实现零二氧化碳排放的计划

美国未能减少 CO 2排放

美国政府的能源信息管理局 (EIA) 年度报告预测，美国所有能源的CO 2排放量在未来 30 年中大致保持不变，如下所示。换句话说，根据美国政府的说法，美国并没有将 CO 2排放量减少到零。这是基于当前的政府政策。如果政策略有变化，下面的曲线也会发生变化，但只是略有变化。这个模型对立法者很有帮助，因为它使他们能够看到可能的政策变化的影响。

图 1：基于宏观经济增长假设的二氧化碳排放量

EIA 假设消费者以最低成本满足需求，这与过去的观察一致。他们认为光伏太阳能发电场和陆基风力发电在成本上与碳基选择相似，因此预计它们会在一定程度上向前发展。他们还预计，在未来几十年中，海上风电等成本更高的能源成本不会低于碳排放选项。

脱碳需要从排放 CO 2 的能源过渡到不排放 CO 2 的能源。这通常涉及更换石油、煤炭和天然气；与水力、太阳能、风能和核能。经过 30 年的脱碳，到 2050 年，EIA 估计美国 53% 的电力是绿色的（20% 太阳能、14% 风能、6% 水力、11% 核能）。由于大约 42% 的能源是电力，因此美国所有能源中有 22% 是绿色能源，78% 仍会排放 CO 2 (42% * 53%)。

图 2：美国选定燃料和可再生能源的发电量和份额

EIA并未估计未来 30 年太阳能和风能的指数增长。相反，超过30年，S OLAR预期增加3％至总电力的20％，和风力发电是期望从8％增至14％，如下所示。由于风电税收抵免到期，风电建设（下方绿色条）在 2024 年后停止。如果这一信用得到延长，人们可以期待更多的风，但不足以解决我们的问题。

图 3：年度发电量增加和退役

我们为什么失败

美国和其他国家失败的原因有很多，下面列出了其中的几个。了解这些很重要，因为它们是需要克服的障碍。

没有关于如何实现零排放的国家计划；随后，政府工程师和经济学家不知道该怎么办，政府也无法评估每年的脱碳绩效。

人们可以期待沙漠附近的社区建立光伏太阳能发电场，直到他们在中午丢弃绿色电子。如果缩放的太阳能至1/3后倾倒绿色之一到达点RD总电力的，并且所有的能量的42％是电，则这些社区将从太阳能获得的总能量的14％，例如（42％/ 3） . 换句话说，在达到太阳能饱和度（100% – 14%）后，该沙漠社区仍会从其能源消耗的 86% 中排放 CO 2。

可以在太阳能的基础上增加风能，一年内有可能从风能和太阳能中获得85%的总电量；然而，这仍然使 64% 的总能量由碳基能源提供（1 – 42% * 85%）。

有报道称，光伏太阳能发电场和风电场比碳基能源便宜。然而，这些假设是从头开始建造两个设施，并比较每个的成本。另一方面，典型案例是已经建成的碳工厂，并且正在考虑增加间歇性太阳能或风能设施。这需要减少碳工厂的输出，并在可用时替换绿色电子。因此，碳工厂的固定成本超过产出少，这意味着成本摊开其电增加。例如，将输出从满容量的 87% 降低到 51% 可能会导致发电成本从 0.032 美元/千瓦时增加到 0.037 美元/千瓦时。此外，可能需要 0.005 美元/千瓦时的额外电源线才能将远处的绿色连接到消费者。综上所述，加个绿色源就可以了；然而，使其在经济上可行通常需要政府干预，从而提高消费者价格和/或减少税收。

住宅光伏的成本大约是光伏太阳能农场的 3 倍；商业建筑光伏的成本大约是光伏太阳能发电场的 2 倍，以美元/千瓦时为单位。当考虑传输成本和太阳能发电场的土地成本时，住宅/商业光伏有时似乎更具吸引力。然而，这是一种误导，因为光伏建筑在日落时依赖于外部传输和碳基发电基础设施，而这种设备需要花钱来维护。

