电子发烧友App
脱碳101
脱碳通常需要从石油、天然气和煤炭过渡；到光伏太阳能发电场、陆基风力发电场、水电大坝和核电。大约 42% 的能源消耗涉及电力，而其余的 (58%) 主要需要燃烧碳基燃料以供热、制造和运输。电能和非电能都需要在不排放CO 2 的情况下产生。
人们每年进行的脱碳量可以量化为从碳源转换为绿色源的总能源的百分比。例如，每年 3% 的脱碳需要 3% 的能源主要转化为水力、风能、太阳能和/或核能。
脱碳不是免费的
在大多数情况下，增加光伏太阳能发电场或陆基风力发电场比继续燃烧碳略贵；因此，需要政府干预才能走向绿色。
政府可以通过不同的方式进行干预，以及表达干预成本的不同方式。为了使本文易于理解，我们将“干预”称为联邦要求，即社区从绿色能源中获取特定百分比的电力，我们将“干预成本”称为消费者电价因以下原因而上涨干预，以美元/千瓦时为单位。
例如，联邦法律可能要求内华达州在 2024 年 1 月之前从绿色能源获得 40% 的电力，到 2026 年 1 月获得 50% 的电力，而消费者的额外成本约为 0.01 美元/千瓦时。作为参考，美国居民平均为发电和输电支付 0.13 美元/千瓦时。
脱碳不是免费的。添加光伏太阳能发电场和风电场通常会使消费者价格增加 0.005 美元至 0.020 美元/千瓦时。
在建造过程中，它们最终会遇到限制，例如“饱和”，即在阳光明媚的大风天，绿色供应满足需求。当一个人受到限制时，成本就会增加，社区就会不愿意进一步建设。
美国可能可以将绿色电力脱碳至约 85% 的水平，而不会导致价格上涨超过 0.020 美元/千瓦时。然而，由于 42% 的能源消耗是电力，这意味着 64% 的能源仍会排放碳 (1 – 85% * 42%)。这 64% 涉及用于建筑供热、运输和制造（例如制造化学品、金属、塑料和水泥）的石油、煤炭和天然气。以低成本解决这些问题并不容易。
一项联邦法律可以强制脱碳
一个国家可以使用以下联邦法律将脱碳降至零排放：(a) 规定了数十年来每年发生的脱碳量，(b) 规定政府干预的规模以支持年度脱碳目标，(c) 限制为确保立法者可以接受成本而进行的干预导致的价格上涨幅度，以及 (d) 要求首先解决成本最低的脱碳项目。
例如，一项法律可以规定美国到 2052 年以恒定速率脱碳至零排放。从数学上讲，这相当于每年脱碳 2.8% 的能源。法律还可以首先声明最简单的方法，政府干预的规模应支持 2.8% 的税率，并且消费者价格不会因干预而增加超过 0.02 美元/千瓦时。这将导致以下情况发生：
沙漠社区将建造光伏太阳能发电场，直到达到饱和点。
多风土地附近的社区会建造风车直到饱和。
与上述相同，但更远的社区将通过传输线参与。
这将通过更长、更昂贵的输电线路继续增长。
“最简单的第一”要求使消费者价格涨幅≤ 0.005 美元/千瓦时的项目首先实施。首先解决最低成本会降低总脱碳成本，因为成本更高的项目将从未来成本降低的技术中受益。
一个国家可能会以恒定的速度脱碳，以随着时间的推移均匀地分散破坏。或者，一个人冒着将不可能完成的任务交给未来的风险。
脱碳成本可以用不同的方式表示，包括： (a) 以电力为单位的消费价格增加和税收减少的总和；或 (b) 以美元/吨 CO 2 为单位的减排量。
有关脱碳计划的示例，请参阅实现 CO 2零排放的计划。
脱碳墙
最终，达到立法者设定的最大可接受的价格涨幅。在我们上面的美国示例中，这是 0.02 美元/千瓦时。经过大约 7 年的太阳能/风能建设，大约 85% 的电力是绿色的，并且所有能源的大约 36% 是绿色的，人们可能会达到这一点。届时，人们可能会考虑将限额提高到 0.03 美元/千瓦时。然而，这只会有一定的帮助，因为在建立低成本太阳能/风能之后，脱碳成本可能会迅速增加，直到在晴天和刮风时拥有足够的绿色电力。可以将其视为“脱碳墙”。为了推迟隔离墙，人们可以大幅增加研发资金，帮助人们以低成本进一步脱碳。
美国政府称，美国太阳能/风能政策存在缺陷
人们可能会考虑依赖当前的政府政策，而不是脱碳法。然而，这通常不会在几十年内实现脱碳至零排放。例如，根据美国政府的说法，当前的美国政策旨在在未来 30 年内产生恒定的CO 2排放，如下图所示。
