脫碳101

脫碳通常需要從石油、天然氣和煤炭過渡；到光伏太陽能發電場、陸基風力發電場、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、制造和運輸。電能和非電能都需要在不排放CO 2 的情況下產生。

人們每年進行的脫碳量可以量化為從碳源轉換為綠色源的總能源的百分比。例如，每年 3% 的脫碳需要 3% 的能源主要轉化為水力、風能、太陽能和/或核能。?

脫碳不是免費的

在大多數情況下，增加光伏太陽能發電場或陸基風力發電場比繼續燃燒碳略貴；因此，需要政府干預才能走向綠色。

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

例如，聯邦法律可能要求內華達州在 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，而消費者的額外成本約為 0.01 美元/千瓦時。作為參考，美國居民平均為發電和輸電支付 0.13 美元/千瓦時。?

脫碳不是免費的。添加光伏太陽能發電場和風電場通常會使消費者價格增加 0.005 美元至 0.020 美元/千瓦時。?

在建造過程中，它們最終會遇到限制，例如“飽和”，即在陽光明媚的大風天，綠色供應滿足需求。當一個人受到限制時，成本就會增加，社區就會不愿意進一步建設。

美國可能可以將綠色電力脫碳至約 85% 的水平，而不會導致價格上漲超過 0.020 美元/千瓦時。然而，由于 42% 的能源消耗是電力，這意味著 64% 的能源仍會排放碳 (1 – 85% * 42%)。這 64% 涉及用于建筑供熱、運輸和制造（例如制造化學品、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。?

一項聯邦法律可以強制脫碳

一個國家可以使用以下聯邦法律將脫碳降至零排放：(a) 規定了數十年來每年發生的脫碳量，(b) 規定政府干預的規模以支持年度脫碳目標，(c) 限制為確保立法者可以接受成本而進行的干預導致的價格上漲幅度，以及 (d) 要求首先解決成本最低的脫碳項目。

例如，一項法律可以規定美國到 2052 年以恒定速率脫碳至零排放。從數學上講，這相當于每年脫碳 2.8% 的能源。法律還可以首先聲明最簡單的方法，政府干預的規模應支持 2.8% 的稅率，并且消費者價格不會因干預而增加超過 0.02 美元/千瓦時。這將導致以下情況發生：

沙漠社區將建造光伏太陽能發電場，直到達到飽和點。

多風土地附近的社區會建造風車直到飽和。

與上述相同，但更遠的社區將通過傳輸線參與。

這將通過更長、更昂貴的輸電線路繼續增長。

“最簡單的第一”要求使消費者價格漲幅≤ 0.005 美元/千瓦時的項目首先實施。首先解決最低成本會降低總脫碳成本，因為成本更高的項目將從未來成本降低的技術中受益。?

一個國家可能會以恒定的速度脫碳，以隨著時間的推移均勻地分散破壞。或者，一個人冒著將不可能完成的任務交給未來的風險。

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價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。?

有關脫碳計劃的示例，請參閱實現 CO 2零排放的計劃。?

脫碳墻

最終，達到立法者設定的最大可接受的價格漲幅。在我們上面的美國示例中，這是 0.02 美元/千瓦時。經過大約 7 年的太陽能/風能建設，大約 85% 的電力是綠色的，并且所有能源的大約 36% 是綠色的，人們可能會達到這一點。屆時，人們可能會考慮將限額提高到 0.03 美元/千瓦時。然而，這只會有一定的幫助，因為在建立低成本太陽能/風能之后，脫碳成本可能會迅速增加，直到在晴天和刮風時擁有足夠的綠色電力。可以將其視為“脫碳墻”。為了推遲隔離墻，人們可以大幅增加研發資金，幫助人們以低成本進一步脫碳。?

美國政府稱，美國太陽能/風能政策存在缺陷

人們可能會考慮依賴當前的政府政策，而不是脫碳法。然而，這通常不會在幾十年內實現脫碳至零排放。例如，根據美國政府的說法，當前的美國政策旨在在未來 30 年內產生恒定的CO 2排放，如下圖所示。?

