第1章　清洁能源的未来，一线希望的光

零碳未来

·　为了消减二氧化碳排放，唯一严肃的选择是让（几乎）一切电气化。

·　为了实现气候目标，需要每个家庭100 %采用电气化解决方案，例如电动汽车、热泵和屋顶太阳能，这些是个人实现零碳目标的基础设施。

·　为了减少碳排放，需要大规模建设发电和输电基础设施。

·　为了使每个人都能负担得起电气化解决方案，需要新的融资机制——气候贷款。

·　为了让一切电气化，需要目前供电量3～4倍的电力供应，需要以电网中立的方式实现发电、输电和储电，保证家庭、企业和公共事业单位都可以平等地用电。

·　必须取消化石能源补贴，废除人为抬高可再生能源和电气化解决方案成本的法规和条例。

·　为了实现2 ℃温升目标，需要像战争时期一样开展工业动员，按计划脱碳。

·　为了实现1.5 ℃温升目标，需要推广负排放技术，淘汰污染程度最严重的排放源。

本书是一个为未来而战的行动计划。鉴于在应对气候危机方面的诸多拖延，我们现在必须致力于彻底改变能源供应和需求，实现“终局脱碳”（end-game decarbonization）。世界留给我们的时间不多了。

在美国，包括政治家、活动家、学者和科学家在内的很多人，都已经放弃了。面对普遍存在的惰性和对气候危机的否认，我有时也感到绝望，但从未放弃。我们不仅要与化石能源的利益集团做斗争，还要与那些认为我们无法及时改变政治以拯救未来的人做斗争。

作为一名工程师和能源系统专家，我可以通过肉眼可见的数据，找到一个将碳排放控制在一定程度的办法，既为了子孙后代，也为了使地球保持宜居和美丽。如果这次我们做出正确的选择，将为每个消费者节省资金，国家也将创造数以百万计的就业机会，重振地方经济。

在本书中，我描绘了一条避免气候危机的可行之路。这条路并不是唯一可行的路，但我可以通过足够详细的描述向你证明：避免气候灾难并不需要颠覆世界。这是我们解决气候危机最后的机会。趁现在还有一线希望，我们必须采取行动。

现在是终局脱碳的时候了，这意味着我们再也不能生产或购买依赖于化石能源的技术或装置了。在改用电动汽车之前，我们已没有足够的碳预算来让每个人多买一辆燃油车；没有时间让每个人在他们的地下室再安装一个天然气炉；没有空间再新建一个天然气调峰电厂；更没有空间安装任何使用煤炭的装置。无论你现在拥有什么样的化石能源装置，无论它们是用于电网运营、小企业，还是家庭，这些都将是你最后的化石能源装置。

我之所以抱有一线希望，是因为我知道清洁能源面临的许多障碍是制度性和官僚性的，而不是技术性的。我们有技术手段来应对气候危机，这些手段使我们能够在不放弃汽车和舒适房子的前提下，拥有更清洁的空气和更绿色的未来。很多人认为应对气候危机需要奇迹，而实际上我们只需要努力！有人说电气化解决方案太昂贵了，但实际上，正确的做法反倒会为我们省钱。怀疑者说，这样做将减少就业岗位，但实际上，这个绿色的未来将创造数百万个工作机会。大多数人认为，清洁能源的未来意味着每个人使用更少的东西，但实际上，这意味着我们可以拥有更好的东西。

显然，要完成这个计划会有很多障碍。当我告诉人们什么是技术上必需的时候，他们却告诉我政治上存在的障碍。尽管这听起来很天真或难以置信，但我们必须弄清楚，应该如何消除这些障碍，从一次只能消除一个，到希望一次能消除很多。政策制定者必须改变他们所认为的当前的经济和政治局势下可能发生的事情。如果他们的雄心局限于考虑在政治上是否可能，那么每个人都是注定要失败的。

幸运的是，为气候危机而斗争的年轻人并没有放弃，感谢他们和其他正在尽自己努力的人。本书为那些拥有希望和愿意战斗的人而写。我希望这本书给出的行动方案能体现我们的“强烈要求”，这样我们对政治家所要求的内容就会更详细，对商界领袖所要求的内容就会更具体。他们没有提供一个到达我们想要的未来的路线图，所以现在，我们必须尽快提供给他们。

我将尽我所能，利用所有能收集到的最好、最全面的数据，详细地说明什么是技术上必需的。如果能知道什么在技术上是必需的，那么我们就可以创造性地去思考：如何使它在政治上可能，在经济上可行。

正如我的生物工程师朋友德鲁·恩迪（Drew Endy）打趣时所说：“在人类历史上，我们第一次拥有了让90亿人在这颗星球上繁荣发展的技术，但我们的政治和制度却没有跟上。”

美国的领导人未能有效减缓新冠疫情的影响，当然也就不能指望他们胜任应对气候危机的任务。科学家们多年来一直预测会发生新冠疫情这样的危机，但他们却并没有为此做好准备，反而在疫情到来时笨手笨脚地去应对。

