脫碳101

脫碳通常需要從石油、天然氣和煤炭過渡；到光伏太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)、陸基風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、水電大壩和核電。大約 42% 的能源消耗涉及電力，而其余的 (58%) 主要需要燃燒碳基燃料以供熱、制造和運(yùn)輸。電能和非電能都需要在不排放CO 2 的情況下產(chǎn)生。

人們每年進(jìn)行的脫碳量可以量化為從碳源轉(zhuǎn)換為綠色源的總能源的百分比。例如，每年 3% 的脫碳需要 3% 的能源主要轉(zhuǎn)化為水力、風(fēng)能、太陽(yáng)能和/或核能。?

脫碳不是免費(fèi)的

在大多數(shù)情況下，增加光伏太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)或陸基風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)比繼續(xù)燃燒碳略貴；因此，需要政府干預(yù)才能走向綠色。

政府可以通過不同的方式進(jìn)行干預(yù)，以及表達(dá)干預(yù)成本的不同方式。為了使本文易于理解，我們將“干預(yù)”稱為聯(lián)邦要求，即社區(qū)從綠色能源中獲取特定百分比的電力，我們將“干預(yù)成本”稱為消費(fèi)者電價(jià)因以下原因而上漲干預(yù)，以美元/千瓦時(shí)為單位。?

例如，聯(lián)邦法律可能要求內(nèi)華達(dá)州在 2024 年 1 月之前從綠色能源獲得 40% 的電力，到 2026 年 1 月獲得 50% 的電力，而消費(fèi)者的額外成本約為 0.01 美元/千瓦時(shí)。作為參考，美國(guó)居民平均為發(fā)電和輸電支付 0.13 美元/千瓦時(shí)。?

脫碳不是免費(fèi)的。添加光伏太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和風(fēng)電場(chǎng)通常會(huì)使消費(fèi)者價(jià)格增加 0.005 美元至 0.020 美元/千瓦時(shí)。?

在建造過程中，它們最終會(huì)遇到限制，例如“飽和”，即在陽(yáng)光明媚的大風(fēng)天，綠色供應(yīng)滿足需求。當(dāng)一個(gè)人受到限制時(shí)，成本就會(huì)增加，社區(qū)就會(huì)不愿意進(jìn)一步建設(shè)。

美國(guó)可能可以將綠色電力脫碳至約 85% 的水平，而不會(huì)導(dǎo)致價(jià)格上漲超過 0.020 美元/千瓦時(shí)。然而，由于 42% 的能源消耗是電力，這意味著 64% 的能源仍會(huì)排放碳 (1 – 85% * 42%)。這 64% 涉及用于建筑供熱、運(yùn)輸和制造（例如制造化學(xué)品、金屬、塑料和水泥）的石油、煤炭和天然氣。以低成本解決這些問題并不容易。?

一項(xiàng)聯(lián)邦法律可以強(qiáng)制脫碳

一個(gè)國(guó)家可以使用以下聯(lián)邦法律將脫碳降至零排放：(a) 規(guī)定了數(shù)十年來每年發(fā)生的脫碳量，(b) 規(guī)定政府干預(yù)的規(guī)模以支持年度脫碳目標(biāo)，(c) 限制為確保立法者可以接受成本而進(jìn)行的干預(yù)導(dǎo)致的價(jià)格上漲幅度，以及 (d) 要求首先解決成本最低的脫碳項(xiàng)目。

例如，一項(xiàng)法律可以規(guī)定美國(guó)到 2052 年以恒定速率脫碳至零排放。從數(shù)學(xué)上講，這相當(dāng)于每年脫碳 2.8% 的能源。法律還可以首先聲明最簡(jiǎn)單的方法，政府干預(yù)的規(guī)模應(yīng)支持 2.8% 的稅率，并且消費(fèi)者價(jià)格不會(huì)因干預(yù)而增加超過 0.02 美元/千瓦時(shí)。這將導(dǎo)致以下情況發(fā)生：

沙漠社區(qū)將建造光伏太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，直到達(dá)到飽和點(diǎn)。

多風(fēng)土地附近的社區(qū)會(huì)建造風(fēng)車直到飽和。

與上述相同，但更遠(yuǎn)的社區(qū)將通過傳輸線參與。

這將通過更長(zhǎng)、更昂貴的輸電線路繼續(xù)增長(zhǎng)。

“最簡(jiǎn)單的第一”要求使消費(fèi)者價(jià)格漲幅≤ 0.005 美元/千瓦時(shí)的項(xiàng)目首先實(shí)施。首先解決最低成本會(huì)降低總脫碳成本，因?yàn)槌杀靖叩捻?xiàng)目將從未來成本降低的技術(shù)中受益。?