圖 1：基于宏觀經濟增長假設的二氧化碳排放量

建設新的太陽能發電場、風力發電場和輸電線路

在物理層面上，脫碳主要包括建設光伏太陽能發電場、建設陸基風電場和建設輸電線路。

許多國家維護著風力發電機會和太陽能發電機會的數據庫，計算機可以使用這些數據庫來計算建造每個新太陽能發電場和風電場的成本。并且，可以計算將間歇性綠色資源添加到現有的碳基系統所引起的消費者價格上漲。如前所述，由于新建太陽能/風電場導致的消費者價格上漲可以被認為是“脫碳成本”。此外，鑒于多個風能和太陽能項目，可以首先對脫碳成本最低的列表進行排序。然后，可以選擇列表頂部的一批太陽能/風能建設項目在#1 年建造，在它之下的一批在#2 年建造，依此類推。?

每批項目的規模將滿足當年的脫碳目標。例如，如果法律規定每年脫碳 2.8%，每個建設項目脫碳 0.1% 的所有能源，那么每年需要 28 個項目 (2.8% / 0.1%)。

最終，最終會得到一份太陽能、風能和輸電建設項目的時間表。然后政府經濟學家可以設置干預措施來支持該時間表（例如可再生能源要求）。

這就是人們如何以受控的速度脫碳，以最低的成本實現零排放，對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，但美國和其他國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？?

我認為有兩個原因：

太多令人困惑、不相關和誤導性的信息。

很少有人能自如地大開眼界。

生成脫碳計劃 (DP) 的網站將有助于解決這兩個問題。用戶將輸入脫碳策略，點擊“計算”，然后以 pdf 格式查看詳細的脫碳計劃。這將使人們能夠了解各種法律如何影響結果，并使人們能夠了解研發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 萬美元，那么我們正在考慮在 15 到 30 年內制造價值 30 噸的汽車。隨后，每年在綠色交通研發上花費 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 美元這樣的數字。脫碳計劃網站將有助于指定研發資金，并查看對總脫碳成本的預期影響。

用戶指定的脫碳參數

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

用戶還指定影響結果的策略選項，其示例如下面的概念圖所示。這不是一個真正的網站，只是一張圖片。然而，美國可能需要一到三個計算機程序員才能擁有一個真正的網站，因為具有潛在太陽能/風能項目的數據庫已經存在。

圖2：脫碳設計工具

脫碳計劃

生成的脫碳計劃 pdf 報告顯示：

太陽能發電場、風電場和輸電建設項目清單。

帶有位置、成本、時間表和消費者價格上漲的地圖和表格。

遇到脫碳墻的年份（即脫碳成本達到極限）。

當人們花錢避免排放 CO 2 時，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 而花費的美元）。

有多種方法可以對潛在的太陽能/風能建設項目進行評分和分類。例如，您可能會查看 $/MtCO 2減排，然后首先關注最低減排項目。

例如，第 1 年可能會建造減排量 ≤ 10 美元/MtCO 2 的項目（價格上漲約 0.005 美元/千瓦時），第 2 年減排量 ≤ 13 美元/MtCO 2等。然后聯邦法律可以以這種方式強制要求可再生能源，并要求將脫碳成本轉嫁給消費者。?

請注意我們在概念層面上所做的事情。政府告訴社區，如果他們能夠在電價上漲 ≤ ~$0.005/kWh 的情況下避免一噸 CO 2排放，他們就必須這樣做。而且這種價格上漲每年都會增加，直到達到立法者設定的限制（“脫碳墻”）。

在遇到 The Wall 之前，這可能是最簡單、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格是沒有幫助的。例如，40 美元/噸的 CT 可能會提高許多城市的電價；然而，如果他們的電力沒有被綠色電力取代，就會造成痛苦而無益。相反，啟動特定項目可以最大限度地減少對他人的干擾。?

