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。這是基于當前的政府政策。如果政策略有變化，下面的曲線也會發生變化，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：基于宏觀經濟增長假設的二氧化碳排放量

EIA 假設消費者以最低成本滿足需求，這與過去的觀察一致。他們認為光伏太陽能發電場和陸基風力發電在成本上與碳基選擇相似，因此預計它們會在一定程度上向前發展。他們還預計，在未來幾十年中，海上風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、風能和核能。經過 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電量和份額

EIA并未估計未來 30 年太陽能和風能的指數增長。相反，超過30年，S OLAR預期增加3％至總電力的20％，和風力發電是期望從8％增至14％，如下所示。由于風電稅收抵免到期，風電建設（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，但不足以解決我們的問題。

圖 3：年度發電量增加和退役

我們為什么失敗

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。

沒有關于如何實現零排放的國家計劃；隨后，政府工程師和經濟學家不知道該怎么辦，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建立光伏太陽能發電場，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點RD總電力的，并且所有的能量的42％是電，則這些社區將從太陽能獲得的總能量的14％，例如（42％/ 3） . 換句話說，在達到太陽能飽和度（100% – 14%）后，該沙漠社區仍會從其能源消耗的 86% 中排放 CO 2。

可以在太陽能的基礎上增加風能，一年內有可能從風能和太陽能中獲得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，光伏太陽能發電場和風電場比碳基能源便宜。然而，這些假設是從頭開始建造兩個設施，并比較每個的成本。另一方面，典型案例是已經建成的碳工廠，并且正在考慮增加間歇性太陽能或風能設施。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% 可能會導致發電成本從 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，使其在經濟上可行通常需要政府干預，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場的 3 倍；商業建筑光伏的成本大約是光伏太陽能發電場的 2 倍，以美元/千瓦時為單位。當考慮傳輸成本和太陽能發電場的土地成本時，住宅/商業光伏有時似乎更具吸引力。然而，這是一種誤導，因為光伏建筑在日落時依賴于外部傳輸和碳基發電基礎設施，而這種設備需要花錢來維護。

世界需要電力，但也需要類似的能源來制造金屬、塑料、化學品和水泥等物品。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模生產核能和/或聚光太陽能，如將沙漠變成工廠中所述。光伏太陽能和風能不直接產生熱量，因此可能永遠無法制造金屬、塑料、化學品等；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，這指的是一次設計、認證和建造每個設施；這需要雇用數千名員工多年?；蛘?，批量生產一種設計會看到不同的成本結構。例如，中國的HTR-PM第 4 代核反應堆已在中國啟動并運行，發電價格為 0.034 美元/千瓦時（2.30 美元/瓦）。從理論上講，這種特定設計可以以更低的成本在工廠批量生產，如美國政府如何以 100B 美元解決氣候變化問題中所述。然而，建立工廠大規模生產核電可能需要10年時間。有關這可能如何運作的詳細信息，請參閱全球脫碳計劃。

水電站大壩依賴于有利于這項任務的土地，這意味著先建最容易，越建越難。海上風電和陸上風電都一樣。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機會。隨著建造，他們應該預計水深和離岸的距離都會增加；這增加了成本。

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

GDP 通常每年都會增加，這會導致能源消耗增加，從而導致更多的 CO 2。

EIA 忽略您在 YouTube 上看到的大多數綠色小工具

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

藍色虛線顯示美國天然氣發電的當前成本，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利; 因此，在大多數情況下，忽略它們。

圖 4：美國電力的平準化成本

人們可以做很多事情來創造綠色能源；然而，在大多數情況下，它們的成本高于碳基選項；因此不可擴展。換句話說，政治壓力可能會導致社區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 年內實現美國脫碳

現在，我們將看看在 30 年（(100% – 16%) / 30 年）內，以每年 2.8% 的恒定速度對美國所有能源進行脫碳需要什么。結果，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% 的電力變為綠色。從絕對值來看，這意味著我們每年需要建設 300 TWh/年的水力、風能、太陽能和/或核能。成本最低的方法是用光伏太陽能發電場和陸基風力發電場的電力取代天然氣和燃煤發電站的電力。保持 6.6%/年的電力脫碳率需要太陽能發電場和風電場建設增加約 7 倍。