一個(gè)國(guó)家可能會(huì)以恒定的速度脫碳，以隨著時(shí)間的推移均勻地分散破壞?；蛘?，一個(gè)人冒著將不可能完成的任務(wù)交給未來的風(fēng)險(xiǎn)。

脫碳成本可以用不同的方式表示，包括： (a) 以電力為單位的消費(fèi)價(jià)格增加和稅收減少的總和；或 (b) 以美元/噸 CO 2 為單位的減排量。?

有關(guān)脫碳計(jì)劃的示例，請(qǐng)參閱實(shí)現(xiàn) CO 2零排放的計(jì)劃。?

脫碳?jí)?/p>

最終，達(dá)到立法者設(shè)定的最大可接受的價(jià)格漲幅。在我們上面的美國(guó)示例中，這是 0.02 美元/千瓦時(shí)。經(jīng)過大約 7 年的太陽(yáng)能/風(fēng)能建設(shè)，大約 85% 的電力是綠色的，并且所有能源的大約 36% 是綠色的，人們可能會(huì)達(dá)到這一點(diǎn)。屆時(shí)，人們可能會(huì)考慮將限額提高到 0.03 美元/千瓦時(shí)。然而，這只會(huì)有一定的幫助，因?yàn)樵诮⒌统杀咎?yáng)能/風(fēng)能之后，脫碳成本可能會(huì)迅速增加，直到在晴天和刮風(fēng)時(shí)擁有足夠的綠色電力?？梢詫⑵湟暈椤懊撎?jí)Α薄榱送七t隔離墻，人們可以大幅增加研發(fā)資金，幫助人們以低成本進(jìn)一步脫碳。?

美國(guó)政府稱，美國(guó)太陽(yáng)能/風(fēng)能政策存在缺陷

人們可能會(huì)考慮依賴當(dāng)前的政府政策，而不是脫碳法。然而，這通常不會(huì)在幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫碳至零排放。例如，根據(jù)美國(guó)政府的說法，當(dāng)前的美國(guó)政策旨在在未來 30 年內(nèi)產(chǎn)生恒定的CO 2排放，如下圖所示。?

圖 1：基于宏觀經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)假設(shè)的二氧化碳排放量

建設(shè)新的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和輸電線路

在物理層面上，脫碳主要包括建設(shè)光伏太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)、建設(shè)陸基風(fēng)電場(chǎng)和建設(shè)輸電線路。

許多國(guó)家維護(hù)著風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)和太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)會(huì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算機(jī)可以使用這些數(shù)據(jù)庫(kù)來計(jì)算建造每個(gè)新太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和風(fēng)電場(chǎng)的成本。并且，可以計(jì)算將間歇性綠色資源添加到現(xiàn)有的碳基系統(tǒng)所引起的消費(fèi)者價(jià)格上漲。如前所述，由于新建太陽(yáng)能/風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)致的消費(fèi)者價(jià)格上漲可以被認(rèn)為是“脫碳成本”。此外，鑒于多個(gè)風(fēng)能和太陽(yáng)能項(xiàng)目，可以首先對(duì)脫碳成本最低的列表進(jìn)行排序。然后，可以選擇列表頂部的一批太陽(yáng)能/風(fēng)能建設(shè)項(xiàng)目在#1 年建造，在它之下的一批在#2 年建造，依此類推。?