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

有關增加太陽能/風能建設所涉及的挑戰的討論，請參閱如何加速綠色電力。

擬議的聯邦法律

脫碳計劃 pdf 報告包括一項擬議的聯邦法律，可能如下所示：

美國 2022 年脫碳法案（提議）

能源每年以 2.8% 的恒定速率脫碳，以促進到 2052 年實現零排放。這包括所有能源，而不僅僅是電力。

政府干預的規模可以支持這個比率，對于每個綠色能源建設項目，每 CO 2噸減排高達 40 美元。?

政府干預僅適用于預定項目，以盡量減少對他人的干擾。

首先處理成本最低的減排項目（“最簡單的優先”）。

幫助其他國家制定脫碳計劃

由于來自其他國家的CO 2排放會損害每個國家，因此讓其脫碳計劃網站支持其他國家符合一個國家的最佳利益。例如，美國政府可能會要求他們的程序員支持歐洲、中國和印度。

電力傳輸挑戰

下圖用黃色和橙色標識了高風速；并用紅色方塊標記現有的風電場。美國中部多風。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：美國風電供應

太陽能也面臨傳輸挑戰。大多數機會集中在美國西南部，權力需要向西北部轉移，如下圖所示。

圖 4：美國太陽能供應

通常，碳基電站位于用戶 100 公里范圍內。然而，對于太陽能和風能，我們正在考慮大幅增加這個距離（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，在塔之間串起一個小的 3 電纜束，右下方顯示了一個示例。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。一個人需要 84 個這樣的大束來輸送 45% 的美國電力，例如 [（400 GWe 風能 + 270 GWe 太陽能）/8 GWe]。

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粗電纜、每束多根電纜和長線路成本高昂。隨后，花錢降低傳輸成本是合理的。為了幫助對該工程的成本及其相關收益進行建模，脫碳計劃網站允許人們為降低傳輸成本的工程分配稅款，如上圖所示。有關詳細信息，請參閱如何降低電力傳輸成本。

脫碳報告

該網站可以生成兩份脫碳計劃報告。易于閱讀的“執行摘要”和包含每個建設項目詳細信息的“參考”。兩者都將在左側導航區域中有一個目錄，使人們能夠訪問各個章節和部分。?

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

參考 pdf 文件可能有數千頁長，包含有關每個太陽能、風能和輸電建設項目的信息。每個州和每年的表格可能包含指向各個項目的鏈接。?

要了解人們可能在脫碳報告中看到的內容，請查看量化美國實現 100% 可再生能源電力系統的挑戰。

為綠色能源研發分配資金

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

為了解決這個問題，脫碳計劃網站允許用戶增加一小筆稅收（例如 0.001 美元/千瓦時），以支持政府實驗室的任務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。

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

開發可更換的電動汽車電池系統。

開發基于氨的車輛系統。

開發能夠將 12 x 100m 尺寸的熱化學處理設備平臺從工廠或造船廠移動到發電站的超大型運輸系統。

開發下一代陸基光伏太陽能系統，使用更少的材料和自動化安裝。

開發能夠產生約 850°C 溫度的聚光太陽能塔，以支持制造化學品。

通過自動化安裝和批量生產降低成本的聚光太陽能。

開發標準化的綠色熱分配系統，將綠色熱從熱源轉移到加工設備，并利用余熱。

開發標準化工廠化熔鹽儲罐。

發展標準化核反應堆安全殼建筑。

自動化建造核反應堆建筑和場地。

開發可降低能源消耗的下一代建筑。

結論

每個國家都需要一個計劃來解釋如何在幾十年內實現零排放。

人們很難制定計劃；然而，這對計算機來說很容易。并且計算機可以被人指揮。?

計算脫碳計劃的網站應該很容易建立，因為數據庫和軟件已經存在。

一個高質量的網站可能需要以最低的成本進行脫碳和脫碳。

開發這個只需很少的錢。

審核編輯 黃昊宇