美國未能減少 CO 2排放

美國政府的能源信息管理局 (EIA) 年度報告預(yù)測，美國所有能源的CO 2排放量在未來 30 年中大致保持不變，如下所示。換句話說，根據(jù)美國政府的說法，美國并沒有將 CO 2排放量減少到零。這是基于當(dāng)前的政府政策。如果政策略有變化，下面的曲線也會發(fā)生變化，但只是略有變化。這個模型對立法者很有幫助，因為它使他們能夠看到可能的政策變化的影響。

圖 1：基于宏觀經(jīng)濟(jì)增長假設(shè)的二氧化碳排放量

EIA 假設(shè)消費者以最低成本滿足需求，這與過去的觀察一致。他們認(rèn)為光伏太陽能發(fā)電場和陸基風(fēng)力發(fā)電在成本上與碳基選擇相似，因此預(yù)計它們會在一定程度上向前發(fā)展。他們還預(yù)計，在未來幾十年中，海上風(fēng)電等成本更高的能源成本不會低于碳排放選項。

脫碳需要從排放 CO 2 的能源過渡到不排放 CO 2 的能源。這通常涉及更換石油、煤炭和天然氣；與水力、太陽能、風(fēng)能和核能。經(jīng)過 30 年的脫碳，到 2050 年，EIA 估計美國 53% 的電力是綠色的（20% 太陽能、14% 風(fēng)能、6% 水力、11% 核能）。由于大約 42% 的能源是電力，因此美國所有能源中有 22% 是綠色能源，78% 仍會排放 CO 2 (42% * 53%)。

圖 2：美國選定燃料和可再生能源的發(fā)電量和份額

EIA并未估計未來 30 年太陽能和風(fēng)能的指數(shù)增長。相反，超過30年，S OLAR預(yù)期增加3％至總電力的20％，和風(fēng)力發(fā)電是期望從8％增至14％，如下所示。由于風(fēng)電稅收抵免到期，風(fēng)電建設(shè)（下方綠色條）在 2024 年后停止。如果這一信用得到延長，人們可以期待更多的風(fēng)，但不足以解決我們的問題。

圖 3：年度發(fā)電量增加和退役

我們?yōu)槭裁词?/p>

美國和其他國家失敗的原因有很多，下面列出了其中的幾個。了解這些很重要，因為它們是需要克服的障礙。

沒有關(guān)于如何實現(xiàn)零排放的國家計劃；隨后，政府工程師和經(jīng)濟(jì)學(xué)家不知道該怎么辦，政府也無法評估每年的脫碳績效。

人們可以期待沙漠附近的社區(qū)建立光伏太陽能發(fā)電場，直到他們在中午丟棄綠色電子。如果縮放的太陽能至1/3后傾倒綠色之一到達(dá)點RD總電力的，并且所有的能量的42％是電，則這些社區(qū)將從太陽能獲得的總能量的14％，例如（42％/ 3） . 換句話說，在達(dá)到太陽能飽和度（100% – 14%）后，該沙漠社區(qū)仍會從其能源消耗的 86% 中排放 CO 2。

可以在太陽能的基礎(chǔ)上增加風(fēng)能，一年內(nèi)有可能從風(fēng)能和太陽能中獲得85%的總電量；然而，這仍然使 64% 的總能量由碳基能源提供（1 – 42% * 85%）。

有報道稱，光伏太陽能發(fā)電場和風(fēng)電場比碳基能源便宜。然而，這些假設(shè)是從頭開始建造兩個設(shè)施，并比較每個的成本。另一方面，典型案例是已經(jīng)建成的碳工廠，并且正在考慮增加間歇性太陽能或風(fēng)能設(shè)施。這需要減少碳工廠的輸出，并在可用時替換綠色電子。因此，碳工廠的固定成本超過產(chǎn)出少，這意味著成本攤開其電增加。例如，將輸出從滿容量的 87% 降低到 51% 可能會導(dǎo)致發(fā)電成本從 0.032 美元/千瓦時增加到 0.037 美元/千瓦時。此外，可能需要 0.005 美元/千瓦時的額外電源線才能將遠(yuǎn)處的綠色連接到消費者。綜上所述，加個綠色源就可以了；然而，使其在經(jīng)濟(jì)上可行通常需要政府干預(yù)，從而提高消費者價格和/或減少稅收。

