拟发电站的前沿研究，在这种技术中，软件智能控制海量的小型电源(最终还会包括分布式的储能站)协调它们的电力输出，用于在能源市场上出售。其目标是把数千个单独供电时都不可靠的可再生能源，转换成电力部门可以信赖的巨大网络。这是一个光彩夺目的构想，但仍处在襁褓中。
在一个坐落在纳粹防空洞前，形似尖顶巫师帽的实验室中，RWE的研究人员正在对十几个设计用来热电联供的燃气锅炉和燃料电池进行测试。理论上，在必要时候电力公司可以征集成千上万个家庭用机组，以及为公寓和写字楼供能的大型机组，来制造额外的电力提供给电网。德国用电量差不多有5%可以通过这种方式获得，大约相当于电力公司预计可从新的离岸风电场所得到的发电量。
个人用户和企业需要逐渐替换已有的锅炉，基础设施也必须落实到位才能同步成千上万个电源，要达到这一步需要花费数十年。但在杜伊斯堡以东一小时路程，多特蒙德边的上一栋20世纪60年代的办公楼内，作为起点，工程师们正在测试一种比较适度的网络。有一个地下服务器机房作用相当于120个小型发电站的通讯枢纽，这些电站依靠可再生能源(主要是风能，另外也有太阳能和生物质能)发电，总发电能力为160兆瓦。软件把气象预报纳入考虑，收集大量来自风能和太阳能的可再生电力，通过切换生物质发电厂的开启和关闭来平衡电力输出的波动，从而制造出稳定的电力。
类似这个网络的早期项目是通向更为复杂系统的进身之阶，未来的系统也会包括需求管理，电力公司会给愿意在电力需求高峰期自动削减用电量的用户提供折扣。有朝一日，系统也可以从停靠的电动汽车中提取电力，或是把电能储存在它们中，以补偿风能的变动。
通用电气和其他公司也正在追求这样的理念。“今天我们所知的是能源市场将会分散化，将会成为一个碎片化的市场，”通用电气的莱梅特说，“过去，我们有四家电力公司，现在我们有350家发电公司，今后还会增加到1000家，而如果你把每个屋顶有太阳能电池板的人计算在内的话，这个数字会增加到上百万。所以我们看到的一个趋势是：需要强调的不再是发电，而是电力的管理。
巴伐利亚的困惑
透过巴伐利亚小镇贡德雷明根的镇长沃尔夫冈•迈耶(Wolfgang Mayer)书桌后面的落地窗，可以俯瞰这个小镇。在1英里之外，矗立着贡德雷明根核电站B和C两个机组的一对冷却塔。这个电站是德国最大的核电站，恰好位于斯图亚特和慕尼黑两个工业中心中间，电站的装机容量为26亿瓦。Energiwende令迈耶感到很困惑，这个计划威胁着城镇的数百个工作机会，并且会影响税收。“他们说2017年会关闭B机组，到2021年关闭C机组，”他指向核电站说，“可是它们都是在1989年启动的!正常人理解不了，这是什么逻辑?”
业主在房顶安装太阳能电池从补贴获益，房子后面则可以看到贡德雷明根核电站的冷却塔，这家电站已预定要关闭。
感到困惑的并不止迈耶自己，许多有争议的现行政策都是不合逻辑的。至少在短期内，关闭核电站的决定意味着Energiwende实际上会使电力公司更加依赖煤。例如去年，RWE在靠近比利时国境的已有设施内启动了两座计划了许久的锅炉，这些锅炉燃烧的是所有化石燃料中最脏的一种：褐煤。虽然这些锅炉比它们所替代的前任更清洁，但这座燃煤电站是同类中世界最大的，而且为了满足电力需求，这些天它一直保持满负荷运转。
“如果关闭掉8座不排放碳的核电站，一夜之间，碳排放量就会增加，”威尔说，“德国不得不比先前所预料的更依赖来于煤，如国家想要的那样迅速减少二氧化碳排放量恐怕是很困难的。”现在建设何种电站的决定将会影响未来几十年，他说;“你不可能突然从一种换到另一种。”
另一个问题是即使涉及到替代能源，德国所奖励的也不是二氧化碳减排。相反的是，它为一些特定的技术设立了定义明确的政府补贴：1千瓦时的太阳能获得的补贴要比来自离岸风机的等量电能多，后者则要比陆地风机多。即使太阳能补贴已经下降得远比罗尔投入的时候低，但太阳能获得的补贴率依然是最高的。可是如果关注的是碳减排的话，更多的钱应该投入到减少能源消耗上。慕尼黑的能源经济学家皮特尔说：“如果选择最理想的手段，把精力集中在可以最廉价地让你实现目标的领域，那么你将会更专注于能源的利用效率，而不是可再生能源。”
现行的补助政策让现有技术得以盈利，但创新却没有从中获得同样程度的鼓励，比方说，对革命性新光伏技术的开发就没获得什么激励，即使最终可能只有这类技术才能让没有补贴的太阳能便宜到足以和化石燃料竞争。
在一些德国经济学家看来，这个国家的能源政策就是完全错误的。慕尼黑大学Ifo经济研究所主席汉斯-韦尔纳•辛恩(Hans-Werner Sinn)的批评尤为严厉，“Energiewende是朝向虚幻的转变，因为绿色技术还不足以替代传统能源满足现代社会的能源需求，”他说，“关闭核电站是错误的，因为这是种廉价的能源，而风能和太阳能决不可能替代它。它们昂贵得多，并且输出能量的品质也较差。能源密集型产业将会外迁，而且德国制造业的竞争力将会下降，或者收入会降低。”
当然，德国的政治家们把赌注压在辛恩是错的上。而且也有许多令人振奋的迹象表明不必像他那么悲观。太阳能电池板的成本正在飞速下降，这意味着太阳能将会越来越有竞争力。电池的成本可能也会一样下降。如果化石燃料价格继续持续升高，可再生能源看起来就会更具吸引力。“40年是很长的一段时间，人们总是不断为优秀技术的发展而感到惊讶，例如现在太阳能电池价格下降的方式，”威尔说，“在我看来，我想强调Energiewende是多么具有挑战性。此刻，要推进这个计划看起来很困难。但是在适当的激励机制下，有充足的理由相信技术的进步速度将会比我们现在所预期的快得多。”
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