世界需要电力，但也需要类似的能源来制造金属、塑料、化学品和水泥等物品。而且，通过直接加热而不是通过电力来做到这一点，成本更低。换句话说，可能需要非常热的绿色能源。只有两种：核能和聚光太阳能。换句话说，解决气候变化可能需要降低成本并大规模生产核能和/或聚光太阳能，如将沙漠变成工厂中所述。光伏太阳能和风能不直接产生热量，因此可能永远无法制造金属、塑料、化学品等；比碳基选项便宜。

美国和欧洲的核电目前成本为 80 美元/MWh（0.08 美元/kWh）。但是，这指的是一次设计、认证和建造每个设施；这需要雇用数千名员工多年。或者，批量生产一种设计会看到不同的成本结构。例如，中国的HTR-PM第 4 代核反应堆已在中国启动并运行，发电价格为 0.034 美元/千瓦时（2.30 美元/瓦）。从理论上讲，这种特定设计可以以更低的成本在工厂批量生产，如美国政府如何以 100B 美元解决气候变化问题中所述。然而，建立工厂大规模生产核电可能需要10年时间。有关这可能如何运作的详细信息，请参阅全球脱碳计划。

水电站大坝依赖于有利于这项任务的土地，这意味着先建最容易，越建越难。海上风电和陆上风电都一样。London Array位于 25m 深的水中，英格兰周围的水深图并未显示该深度靠近海岸的多风机会。随着建造，他们应该预计水深和离岸的距离都会增加；这增加了成本。

陆上风车需要远离人们的多风土地，但离人口稠密的中心也不远。风力图显示美国落基山脉是风力发电的主要地点；然而，在积雪覆盖的山上放置一个大风车的成本很高。风车需要远离家庭，这排除了大量土地。而偏远地区的风车，远离沉重的电力线，成本更高。

GDP 通常每年都会增加，这会导致能源消耗增加，从而导致更多的 CO 2。

EIA 忽略您在 YouTube 上看到的大多数绿色小工具

下图显示了根据 NREL 的 2021美国 ATB 模型，在不排放 CO 2 的情况下从不同来源发电的成本，单位为 $/MWh 。

蓝色虚线显示美国天然气发电的当前成本，约为 40 美元/兆瓦时（0.04 美元/千瓦时）。EIA是没有希望的项目，以这条线是成本降低，在未来的几十年以下碳的权利; 因此，在大多数情况下，忽略它们。

图 4：美国电力的平准化成本

人们可以做很多事情来创造绿色能源；然而，在大多数情况下，它们的成本高于碳基选项；因此不可扩展。换句话说，政治压力可能会导致社区建造一些昂贵的东西；然而，由于公众希望不显着增加能源成本，大规模部署是不可行的。EIA 观察这种消费者和政治行为，并将其纳入他们的模型中。

如何在 30 年内实现美国脱碳

现在，我们将看看在 30 年（(100% – 16%) / 30 年）内，以每年 2.8% 的恒定速度对美国所有能源进行脱碳需要什么。结果，CO 2排放量（如下图红色所示）减少到零，并且破坏在某种程度上均匀分布。

图 5：脱碳

我们将脱碳分为两个阶段。第一阶段是 7 年，我们知道该怎么做；而第二阶段是 23 年，我们没有任何线索。然而，在第一阶段，工程师有 7 年的时间来处理第二阶段。

第一阶段将电力从 39% 脱碳至 85% 且不排放 CO 2；这意味着每年有 6.6% 的电力变为绿色。从绝对值来看，这意味着我们每年需要建设 300 TWh/年的水力、风能、太阳能和/或核能。成本最低的方法是用光伏太阳能发电场和陆基风力发电场的电力取代天然气和燃煤发电站的电力。保持 6.6%/年的电力脱碳率需要太阳能发电场和风电场建设增加约 7 倍。

经过大约 7 年的第一阶段建设，饱和可能会导致美国寻求其他脱碳机会。饱和涉及在阳光明媚的大风天供大于求时丢弃绿色电力。

如何将太阳能/风能建设增加 7 倍

要增加 300 TWh/yr，可能每年增加 100 TWh/yr 的光伏太阳能，每年增加 200 TWh/yr 的陆基风电。这两者的比例并不重要，因为重要的是保持总数。然后，大约 7 年后，美国 85% 的电力将是绿色的，美国能源的 36% 将是绿色的。