經過大約 7 年的第一階段建設，飽和可能會導致美國尋求其他脫碳機會。飽和涉及在陽光明媚的大風天供大于求時丟棄綠色電力。

如何將太陽能/風能建設增加 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 的陸基風電。這兩者的比例并不重要，因為重要的是保持總數。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 太陽能發電場的建設成本為$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））。他們估計風電建設為$1.37/Watt，這意味著 200 TW/yr 的風電每年將花費 $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，在政府干預的推動下，光伏太陽能發電場和陸基風能就是如此。

人們可以查看太陽能發電場列表，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，您還可以查看風電場列表以了解 200 TWh/yr 的風量是什么樣的。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%、風能 8%、核能 19%、水電 7%）；16% 的能源是綠色的。經過 7 年 6.6%/年的綠色電力建設，到 2029 年，美國 85% 的電力將是綠色的（19% 太陽能，40% 風能，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/年的風能。為了在 7 年內支持 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“計劃使美國實現零二氧化碳排放”。

實現 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電場和陸上風電場，以及 (b) 所需的降低成本的技術在第二階段進一步脫碳。

第二階段發生在 2030 年至 2053 年之間，歷時 23 年，涉及以同樣 2.8%/年的速度建設綠色能源產能，利用第一階段開發的技術。

上述藍色虛線右側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。有了這些項目，政府在第一階段每年要花費數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，實現零排放。這相當于在 30 年內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，并阻止現在將不可能完成的任務交給未來。

政府經濟學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光伏太陽能發電場和風電場。我們可以這樣做，直到我們飽和，這意味著直到供大于求，我們在晴天和刮風時丟棄綠色電力。

飽和可能會在大約 7 年內發生，到那時，我們需要額外的脫碳方法才能以 2.8%/年的速度繼續下去。

政府干預的規模將推動每年 6.6% 的太陽能和風能建設。這是通過稅收抵免、可再生要求和/或直接補貼的組合來實現的。

政府干預導致消費者價格上漲，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能飽和之前，可以預期這一成本在 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，其任務是開發低成本技術，最終讓我們在 2052 年實現零排放。

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，設立了一個新職位，并有權修改現有的購電協議。

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品，比碳基選項便宜。

這是復雜的; 因此，美國、歐洲和中國都需要建立自己的國家實驗室，負責解決全球范圍內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，每個實驗室的任務都是解決全球范圍內的問題。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來影響其他國家。

中國擁有強大的制造業，建造規模大、速度快、成本低。美國人擅長研發和計算機。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到零。

有關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，而是假設技術改進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）便宜脫碳的機會，然后脫碳是相當困難的，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會，他們應該考慮以恒定速度脫碳，并分散負擔。

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”光伏太陽能或風能制造材料可能是不可能的。另一方面，從核反應堆或聚光太陽能設施直接加熱制造，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，尤其是在大規模的情況下。

NREL 和 EIA 都希望目前比碳成本更高的技術能夠保持這種狀態數十年。

恒速脫碳？

有不同的脫碳方法。下面是兩個例子：

在 20 年內使大部分電力脫碳。

以恒定的速度將所有 能源脫碳，首先關注電力，因為它便宜且易于理解，在脫碳的同時進行研發，然后在工程師開發低成本補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擔，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。

人們可以用數學方法計算加速的綠色電力建設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，這可能會導致電價下降。最終，痛苦轉移到煤炭/天然氣供應鏈，其價格較低，數量較少。由于更多的債務陷入困境，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沒有受到破壞，那么它就不是脫碳。

碳稅救不了我們

一些經濟學家贊成征收碳稅 (CT)，據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 預測更快地降低許多技術的成本，這需要額外的數十億美元的政府資金用于工程，而 CT 不會這樣做。

需要解決與現有購電協議的沖突以加快綠色環保，這與CT無關。

在大多數情況下，綠色環保在經濟上是不可行的，需要政府干預以及相關的消費者價格上漲。政府干預比 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 的干預和 PPA 修正。

一項要求政府干預規模以支持特定脫碳率的聯邦法律將使經濟學家得到他們正在尋找的 CT。

總之，要達到零需要明智的政府政策；一項規定年度脫碳率的聯邦法律；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