住宅光伏的成本大約是光伏太陽能農(nóng)場的 3 倍；商業(yè)建筑光伏的成本大約是光伏太陽能發(fā)電場的 2 倍，以美元/千瓦時為單位。當(dāng)考慮傳輸成本和太陽能發(fā)電場的土地成本時，住宅/商業(yè)光伏有時似乎更具吸引力。然而，這是一種誤導(dǎo)，因為光伏建筑在日落時依賴于外部傳輸和碳基發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施，而這種設(shè)備需要花錢來維護(hù)。

世界需要電力，但也需要類似的能源來制造金屬、塑料、化學(xué)品和水泥等物品。而且，通過直接加熱而不是通過電力來做到這一點，成本更低。換句話說，可能需要非常熱的綠色能源。只有兩種：核能和聚光太陽能。換句話說，解決氣候變化可能需要降低成本并大規(guī)模生產(chǎn)核能和/或聚光太陽能，如將沙漠變成工廠中所述。光伏太陽能和風(fēng)能不直接產(chǎn)生熱量，因此可能永遠(yuǎn)無法制造金屬、塑料、化學(xué)品等；比碳基選項便宜。

美國和歐洲的核電目前成本為 80 美元/MWh（0.08 美元/kWh）。但是，這指的是一次設(shè)計、認(rèn)證和建造每個設(shè)施；這需要雇用數(shù)千名員工多年。或者，批量生產(chǎn)一種設(shè)計會看到不同的成本結(jié)構(gòu)。例如，中國的HTR-PM第 4 代核反應(yīng)堆已在中國啟動并運行，發(fā)電價格為 0.034 美元/千瓦時（2.30 美元/瓦）。從理論上講，這種特定設(shè)計可以以更低的成本在工廠批量生產(chǎn)，如美國政府如何以 100B 美元解決氣候變化問題中所述。然而，建立工廠大規(guī)模生產(chǎn)核電可能需要10年時間。有關(guān)這可能如何運作的詳細(xì)信息，請參閱全球脫碳計劃。

水電站大壩依賴于有利于這項任務(wù)的土地，這意味著先建最容易，越建越難。海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電都一樣。London Array位于 25m 深的水中，英格蘭周圍的水深圖并未顯示該深度靠近海岸的多風(fēng)機(jī)會。隨著建造，他們應(yīng)該預(yù)計水深和離岸的距離都會增加；這增加了成本。

陸上風(fēng)車需要遠(yuǎn)離人們的多風(fēng)土地，但離人口稠密的中心也不遠(yuǎn)。風(fēng)力圖顯示美國落基山脈是風(fēng)力發(fā)電的主要地點；然而，在積雪覆蓋的山上放置一個大風(fēng)車的成本很高。風(fēng)車需要遠(yuǎn)離家庭，這排除了大量土地。而偏遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)車，遠(yuǎn)離沉重的電力線，成本更高。

GDP 通常每年都會增加，這會導(dǎo)致能源消耗增加，從而導(dǎo)致更多的 CO 2。

EIA 忽略您在 YouTube 上看到的大多數(shù)綠色小工具

下圖顯示了根據(jù) NREL 的 2021美國 ATB 模型，在不排放 CO 2 的情況下從不同來源發(fā)電的成本，單位為 $/MWh 。

藍(lán)色虛線顯示美國天然氣發(fā)電的當(dāng)前成本，約為 40 美元/兆瓦時（0.04 美元/千瓦時）。EIA是沒有希望的項目，以這條線是成本降低，在未來的幾十年以下碳的權(quán)利; 因此，在大多數(shù)情況下，忽略它們。

圖 4：美國電力的平準(zhǔn)化成本

人們可以做很多事情來創(chuàng)造綠色能源；然而，在大多數(shù)情況下，它們的成本高于碳基選項；因此不可擴(kuò)展。換句話說，政治壓力可能會導(dǎo)致社區(qū)建造一些昂貴的東西；然而，由于公眾希望不顯著增加能源成本，大規(guī)模部署是不可行的。EIA 觀察這種消費者和政治行為，并將其納入他們的模型中。