NREL 估计光伏 太阳能发电场的建设成本为$1.36/Watt，这意味着 100 TW/yr 的太阳能每年将花费 $52B（$1.36 *（100 TW * 1000）/（24 小时 * 365 天 * 30% CP））。他们估计风电建设为$1.37/Watt，这意味着 200 TW/yr 的风电每年将花费 $76B（$1.37 *（200 TW * 1000）/（24 小时 * 365 天 * 41% CP））。

政府每年不支付 $52B 或 $76B。相反，资本市场放贷，这取决于是否有客户。并且客户是可用的，前提是绿色选项比碳便宜，在政府干预的推动下，光伏太阳能发电场和陆基风能就是如此。

人们可以查看太阳能发电场列表，以了解 100 TWh/年的太阳能是什么样的。例如，建造 60颗太阳星(100 / 1.66)可以获得 100 TWh/yr 。此外，您还可以查看风电场列表以了解 200 TWh/yr 的风量是什么样的。例如，通过建造 63 个Alta Farms (200 / 3.18)可以获得 200 TWh/年的收益。

2020 年，美国 39% 的电力是绿色的（太阳能 3%、风能 8%、核能 19%、水电 7%）；16% 的能源是绿色的。经过 7 年 6.6%/年的绿色电力建设，到 2029 年，美国 85% 的电力将是绿色的（19% 太阳能，40% 风能，18% 核能，6% 水力）；例如，所有能源的36%将是绿色的。

2016 年至 2019 年间，美国每年增加约 14 TWh/年的太阳能，每年增加约 28 TWh/年的风能。为了在 7 年内支持 6.6%/年的电力脱碳，需要将这些增加大约 7 倍（~100 TWh/yr = 14 * 7，~200 TWh/yr = 28 * 7）。这是可行的，如如何加速绿色电力中所述。

如果您想用自己的数字重新计算上述计算，请下载我们的电子表格并查看工作表“计划”中的“计划使美国实现零二氧化碳排放”。

实现 CO 2零排放的计划

比尔盖茨说我们需要一个描述如何实现零排放的计划。下面是一个适用于美国的例子。中国或欧洲的计划可能会类似。

第一阶段发生在 2022 年至 2029 年之间，历时 7 年，包括两个组成部分：(a) 以 2.8%/年的恒定脱碳能源率建造光伏太阳能发电场和陆上风电场，以及 (b) 所需的降低成本的技术在第二阶段进一步脱碳。

第二阶段发生在 2030 年至 2053 年之间，历时 23 年，涉及以同样 2.8%/年的速度建设绿色能源产能，利用第一阶段开发的技术。

上述蓝色虚线右侧的所有项目目前都比碳成本更高，因此由于公众希望避免高能源价格，因此无法大量建设。有了这些项目，政府在第一阶段每年要花费数十亿美元来降低成本。

2022 年脱碳法案

为实施上述计划，美国通过了 2022 年脱碳法案（DA2022）：

DA2022 要求美国在2052 年之前以恒定速率脱碳，实现零排放。这相当于在 30 年内每年将绿色能源总量的 2.8%。

恒速脱碳随着时间的推移均匀地分散破坏，并阻止现在将不可能完成的任务交给未来。

政府经济学家和工程师制定了支持每年 2.8% 的脱碳率的政策选择。

电力首先要脱碳，因为这是最初以低成本获得 2.8%/年的唯一途径。这需要每年将总电力的 6.6% 转换为不排放 CO 2 的来源（42% 的能源是电力，6.6% = 2.8%/42%）。

电力脱碳最便宜的方法是加快建设光伏太阳能发电场和风电场。我们可以这样做，直到我们饱和，这意味着直到供大于求，我们在晴天和刮风时丢弃绿色电力。

饱和可能会在大约 7 年内发生，到那时，我们需要额外的脱碳方法才能以 2.8%/年的速度继续下去。

政府干预的规模将推动每年 6.6% 的太阳能和风能建设。这是通过税收抵免、可再生要求和/或直接补贴的组合来实现的。

政府干预导致消费者价格上涨，税收减少。这两者的总和是脱碳的成本，在我们使太阳能和风能饱和之前，可以预期这一成本在 0.005 美元到 0.020 美元/千瓦时之间。