每批項(xiàng)目的規(guī)模將滿足當(dāng)年的脫碳目標(biāo)。例如，如果法律規(guī)定每年脫碳 2.8%，每個(gè)建設(shè)項(xiàng)目脫碳 0.1% 的所有能源，那么每年需要 28 個(gè)項(xiàng)目 (2.8% / 0.1%)。

最終，最終會(huì)得到一份太陽(yáng)能、風(fēng)能和輸電建設(shè)項(xiàng)目的時(shí)間表。然后政府經(jīng)濟(jì)學(xué)家可以設(shè)置干預(yù)措施來支持該時(shí)間表（例如可再生能源要求）。

這就是人們?nèi)绾我允芸氐乃俣让撎迹宰畹偷某杀緦?shí)現(xiàn)零排放，對(duì)那些不參與的人造成的干擾最小。

為什么脫碳如此困難？

盡管許多人希望減少 CO 2排放，但美國(guó)和其他國(guó)家并沒有致力于脫碳，而且很多事情都可以以低成本完成。??

脫碳為何如此火爆？?

我認(rèn)為有兩個(gè)原因：

太多令人困惑、不相關(guān)和誤導(dǎo)性的信息。

很少有人能自如地大開眼界。

生成脫碳計(jì)劃 (DP) 的網(wǎng)站將有助于解決這兩個(gè)問題。用戶將輸入脫碳策略，點(diǎn)擊“計(jì)算”，然后以 pdf 格式查看詳細(xì)的脫碳計(jì)劃。這將使人們能夠了解各種法律如何影響結(jié)果，并使人們能夠了解研發(fā)如何降低總脫碳成本。

如果世界上 15 億輛汽車被綠色汽車取代，每輛汽車的成本為 2 萬(wàn)美元，那么我們正在考慮在 15 到 30 年內(nèi)制造價(jià)值 30 噸的汽車。隨后，每年在綠色交通研發(fā)上花費(fèi) 1B 美元是合理的（30,000 分之一）。然而，很少有人愿意考慮花大錢將成本降低到 30T 美元這樣的數(shù)字。脫碳計(jì)劃網(wǎng)站將有助于指定研發(fā)資金，并查看對(duì)總脫碳成本的預(yù)期影響。

用戶指定的脫碳參數(shù)

在計(jì)算脫碳計(jì)劃之前，用戶指定關(guān)鍵參數(shù)，例如：將所有能源脫碳至零排放的年數(shù)、每年脫碳量（例如 2.8%/年的恒定速率脫碳）和最大消費(fèi)價(jià)格增幅（例如 $0.020/千瓦時(shí)）。?

用戶還指定影響結(jié)果的策略選項(xiàng)，其示例如下面的概念圖所示。這不是一個(gè)真正的網(wǎng)站，只是一張圖片。然而，美國(guó)可能需要一到三個(gè)計(jì)算機(jī)程序員才能擁有一個(gè)真正的網(wǎng)站，因?yàn)榫哂袧撛谔?yáng)能/風(fēng)能項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)存在。

圖2：脫碳設(shè)計(jì)工具

脫碳計(jì)劃

生成的脫碳計(jì)劃 pdf 報(bào)告顯示：

太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)、風(fēng)電場(chǎng)和輸電建設(shè)項(xiàng)目清單。

帶有位置、成本、時(shí)間表和消費(fèi)者價(jià)格上漲的地圖和表格。

遇到脫碳?jí)Φ哪攴荩疵撎汲杀具_(dá)到極限）。

當(dāng)人們花錢避免排放 CO 2 時(shí)，它被稱為“減排”，通常以 $/MtCO 2單位表示（為避免排放一公噸 CO 2 而花費(fèi)的美元）。

有多種方法可以對(duì)潛在的太陽(yáng)能/風(fēng)能建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)分和分類。例如，您可能會(huì)查看 $/MtCO 2減排，然后首先關(guān)注最低減排項(xiàng)目。

例如，第 1 年可能會(huì)建造減排量 ≤ 10 美元/MtCO 2 的項(xiàng)目（價(jià)格上漲約 0.005 美元/千瓦時(shí)），第 2 年減排量 ≤ 13 美元/MtCO 2等。然后聯(lián)邦法律可以以這種方式強(qiáng)制要求可再生能源，并要求將脫碳成本轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者。?