如何在 30 年內(nèi)實現(xiàn)美國脫碳

現(xiàn)在，我們將看看在 30 年（(100% – 16%) / 30 年）內(nèi)，以每年 2.8% 的恒定速度對美國所有能源進(jìn)行脫碳需要什么。結(jié)果，CO 2排放量（如下圖紅色所示）減少到零，并且破壞在某種程度上均勻分布。

圖 5：脫碳

我們將脫碳分為兩個階段。第一階段是 7 年，我們知道該怎么做；而第二階段是 23 年，我們沒有任何線索。然而，在第一階段，工程師有 7 年的時間來處理第二階段。

第一階段將電力從 39% 脫碳至 85% 且不排放 CO 2；這意味著每年有 6.6% 的電力變?yōu)榫G色。從絕對值來看，這意味著我們每年需要建設(shè) 300 TWh/年的水力、風(fēng)能、太陽能和/或核能。成本最低的方法是用光伏太陽能發(fā)電場和陸基風(fēng)力發(fā)電場的電力取代天然氣和燃煤發(fā)電站的電力。保持 6.6%/年的電力脫碳率需要太陽能發(fā)電場和風(fēng)電場建設(shè)增加約 7 倍。

經(jīng)過大約 7 年的第一階段建設(shè)，飽和可能會導(dǎo)致美國尋求其他脫碳機(jī)會。飽和涉及在陽光明媚的大風(fēng)天供大于求時丟棄綠色電力。

如何將太陽能/風(fēng)能建設(shè)增加 7 倍

要增加 300 TWh/yr，可能每年增加 100 TWh/yr 的光伏太陽能，每年增加 200 TWh/yr 的陸基風(fēng)電。這兩者的比例并不重要，因為重要的是保持總數(shù)。然后，大約 7 年后，美國 85% 的電力將是綠色的，美國能源的 36% 將是綠色的。

NREL 估計光伏 太陽能發(fā)電場的建設(shè)成本為$1.36/Watt，這意味著 100 TW/yr 的太陽能每年將花費 $52B（$1.36 *（100 TW * 1000）/（24 小時 * 365 天 * 30% CP））。他們估計風(fēng)電建設(shè)為$1.37/Watt，這意味著 200 TW/yr 的風(fēng)電每年將花費 $76B（$1.37 *（200 TW * 1000）/（24 小時 * 365 天 * 41% CP））。

政府每年不支付 $52B 或 $76B。相反，資本市場放貸，這取決于是否有客戶。并且客戶是可用的，前提是綠色選項比碳便宜，在政府干預(yù)的推動下，光伏太陽能發(fā)電場和陸基風(fēng)能就是如此。

人們可以查看太陽能發(fā)電場列表，以了解 100 TWh/年的太陽能是什么樣的。例如，建造 60顆太陽星(100 / 1.66)可以獲得 100 TWh/yr 。此外，您還可以查看風(fēng)電場列表以了解 200 TWh/yr 的風(fēng)量是什么樣的。例如，通過建造 63 個Alta Farms (200 / 3.18)可以獲得 200 TWh/年的收益。

2020 年，美國 39% 的電力是綠色的（太陽能 3%、風(fēng)能 8%、核能 19%、水電 7%）；16% 的能源是綠色的。經(jīng)過 7 年 6.6%/年的綠色電力建設(shè)，到 2029 年，美國 85% 的電力將是綠色的（19% 太陽能，40% 風(fēng)能，18% 核能，6% 水力）；例如，所有能源的36%將是綠色的。

2016 年至 2019 年間，美國每年增加約 14 TWh/年的太陽能，每年增加約 28 TWh/年的風(fēng)能。為了在 7 年內(nèi)支持 6.6%/年的電力脫碳，需要將這些增加大約 7 倍（~100 TWh/yr = 14 * 7，~200 TWh/yr = 28 * 7）。這是可行的，如如何加速綠色電力中所述。