美国脱碳实验室 (USDL) 尽快成立，其任务是开发低成本技术，最终让我们在 2052 年实现零排放。

电力的脱碳税，介于 $0.001 和 $0.003/kWh 之间，支持脱碳实验室（$4B 到 $12B/年）。

如如何加速绿色电力中所述，设立了一个新职位，并有权修改现有的购电协议。

美国、欧洲和中国都需要一个脱碳实验室

在第一阶段，工程师有很多事情要做。例如，他们需要开发核能和 24 x 365 太阳能，它们都能够通过直接加热制造材料和化学品，比碳基选项便宜。

这是复杂的; 因此，美国、欧洲和中国都需要建立自己的国家实验室，负责解决全球范围内的整个气候变化问题。

如果一个国家将 CO 2排放量减少到零，那么由于其他国家没有脱碳，伤害仍然会来到她的海岸；因此，每个实验室的任务都是解决全球范围内的问题。一个实验室可以通过赠送使绿色能源比碳基能源更便宜的技术来影响其他国家。

中国拥有强大的制造业，建造规模大、速度快、成本低。美国人擅长研发和计算机。欧洲人受过良好教育，精通绿色能源。这三个实验室共同研究如何以低成本达到零。

有关绿色实验室可能做什么的想法，请参阅 Aspencore气候变化解决方案系列文章。

今天中断还是推迟？

各国可能倾向于不以恒定的速度脱碳，而是假设技术改进和其他降低成本的措施将在未来变得更容易，并推迟。

如果一个国家没有不具有比碳（或接近）便宜脱碳的机会，然后脱碳是相当困难的，等到以后是可以理解的策略。另一方面，如果确实有比碳更便宜的机会，他们应该考虑以恒定速度脱碳，并分散负担。

由于以下几个原因，随着时间的推移，脱碳可能会变得更加困难：

电力相对容易脱碳，因为可以用绿色能源代替碳基发电站，而不会引起用户的变化。或者，非电力需要用户改变，其中有很多。

通过比碳更便宜的“冷”光伏太阳能或风能制造材料可能是不可能的。另一方面，从核反应堆或聚光太阳能设施直接加热制造，比碳更便宜，理论上是可能的。然而，我们还没有接近做到这一点，尤其是在大规模的情况下。

NREL 和 EIA 都希望目前比碳成本更高的技术能够保持这种状态数十年。

恒速脱碳？

有不同的脱碳方法。下面是两个例子：

在 20 年内使大部分电力脱碳。

以恒定的速度将所有 能源脱碳，首先关注电力，因为它便宜且易于理解，在脱碳的同时进行研发，然后在工程师开发低成本补救措施后解决非电力问题。

许多国家赞成第一种方法，而本文着眼于第二种方法。

第一种方法的问题是它给以后的岁月带来了很大的负担，并且不清楚未来能否胜任。第二种方法的问题是它会更快地带来更多中断。

人们可以用数学方法计算加速的绿色电力建设计划会造成多大的破坏。起初，消费者可能会看到电价小幅上涨。之后，由于需求减少，煤炭和天然气燃料的价格可能会下降，这可能会导致电价下降。最终，痛苦转移到煤炭/天然气供应链，其价格较低，数量较少。由于更多的债务陷入困境，这会给他们的贷方带来压力。

从某种意义上说，如果一个国家的整个能源行业没有受到破坏，那么它就不是脱碳。

碳税救不了我们

一些经济学家赞成征收碳税 (CT)，据说可以推动市场解决这个问题。CT 不会痛；但是，由于以下原因，它不会拯救我们：

我们需要比 EIA/NREL 预测更快地降低许多技术的成本，这需要额外的数十亿美元的政府资金用于工程，而 CT 不会这样做。

需要解决与现有购电协议的冲突以加快绿色环保，这与CT无关。

在大多数情况下，绿色环保在经济上是不可行的，需要政府干预以及相关的消费者价格上涨。政府干预比 CT 更精确。例如，100 美元/吨的 CT 可能会增加 0.04 美元/千瓦时的价格；然而，在许多情况下，需要 0.01 美元/kWh 的干预和 PPA 修正。

一项要求政府干预规模以支持特定脱碳率的联邦法律将使经济学家得到他们正在寻找的 CT。

总之，要达到零需要明智的政府政策；一项规定年度脱碳率的联邦法律；以及公众愿意为脱碳支付 0.005 至 0.020 美元/千瓦时。

审核编辑 黄昊宇