读书笔记 | 郭凯：走向碳中和——盖茨新书读书笔记

 

回答这个问题，首先需要知道碳排放的主要来源是什么，不同的排放来源，有时需要运用不同的技术路径来实现碳中和，虽然多数的技术路径最终都得着眼于减少化石能源的消耗，毕竟只要燃烧化石能源就要排碳。

 

区分碳排放的来源可以有很多种方式，盖茨把来源划分为5大类，并列出了它们对应的排碳占比：制造物品（31%），发电（27%），农林畜牧业（19%），交通（16%）以及取暖和制冷（7%）。

 

按照上面的划分，发电并不是目前排碳的最主要贡献者，但获取清洁的电力却很可能是实现碳中和最关键的因素，因此盖茨在书中是从发电开始依次讨论这5个领域如何实现碳中和。

 

01

 

 

发电

 

发电高度依赖化石能源。根据书中数据，化石能源发电占全球发电量的62%（其中煤36%、天然气23%、油3%），剩下的来源为水力16%，核能10%，可再生能源11%，其它1%。

 

书中说的一件让人惊讶的事情是，水电虽然是最常见的不排碳的发电方式，但因为建水电站会淹没土地导致地层里甲烷的排出，水电取决于具体的情况，有时并不比火电造成的温室气体排放少。

 

解决发电的碳排放问题，不仅本身就是对减排的重要贡献，而且通过使用清洁电还可以帮助解决制造业、农牧、交通和取暖制冷的很大一部分碳排放问题，因此减少发电对化石能源的依赖可能是应对全球变暖最主要最必要的路径之一。

 

这里的好消息是，随着技术发展和大规模使用（这里有中国的巨大贡献），太阳能和风能发电的成本已经大幅度降低。根据盖茨的数据，发电的绿色溢价在美国和欧洲大约是15-20%，换言之使用可再生能源(如太阳能和风能)发电的电价仅比使用化石能源发电的电价高15-20%。只是，很多发展中国家和自然条件不允许的国家的绿色溢价要高于这个数字。

 

但是，降低太阳能和风能绿色溢价的最大障碍并非发电成本，而是随着越来越依赖太阳能和风能，就会遭遇所谓“间歇性诅咒”。

 

风不是一直刮，太阳也不是一直照耀，季节会变化，还会有极端天气，这些都会带来风能和太阳能的不稳定，但是电却是一时一刻都不能停。当整个电网因为减排的需要高度依赖太阳能和风能时，保证不间歇供电就会变得格外昂贵，这就是“间歇性诅咒”。

 

“间歇性诅咒”中最难解决的是季节性问题，例如，德国太阳能的发电能力在冬季只有夏季的10%。如果按照夏天的需求安装太阳能板，冬天电肯定不够。如果按照冬天的需求安装太阳能板，成本就会大量上升，而且夏天会严重过剩。如果想把夏天的电存起来放到冬天用，即使有能够存放一个城市或者一个地区几个月电力的技术，也会无比昂贵。

 

解决间歇性诅咒的可能办法包括改进电网和传输技术，从而可以实现更大规模更高效率的跨区调度电力、发展可以大规模的储电技术（比如能储存一个城市几天的用量）、设立备份的火电（对应的碳排放还得另想办法解决）或核电厂等等。

 

书中例举了一些非常有意思、但未必都能成功的技术和方案（也是书中我觉得最好看的部分）:

 

新型核裂变技术。核电是非常成熟可靠的不排碳的发电方式，使用的是核裂变技术。最大的担心来自于安全性（如三里岛、切尔诺贝利和福岛）和乏燃料处理的成本。

 

盖茨在书中大力推荐了自己投资的公司开发的“行波堆”，这种技术可以使用多种核燃料（包括别的反应堆产生的乏燃料）、产生很少的废料、可以完全自动化、可以建于地下，而且从设计原理上就使得行波堆不可能发生堆芯融化甚至爆炸这些事故，因此不会重复三里岛、切尔诺贝利和福岛的问题。

 

这种技术已经在超级电脑上模拟成功了，现在需要的就是落地试验。根据媒体的公开报道，中国核电曾经希望能和盖茨的公司合作在中国建立首个示范堆，但最终这一合作被特朗普政府喊停。

 

核聚变技术。太阳能的最终来源是核聚变，氢弹是破坏性的核聚变。可控核聚变如果能够成功，其“燃料”-氘和氚可以从海水中提取，取之不尽、用之不竭。但核聚变需要极高的温度，花费巨大的能量,不仅无比困难，可能还需要先大量排碳，有时核聚变产生的能量还赶不上产生核聚变需要的能量。

 

总而言之，可控核聚变的实现非常困难。欧洲正在进行的可控核聚变工程ITER要到2030年代后期才能开始运作，其它的一些新的方案也在不断尝试中，但盖茨说了个笑话：距离核聚变还有40年，并且永远都是40年。