如果您想用自己的數(shù)字重新計算上述計算，請下載我們的電子表格并查看工作表“計劃”中的“計劃使美國實現(xiàn)零二氧化碳排放”。

實現(xiàn) CO 2零排放的計劃

比爾蓋茨說我們需要一個描述如何實現(xiàn)零排放的計劃。下面是一個適用于美國的例子。中國或歐洲的計劃可能會類似。

第一階段發(fā)生在 2022 年至 2029 年之間，歷時 7 年，包括兩個組成部分：(a) 以 2.8%/年的恒定脫碳能源率建造光伏太陽能發(fā)電場和陸上風(fēng)電場，以及 (b) 所需的降低成本的技術(shù)在第二階段進(jìn)一步脫碳。

第二階段發(fā)生在 2030 年至 2053 年之間，歷時 23 年，涉及以同樣 2.8%/年的速度建設(shè)綠色能源產(chǎn)能，利用第一階段開發(fā)的技術(shù)。

上述藍(lán)色虛線右側(cè)的所有項目目前都比碳成本更高，因此由于公眾希望避免高能源價格，因此無法大量建設(shè)。有了這些項目，政府在第一階段每年要花費數(shù)十億美元來降低成本。

2022 年脫碳法案

為實施上述計劃，美國通過了 2022 年脫碳法案（DA2022）：

DA2022 要求美國在2052 年之前以恒定速率脫碳，實現(xiàn)零排放。這相當(dāng)于在 30 年內(nèi)每年將綠色能源總量的 2.8%。

恒速脫碳隨著時間的推移均勻地分散破壞，并阻止現(xiàn)在將不可能完成的任務(wù)交給未來。

政府經(jīng)濟(jì)學(xué)家和工程師制定了支持每年 2.8% 的脫碳率的政策選擇。

電力首先要脫碳，因為這是最初以低成本獲得 2.8%/年的唯一途徑。這需要每年將總電力的 6.6% 轉(zhuǎn)換為不排放 CO 2 的來源（42% 的能源是電力，6.6% = 2.8%/42%）。

電力脫碳最便宜的方法是加快建設(shè)光伏太陽能發(fā)電場和風(fēng)電場。我們可以這樣做，直到我們飽和，這意味著直到供大于求，我們在晴天和刮風(fēng)時丟棄綠色電力。

飽和可能會在大約 7 年內(nèi)發(fā)生，到那時，我們需要額外的脫碳方法才能以 2.8%/年的速度繼續(xù)下去。

政府干預(yù)的規(guī)模將推動每年 6.6% 的太陽能和風(fēng)能建設(shè)。這是通過稅收抵免、可再生要求和/或直接補(bǔ)貼的組合來實現(xiàn)的。

政府干預(yù)導(dǎo)致消費者價格上漲，稅收減少。這兩者的總和是脫碳的成本，在我們使太陽能和風(fēng)能飽和之前，可以預(yù)期這一成本在 0.005 美元到 0.020 美元/千瓦時之間。

美國脫碳實驗室 (USDL) 盡快成立，其任務(wù)是開發(fā)低成本技術(shù)，最終讓我們在 2052 年實現(xiàn)零排放。

電力的脫碳稅，介于 $0.001 和 $0.003/kWh 之間，支持脫碳實驗室（$4B 到 $12B/年）。

如如何加速綠色電力中所述，設(shè)立了一個新職位，并有權(quán)修改現(xiàn)有的購電協(xié)議。

美國、歐洲和中國都需要一個脫碳實驗室

在第一階段，工程師有很多事情要做。例如，他們需要開發(fā)核能和 24 x 365 太陽能，它們都能夠通過直接加熱制造材料和化學(xué)品，比碳基選項便宜。

這是復(fù)雜的; 因此，美國、歐洲和中國都需要建立自己的國家實驗室，負(fù)責(zé)解決全球范圍內(nèi)的整個氣候變化問題。

如果一個國家將 CO 2排放量減少到零，那么由于其他國家沒有脫碳，傷害仍然會來到她的海岸；因此，每個實驗室的任務(wù)都是解決全球范圍內(nèi)的問題。一個實驗室可以通過贈送使綠色能源比碳基能源更便宜的技術(shù)來影響其他國家。