不过，新冠疫情也给我们上了重要的一课。为了成功地应对气候危机，我们必须压平图1-1中的曲线，这与为了成功应对新冠疫情所需要压平的曲线形状相同。但是，应对气候危机要困难得多。对于新冠疫情，我们可能仅需要在病毒出现前20天采取行动；而对于气候危机，我们则需要提前20年采取行动。这两个难题都需要预先的准备和科学的政策。

现在已经有多种疫苗应对新冠病毒，这要感谢让这一切发生的科学家和工程师们。我们也已经有了解决气候危机的“疫苗”，这个“疫苗”就是清洁能源的基础设施。我们知道这些基础设施都有些什么：带来大规模电气化的风力涡轮机、太阳能电池、电动汽车、热泵，以及一个能将以上这些连接在一起的具有互联网中立性的大规模电网。

虽然这听起来可能会让人感到惊讶，但如果政策制定者做出承诺，以所需要的规模开展基础设施电气化行动，将降低所有人的能源成本。如果决策者在该计划实施过程中提供一套合适的融资机制，例如贷款、优惠和补贴，使每个人都能负担得起电气化的未来，该计划的效果就会更明显。我们有所需要的清洁能源解决方案，它可以使碳排放水平保持足够低，从而让人们享有一个清洁、绿色和繁荣的未来。

我仍然看到了一线希望。但为了促使这种希望在未来变成现实，我们必须提出并回答一些关键问题，这也是本书的重点。

如何应对紧迫的气候危机？人类活动产生的二氧化碳排放，已经使地球温度上升到危险的程度，这将伤害到许许多多的人，导致经济受损、战争爆发以及战争带来的大规模迁徙，甚至是物种毁灭和环境破坏。“承诺排放”（committed emissions）允许现有装置继续使用化石能源，使得气候危机比人们普遍意识到的更为紧迫。为了实现我们的气候目标，从现在开始，需要几乎100%地采用脱碳能源解决方案。这意味着，我们需要立即将现有的解决方案进行规模化应用，而不是寄希望于奇迹的出现或者还未开发出的解决方案，比如从空气中吸收二氧化碳的低成本技术。我将在第2章讨论这个问题。

如何从历史中借鉴成功经验？我在本书中所论述的计划，可能听起来过于大胆，几乎无法实现。然而，随着气候状况持续恶化，我们必须去实现看似不可能的事情。正如我在第3章中所说的那样，通过回顾美国处理棘手问题并取得成功的历史案例，我们能够看到将不可能变为必然的途径。

如何改变传统能源观念？在过去的40年里，政府机构和科学家们收集了应对气候危机所需的信息。正如我们将在第4章看到的那样，通过这些翔实的能源数据集，科学家们了解到在哪里以及如何用脱碳能源取代化石能源，以及在这个过程中我们将节省多少能源。

如何彻底变革能源结构？与以往的能源危机不同，气候变化不是一个可以通过提高效率和简单改进现有系统就能解决的问题，它需要做出变革。在历史上的能源使用模式中，隐藏着一个好消息：我们无须彻底改变生活方式或者放弃所了解和喜欢的东西就可以实现完全脱碳，人们可以用今天使用能源的一半来实现气候目标。我们将在第5章看到，清洁能源的未来将会更美好。

如何利用电气化节省50%的能源？让几乎一切电气化。在能源供应方面，我们需要大规模地部署风能和太阳能（可能还有一些核能），这些发电装置目前已经比天然气和其他化石能源便宜了。氢和生物能源将不会扮演主要角色，某些用途除外，如航空旅行。在能源需求方面，我们需要大规模地推广电动汽车、热泵和储能系统，正如我在第6章中解释的那样。

如何利用可再生资源与土地生产电力？未来，我们大部分的能源将来自可再生资源与土地。人们总是害怕面对无法想象的未来，为了消除大家的这些恐惧，我将在第7章论述能源供应的基本物理原理，描绘出未来的清洁能源供应图景。

如何利用可靠电网让电力持续运营？人们希望能够持续地获得供电。那么，如何确保这个能源系统能够持续不断地提供我们所了解和喜爱的可靠能源呢？在第8章中，我将讨论这个问题。

如何重新定义基础设施？许多人对基础设施概念的理解有些过时，认为它只包括道路、桥梁、大坝和输电线路等，其实，这些不足以描述我们需要建设的新世界。我们将会认识到，住宅、汽车和供暖系统对实现能源基础设施间的平衡至关重要，我们需要为它们提供新的融资方式。消费者也将从日常琐碎的消费小决定中得到解脱，因为人们会逐渐意识到，个人的碳足迹很大程度上是由少数几个选择来决定的。这将在第9章得到讨论。

如何利用技术创新让可再生能源更便宜？为了地球环境和国家经济，我们承担不起不转向清洁能源的代价。与化石能源不同，可再生能源很便宜，而且越来越便宜。正如我在第10章中所解释的，当这些技术被规模化应用时，清洁能源基本上就会“便宜到无法估量”。