請(qǐng)注意我們?cè)诟拍顚用嫔纤龅氖虑椤Ｕ嬖V社區(qū)，如果他們能夠在電價(jià)上漲 ≤ ~$0.005/kWh 的情況下避免一噸 CO 2排放，他們就必須這樣做。而且這種價(jià)格上漲每年都會(huì)增加，直到達(dá)到立法者設(shè)定的限制（“脫碳?jí)Α保?/p>

在遇到 The Wall 之前，這可能是最簡(jiǎn)單、成本最低的脫碳方式。?

或者，可以考慮征收碳稅 (CT)；然而，在不脫碳的情況下提高價(jià)格是沒有幫助的。例如，40 美元/噸的 CT 可能會(huì)提高許多城市的電價(jià)；然而，如果他們的電力沒有被綠色電力取代，就會(huì)造成痛苦而無益。相反，啟動(dòng)特定項(xiàng)目可以最大限度地減少對(duì)他人的干擾。?

如果人們對(duì)氣候變化感到緊張，并且現(xiàn)在想要更多的破壞，那么可以考慮增加年度脫碳任務(wù)（例如超過 2.8%/年）。?

有關(guān)增加太陽(yáng)能/風(fēng)能建設(shè)所涉及的挑戰(zhàn)的討論，請(qǐng)參閱如何加速綠色電力。

擬議的聯(lián)邦法律

脫碳計(jì)劃 pdf 報(bào)告包括一項(xiàng)擬議的聯(lián)邦法律，可能如下所示：

美國(guó) 2022 年脫碳法案（提議）

能源每年以 2.8% 的恒定速率脫碳，以促進(jìn)到 2052 年實(shí)現(xiàn)零排放。這包括所有能源，而不僅僅是電力。

政府干預(yù)的規(guī)?？梢灾С诌@個(gè)比率，對(duì)于每個(gè)綠色能源建設(shè)項(xiàng)目，每 CO 2噸減排高達(dá) 40 美元。?

政府干預(yù)僅適用于預(yù)定項(xiàng)目，以盡量減少對(duì)他人的干擾。

首先處理成本最低的減排項(xiàng)目（“最簡(jiǎn)單的優(yōu)先”）。

幫助其他國(guó)家制定脫碳計(jì)劃

由于來自其他國(guó)家的CO 2排放會(huì)損害每個(gè)國(guó)家，因此讓其脫碳計(jì)劃網(wǎng)站支持其他國(guó)家符合一個(gè)國(guó)家的最佳利益。例如，美國(guó)政府可能會(huì)要求他們的程序員支持歐洲、中國(guó)和印度。

電力傳輸挑戰(zhàn)

下圖用黃色和橙色標(biāo)識(shí)了高風(fēng)速；并用紅色方塊標(biāo)記現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)。美國(guó)中部多風(fēng)。因此，需要輸電線路將電力向外輸送到西海岸和東海岸，如下圖綠色箭頭所示。?

圖 3：美國(guó)風(fēng)電供應(yīng)

太陽(yáng)能也面臨傳輸挑戰(zhàn)。大多數(shù)機(jī)會(huì)集中在美國(guó)西南部，權(quán)力需要向西北部轉(zhuǎn)移，如下圖所示。

圖 4：美國(guó)太陽(yáng)能供應(yīng)

通常，碳基電站位于用戶 100 公里范圍內(nèi)。然而，對(duì)于太陽(yáng)能和風(fēng)能，我們正在考慮大幅增加這個(gè)距離（例如≥ 10 倍）。這是可以做到的；然而，它需要花錢，并最終增加了電力的總成本。

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通常，在塔之間串起一個(gè)小的 3 電纜束，右下方顯示了一個(gè)示例。但是，要傳輸大量電力，需要更大的 8 電纜 ≥ 8 GWe 束，如下左圖和中圖所示。一個(gè)人需要 84 個(gè)這樣的大束來輸送 45% 的美國(guó)電力，例如 [（400 GWe 風(fēng)能 + 270 GWe 太陽(yáng)能）/8 GWe]。