图 1：基于宏观经济增长假设的二氧化碳排放量
建设新的太阳能发电场、风力发电场和输电线路
在物理层面上，脱碳主要包括建设光伏太阳能发电场、建设陆基风电场和建设输电线路。
许多国家维护着风力发电机会和太阳能发电机会的数据库，计算机可以使用这些数据库来计算建造每个新太阳能发电场和风电场的成本。并且，可以计算将间歇性绿色资源添加到现有的碳基系统所引起的消费者价格上涨。如前所述，由于新建太阳能/风电场导致的消费者价格上涨可以被认为是“脱碳成本”。此外，鉴于多个风能和太阳能项目，可以首先对脱碳成本最低的列表进行排序。然后，可以选择列表顶部的一批太阳能/风能建设项目在#1 年建造，在它之下的一批在#2 年建造，依此类推。
每批项目的规模将满足当年的脱碳目标。例如，如果法律规定每年脱碳 2.8%，每个建设项目脱碳 0.1% 的所有能源，那么每年需要 28 个项目 (2.8% / 0.1%)。
最终，最终会得到一份太阳能、风能和输电建设项目的时间表。然后政府经济学家可以设置干预措施来支持该时间表（例如可再生能源要求）。
这就是人们如何以受控的速度脱碳，以最低的成本实现零排放，对那些不参与的人造成的干扰最小。
为什么脱碳如此困难？
尽管许多人希望减少 CO 2排放，但美国和其他国家并没有致力于脱碳，而且很多事情都可以以低成本完成。
脱碳为何如此火爆？
我认为有两个原因：
太多令人困惑、不相关和误导性的信息。
很少有人能自如地大开眼界。
生成脱碳计划 (DP) 的网站将有助于解决这两个问题。用户将输入脱碳策略，点击“计算”，然后以 pdf 格式查看详细的脱碳计划。这将使人们能够了解各种法律如何影响结果，并使人们能够了解研发如何降低总脱碳成本。
如果世界上 15 亿辆汽车被绿色汽车取代，每辆汽车的成本为 2 万美元，那么我们正在考虑在 15 到 30 年内制造价值 30 吨的汽车。随后，每年在绿色交通研发上花费 1B 美元是合理的（30,000 分之一）。然而，很少有人愿意考虑花大钱将成本降低到 30T 美元这样的数字。脱碳计划网站将有助于指定研发资金，并查看对总脱碳成本的预期影响。
用户指定的脱碳参数
在计算脱碳计划之前，用户指定关键参数，例如：将所有能源脱碳至零排放的年数、每年脱碳量（例如 2.8%/年的恒定速率脱碳）和最大消费价格增幅（例如 $0.020/千瓦时）。
用户还指定影响结果的策略选项，其示例如下面的概念图所示。这不是一个真正的网站，只是一张图片。然而，美国可能需要一到三个计算机程序员才能拥有一个真正的网站，因为具有潜在太阳能/风能项目的数据库已经存在。
图2：脱碳设计工具
脱碳计划
生成的脱碳计划 pdf 报告显示：
太阳能发电场、风电场和输电建设项目清单。
带有位置、成本、时间表和消费者价格上涨的地图和表格。
遇到脱碳墙的年份（即脱碳成本达到极限）。
当人们花钱避免排放 CO 2 时，它被称为“减排”，通常以 $/MtCO 2单位表示（为避免排放一公吨 CO 2 而花费的美元）。
有多种方法可以对潜在的太阳能/风能建设项目进行评分和分类。例如，您可能会查看 $/MtCO 2减排，然后首先关注最低减排项目。
例如，第 1 年可能会建造减排量 ≤ 10 美元/MtCO 2 的项目（价格上涨约 0.005 美元/千瓦时），第 2 年减排量 ≤ 13 美元/MtCO 2等。然后联邦法律可以以这种方式强制要求可再生能源，并要求将脱碳成本转嫁给消费者。
请注意我们在概念层面上所做的事情。政府告诉社区，如果他们能够在电价上涨 ≤ ~$0.005/kWh 的情况下避免一吨 CO 2排放，他们就必须这样做。而且这种价格上涨每年都会增加，直到达到立法者设定的限制（“脱碳墙”）。
在遇到 The Wall 之前，这可能是最简单、成本最低的脱碳方式。
或者，可以考虑征收碳税 (CT)；然而，在不脱碳的情况下提高价格是没有帮助的。例如，40 美元/吨的 CT 可能会提高许多城市的电价；然而，如果他们的电力没有被绿色电力取代，就会造成痛苦而无益。相反，启动特定项目可以最大限度地减少对他人的干扰。
如果人们对气候变化感到紧张，并且现在想要更多的破坏，那么可以考虑增加年度脱碳任务（例如超过 2.8%/年）。