中國擁有強(qiáng)大的制造業(yè)，建造規(guī)模大、速度快、成本低。美國人擅長研發(fā)和計算機(jī)。歐洲人受過良好教育，精通綠色能源。這三個實驗室共同研究如何以低成本達(dá)到零。

有關(guān)綠色實驗室可能做什么的想法，請參閱 Aspencore氣候變化解決方案系列文章。

今天中斷還是推遲？

各國可能傾向于不以恒定的速度脫碳，而是假設(shè)技術(shù)改進(jìn)和其他降低成本的措施將在未來變得更容易，并推遲。

如果一個國家沒有不具有比碳（或接近）便宜脫碳的機(jī)會，然后脫碳是相當(dāng)困難的，等到以后是可以理解的策略。另一方面，如果確實有比碳更便宜的機(jī)會，他們應(yīng)該考慮以恒定速度脫碳，并分散負(fù)擔(dān)。

由于以下幾個原因，隨著時間的推移，脫碳可能會變得更加困難：

電力相對容易脫碳，因為可以用綠色能源代替碳基發(fā)電站，而不會引起用戶的變化?；蛘撸请娏π枰脩舾淖?，其中有很多。

通過比碳更便宜的“冷”光伏太陽能或風(fēng)能制造材料可能是不可能的。另一方面，從核反應(yīng)堆或聚光太陽能設(shè)施直接加熱制造，比碳更便宜，理論上是可能的。然而，我們還沒有接近做到這一點，尤其是在大規(guī)模的情況下。

NREL 和 EIA 都希望目前比碳成本更高的技術(shù)能夠保持這種狀態(tài)數(shù)十年。

恒速脫碳？

有不同的脫碳方法。下面是兩個例子：

在 20 年內(nèi)使大部分電力脫碳。

以恒定的速度將所有 能源脫碳，首先關(guān)注電力，因為它便宜且易于理解，在脫碳的同時進(jìn)行研發(fā)，然后在工程師開發(fā)低成本補(bǔ)救措施后解決非電力問題。

許多國家贊成第一種方法，而本文著眼于第二種方法。

第一種方法的問題是它給以后的歲月帶來了很大的負(fù)擔(dān)，并且不清楚未來能否勝任。第二種方法的問題是它會更快地帶來更多中斷。

人們可以用數(shù)學(xué)方法計算加速的綠色電力建設(shè)計劃會造成多大的破壞。起初，消費者可能會看到電價小幅上漲。之后，由于需求減少，煤炭和天然氣燃料的價格可能會下降，這可能會導(dǎo)致電價下降。最終，痛苦轉(zhuǎn)移到煤炭/天然氣供應(yīng)鏈，其價格較低，數(shù)量較少。由于更多的債務(wù)陷入困境，這會給他們的貸方帶來壓力。

從某種意義上說，如果一個國家的整個能源行業(yè)沒有受到破壞，那么它就不是脫碳。

碳稅救不了我們

一些經(jīng)濟(jì)學(xué)家贊成征收碳稅 (CT)，據(jù)說可以推動市場解決這個問題。CT 不會痛；但是，由于以下原因，它不會拯救我們：

我們需要比 EIA/NREL 預(yù)測更快地降低許多技術(shù)的成本，這需要額外的數(shù)十億美元的政府資金用于工程，而 CT 不會這樣做。

需要解決與現(xiàn)有購電協(xié)議的沖突以加快綠色環(huán)保，這與CT無關(guān)。

在大多數(shù)情況下，綠色環(huán)保在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，需要政府干預(yù)以及相關(guān)的消費者價格上漲。政府干預(yù)比 CT 更精確。例如，100 美元/噸的 CT 可能會增加 0.04 美元/千瓦時的價格；然而，在許多情況下，需要 0.01 美元/kWh 的干預(yù)和 PPA 修正。

一項要求政府干預(yù)規(guī)模以支持特定脫碳率的聯(lián)邦法律將使經(jīng)濟(jì)學(xué)家得到他們正在尋找的 CT。

總之，要達(dá)到零需要明智的政府政策；一項規(guī)定年度脫碳率的聯(lián)邦法律；以及公眾愿意為脫碳支付 0.005 至 0.020 美元/千瓦時。

審核編輯 黃昊宇