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粗電纜、每束多根電纜和長(zhǎng)線路成本高昂。隨后，花錢降低傳輸成本是合理的。為了幫助對(duì)該工程的成本及其相關(guān)收益進(jìn)行建模，脫碳計(jì)劃網(wǎng)站允許人們?yōu)榻档蛡鬏敵杀镜墓こ谭峙涠惪?，如上圖所示。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱如何降低電力傳輸成本。

脫碳報(bào)告

該網(wǎng)站可以生成兩份脫碳計(jì)劃報(bào)告。易于閱讀的“執(zhí)行摘要”和包含每個(gè)建設(shè)項(xiàng)目詳細(xì)信息的“參考”。兩者都將在左側(cè)導(dǎo)航區(qū)域中有一個(gè)目錄，使人們能夠訪問各個(gè)章節(jié)和部分。?

執(zhí)行摘要可以包括總結(jié)施工和成本的表格、地圖和圖表。此外，它可以假設(shè)所有國(guó)家都以相同的速度脫碳，并預(yù)測(cè)諸如：大氣 CO 2 (ppm)、大氣溫度變化、年降雨量變化、每英畝糧食產(chǎn)量變化、海平面上升等。

參考 pdf 文件可能有數(shù)千頁(yè)長(zhǎng)，包含有關(guān)每個(gè)太陽(yáng)能、風(fēng)能和輸電建設(shè)項(xiàng)目的信息。每個(gè)州和每年的表格可能包含指向各個(gè)項(xiàng)目的鏈接。?

要了解人們可能在脫碳報(bào)告中看到的內(nèi)容，請(qǐng)查看量化美國(guó)實(shí)現(xiàn) 100% 可再生能源電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

為綠色能源研發(fā)分配資金

如上所述，脫碳很容易，直到出現(xiàn)“The Wall”。不幸的是，EIA 和 NREL 不希望研發(fā)能夠讓我們超越這堵墻，這就是為什么他們預(yù)計(jì)美國(guó)的 CO 2排放量將保持不變。

為了解決這個(gè)問題，脫碳計(jì)劃網(wǎng)站允許用戶增加一小筆稅收（例如 0.001 美元/千瓦時(shí)），以支持政府實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)是使綠色能源比碳基能源更便宜。正如Aspencore 氣候變化解決方案系列中所述，工程師可以做很多事情來降低成本。

該網(wǎng)站可以讓人們將資金分配給特定的研究主題，然后模擬對(duì)總脫碳成本的影響。研究課題包括：

開發(fā)可更換的電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)。

開發(fā)基于氨的車輛系統(tǒng)。

開發(fā)能夠?qū)?12 x 100m 尺寸的熱化學(xué)處理設(shè)備平臺(tái)從工廠或造船廠移動(dòng)到發(fā)電站的超大型運(yùn)輸系統(tǒng)。

開發(fā)下一代陸基光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)，使用更少的材料和自動(dòng)化安裝。

開發(fā)能夠產(chǎn)生約 850°C 溫度的聚光太陽(yáng)能塔，以支持制造化學(xué)品。

通過自動(dòng)化安裝和批量生產(chǎn)降低成本的聚光太陽(yáng)能。

開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的綠色熱分配系統(tǒng)，將綠色熱從熱源轉(zhuǎn)移到加工設(shè)備，并利用余熱。

開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化工廠化熔鹽儲(chǔ)罐。

發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化核反應(yīng)堆安全殼建筑。

自動(dòng)化建造核反應(yīng)堆建筑和場(chǎng)地。

開發(fā)可降低能源消耗的下一代建筑。

結(jié)論

每個(gè)國(guó)家都需要一個(gè)計(jì)劃來解釋如何在幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)零排放。

人們很難制定計(jì)劃；然而，這對(duì)計(jì)算機(jī)來說很容易。并且計(jì)算機(jī)可以被人指揮。?

計(jì)算脫碳計(jì)劃的網(wǎng)站應(yīng)該很容易建立，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)和軟件已經(jīng)存在。

一個(gè)高質(zhì)量的網(wǎng)站可能需要以最低的成本進(jìn)行脫碳和脫碳。

開發(fā)這個(gè)只需很少的錢。

審核編輯 黃昊宇