有关增加太阳能/风能建设所涉及的挑战的讨论，请参阅如何加速绿色电力。
拟议的联邦法律
脱碳计划 pdf 报告包括一项拟议的联邦法律，可能如下所示：
美国 2022 年脱碳法案（提议）
能源每年以 2.8% 的恒定速率脱碳，以促进到 2052 年实现零排放。这包括所有能源，而不仅仅是电力。
政府干预的规模可以支持这个比率，对于每个绿色能源建设项目，每 CO 2吨减排高达 40 美元。
政府干预仅适用于预定项目，以尽量减少对他人的干扰。
首先处理成本最低的减排项目（“最简单的优先”）。
帮助其他国家制定脱碳计划
由于来自其他国家的CO 2排放会损害每个国家，因此让其脱碳计划网站支持其他国家符合一个国家的最佳利益。例如，美国政府可能会要求他们的程序员支持欧洲、中国和印度。
电力传输挑战
下图用黄色和橙色标识了高风速；并用红色方块标记现有的风电场。美国中部多风。因此，需要输电线路将电力向外输送到西海岸和东海岸，如下图绿色箭头所示。
图 3：美国风电供应
太阳能也面临传输挑战。大多数机会集中在美国西南部，权力需要向西北部转移，如下图所示。
图 4：美国太阳能供应
通常，碳基电站位于用户 100 公里范围内。然而，对于太阳能和风能，我们正在考虑大幅增加这个距离（例如≥ 10 倍）。这是可以做到的；然而，它需要花钱，并最终增加了电力的总成本。
通常，在塔之间串起一个小的 3 电缆束，右下方显示了一个示例。但是，要传输大量电力，需要更大的 8 电缆 ≥ 8 GWe 束，如下左图和中图所示。一个人需要 84 个这样的大束来输送 45% 的美国电力，例如 [（400 GWe 风能 + 270 GWe 太阳能）/8 GWe]。
粗电缆、每束多根电缆和长线路成本高昂。随后，花钱降低传输成本是合理的。为了帮助对该工程的成本及其相关收益进行建模，脱碳计划网站允许人们为降低传输成本的工程分配税款，如上图所示。有关详细信息，请参阅如何降低电力传输成本。
脱碳报告
该网站可以生成两份脱碳计划报告。易于阅读的“执行摘要”和包含每个建设项目详细信息的“参考”。两者都将在左侧导航区域中有一个目录，使人们能够访问各个章节和部分。
执行摘要可以包括总结施工和成本的表格、地图和图表。此外，它可以假设所有国家都以相同的速度脱碳，并预测诸如：大气 CO 2 (ppm)、大气温度变化、年降雨量变化、每英亩粮食产量变化、海平面上升等。
参考 pdf 文件可能有数千页长，包含有关每个太阳能、风能和输电建设项目的信息。每个州和每年的表格可能包含指向各个项目的链接。
要了解人们可能在脱碳报告中看到的内容，请查看量化美国实现 100% 可再生能源电力系统的挑战。
为绿色能源研发分配资金
如上所述，脱碳很容易，直到出现“The Wall”。不幸的是，EIA 和 NREL 不希望研发能够让我们超越这堵墙，这就是为什么他们预计美国的 CO 2排放量将保持不变。
为了解决这个问题，脱碳计划网站允许用户增加一小笔税收（例如 0.001 美元/千瓦时），以支持政府实验室的任务是使绿色能源比碳基能源更便宜。正如Aspencore 气候变化解决方案系列中所述，工程师可以做很多事情来降低成本。
该网站可以让人们将资金分配给特定的研究主题，然后模拟对总脱碳成本的影响。研究课题包括：
开发可更换的电动汽车电池系统。
开发基于氨的车辆系统。
开发能够将 12 x 100m 尺寸的热化学处理设备平台从工厂或造船厂移动到发电站的超大型运输系统。
开发下一代陆基光伏太阳能系统，使用更少的材料和自动化安装。
开发能够产生约 850°C 温度的聚光太阳能塔，以支持制造化学品。
通过自动化安装和批量生产降低成本的聚光太阳能。
开发标准化的绿色热分配系统，将绿色热从热源转移到加工设备，并利用余热。
开发标准化工厂化熔盐储罐。
发展标准化核反应堆安全壳建筑。
自动化建造核反应堆建筑和场地。
开发可降低能源消耗的下一代建筑。
结论
每个国家都需要一个计划来解释如何在几十年内实现零排放。
人们很难制定计划；然而，这对计算机来说很容易。并且计算机可以被人指挥。
计算脱碳计划的网站应该很容易建立，因为数据库和软件已经存在。
一个高质量的网站可能需要以最低的成本进行脱碳和脱碳。
开发这个只需很少的钱。
审核编辑 黄昊宇
工商网监
评论