如何使用清洁能源节省开支？能源便宜时，一切都更便宜。在本书第11章，我围绕厨房的桌子做了一个模型来展示转向清洁能源将如何降低每个家庭的预算。我们将会看到，正确使用清洁能源将如何为每一个消费者节省能源账单上的支出。

如何从化石能源向清洁能源过渡？也许更准确的问题是：“利率是多少？”因为贷款是为气候基础设施融资的途径。所有的脱碳技术都有较高的前期投入成本和较低的终生能源成本和维护成本。美国曾经解决过类似的金融问题，比如20世纪20年代的汽车融资；30年代的30年期政府担保抵押贷款（现在仍在使用）；罗斯福新政期间的农村电气化。正如我在第12章中所说的那样，今天需要一个与上述时期类似的金融解决方案。

如何与化石能源公司并肩作战？也许，气候活动人士可以终其一生坚持与化石能源公司斗争；但是，人们也可以团结起来，感谢这些化石能源公司100多年以来给我们提供的服务，并邀请他们加入我们的零碳之战。请参见第13章。

如何重新制定有关气候的政策？曾经为化石能源世界制定的政策，现在却给我们的生活遗留了诸多问题。人们普遍能够理解为什么要对化石能源进行补贴，但更重要且并不那么容易让人理解的是，政策制定者需要废除这些规定，因为这些会人为地提高脱碳的代价。正如我在第14章中所敦促的那样，国家需要制定简单的政策，鼓励创造最好的能源系统、电动汽车和电气化建筑。

如何利用电气化创造更多就业机会？新冠疫情导致了大萧条以来最高的失业率。就像第二次世界大战期间提振制造业一样，美国可以通过大规模的基础设施投资来创造新的就业机会，只不过这次是投资清洁能源。如我在第15章所述，如果向脱碳经济转型，国家将获增数百万个就业机会。

如何打好零碳之战？美国在第二次世界大战所采取的工业动员，在规模、难度和解决问题的成本上，与气候危机最为接近。在第16章中，我将详细分析这一切是如何发生的，并探讨如何赢得这场零碳之战。

如何重新思考工业以应对其他环境问题？即使我们解决了气候危机，你可能会说，海洋仍然会被塑料充斥，亚马孙雨林仍然会起火，珊瑚礁仍将会被农业径流摧毁。在第17章中，我将着眼于贯穿我们生活中的无数物质，不仅揭示消减能源消耗和碳排放的机会，也揭示碳固存（carbon sequestration）和减少在地球上留下更多人类碳足迹的机会。

还有哪些关于气候的重要问题呢！在不让一切电气化的情况下，碳固存、碳税、氢和其他对抗气候变化的计划会怎么样？有太多的碳需要固存，征收碳税已经太晚了，而氢是一个“假神”。我们需要这些东西中的一部分，但正如附录A所表明的，它们不是使我们免受“牢狱之灾”的钥匙。

那我们可以做些什么来改变现状呢？每个人都可以为应对气候变化贡献自己的努力和技能。我们要赢得这场对抗气候危机的唯一方法，就是持续与之斗争。政治和商业领袖总得多做些。如果在应对气候危机的战斗中有一次妥协，我们就输了。当政治家们设定2050年的目标时，你需要强烈地要求他们制定2030年的目标。当各个行业说他们将通过天然气过渡时，你需要回答的是已经没有时间留给天然气（何况天然气一点也不“天然”）。这个世界不能因为绝望而拖延行动。绝望必须转化为希望，而希望必须转化为行动，正如我在附录B中所说的那样。

最后，我是谁？我是一个科学家、工程师、发明家和父亲，我想给我的孩子们留下一个更美好的世界。我也想让他们对地球和地球上的生物感到敬畏，我此生已经幸运地享用了这一切。在这场战斗中，我将竭尽所能。本书中的数据让我相信，抱有希望仍然是理性的，但希望不会持续太久。我们可以在应对气候紧急状况方面取得重大胜利，但这是最后的机会，因此我们别无选择。如果赢得这场战争，我们都会比以前生活得更好。

本书主要关注与美国能源系统相关的近75%温室气体排放的紧急情况，而美国能源系统占我们排放量的绝大部分。美国的问题是全球问题的典型案例，所以虽然我们关注的是美国，但本书的分析通常可以合理地反映全球的情况。1其他温室气体的排放来自农业部门，约占12%；土地使用和林业部门，约占7%；工业部门非能源使用排放约占7%（见图1-2）。

正如本书所建议的那样，行动起来应对气候危机，也将解决工业部门中大部分非能源排放问题，以及农业部门、土地使用和林业部门的排放问题。使能源供应系统脱碳，大约占我们应做工作的85%。我愿意相信，如果我们承诺去解决85%的问题，那么那些聪明而充满激情的人也会努力去解决剩余15%的问题。因此，在本书的其余部分中，与能源无关的排放只会偶尔提及。