 

海上风电。海上风大，有的是地方，可以安装巨大的风能发电装置，而且离很多大城市很近。美国的海上风电如果完全开发，理论上就能满足当前美国的电力需要。中国的海上风电发展很快。

 

地热。不是所有地方都有地热，能量的密度也比较低，但是能用还是要用。

 

电池。锂电池虽然有不少缺点，但电池技术的改进空间有限，盖茨觉得似乎看不到能把电池储能提高50倍的材料，他觉得能提高到现在的3倍就不错了。不过一些人正在尝试一些更加新颖的做电池的方法，比如说使用液态金属。

 

抽水蓄能。电多的时候把水抽到高处，缺电的时候用水发电，北京的十三陵水库就是这样一个蓄能的电站。抽水蓄能需要有落差，需要盖水库，需要有水，不是所有地方都能实现，因此还有人在尝试抽鹅卵石蓄能，尝试把水注到地下产生高压然后需要的时候发电。

 

热能储存。电多的时候先转化为热，再把热存住，需要的时候再用这些热来发电。盖茨投资的公司尝试的材料是熔盐，熔盐可以比较高效率的储存大量的热，而且可以储存较长的时间。

 

便宜的氢能。如果有了便宜好用的氢能，也许一切对化石能源的依赖就可以迅速不复存在，因为氢可以燃烧放出大量能量，产生的却是水。但现在大规模的使用氢能还有两个巨大障碍，一个是通过电解水制氢成本巨大而且耗能（如果这些能源来自于化石能源，那制氢也会产生大量排碳），一个是氢不好储存，如果加压存在一个铁罐里，因为氢分子太小，氢气会慢慢从铁罐子里泄露出来。

 

碳捕捉技术。便宜好用的碳捕捉技术也可以是应对碳排放的终极解决方案，不管排多少碳，再“捕捉”回来就是，而且还可以把历史上排的碳也“捕捉”回来。

 

碳捕捉的一种是所谓的“节点捕捉”，就是在发电厂这种排碳大户的源头安装捕捉装置，这样可以捕获约90%的碳排放，问题是会增加发电厂的成本。

 

另一种碳捕捉是前面提过的直接空气捕获(DAC)，就是从大气中直接把碳捉住。DAC难度要比节点捕捉难很多，因为节点捕捉通常是在二氧化碳浓度达到10%的情况下捕捉，而DAC则要在大气中每2500个气体分子中搜寻那唯一的一个二氧化碳分子。目前的DAC技术还不成熟，无法大规模使用，而且还十分耗能。

 

节电和科学用电。节电的重要性不需要赘述。科学用电的潜力还需要更加充分的开发，最简单的一个例子就是错峰用电。我个人感觉，考虑到可再生能源有时不像化石能源那么可靠，更加智慧的用电也许可以使得一个城市电网的需求更具弹性，从而适应可再生能源发电的波动性。

 

盖茨认为，上面提及的所有这些技术和方案不需要每个都成功，只要有一个或者几个技术路径取得突破，实现碳中和就会发生重大转机。但既然目前不知道哪条路径能够成功，而且气候变暖的灾难性后果如此巨大，所以现在应该所有的路径都努力尝试。

 

02

 

 

制造

 

盖茨是以水泥、钢铁和塑料为例来说制造业的碳排放问题的。他先列了一组对比数字：美国在1901-2000年的100年生产了43亿吨水泥，中国在2001-2016年的16年里生产了258亿吨水泥。

 

钢铁。把铁矿石加热到1700度，需要排很多碳。炼铁和炼钢的过程中，需要碳和氧发生化学反应，反应的产品就是二氧化碳。现在的工艺生产1吨钢要排放1.8吨的二氧化碳。生产水泥主要的工艺是煅烧石灰石，水泥需要的是石灰石里的钙，但石灰石里的碳在煅烧过程中就会变成二氧化碳。生产1吨水泥会产生1吨二氧化碳。

 

塑料的制造来源于化石能源，但和水泥和钢铁不同，塑料的制造工艺本身并不会把化石能源里的碳给释放出来。

 

总而言之，制造业的排碳大概分为三部分，一部分是耗电，发电最终需要排碳；第二部分是获得高温，需要燃烧化石能源；第三部分是制造的工艺本身需要有产生二氧化碳的化学反应。

 

盖茨认为，应对制造业的排碳主要就是四步：1.能用电的尽量用电，这需要对现有的工艺进行很多创新；2.电力的来源要改为清洁能源；3.用碳捕捉来减少生产过程中无法避免的排碳；4.更有效率的使用各种材料。

 

当然，盖茨还是提了一些有意思的技术构想，比如说把生产水泥产生的二氧化碳回收后再注入水泥里，这种技术可以减少10%的排放；比如用海水和捕捉发电排放的二氧化碳来生产水泥，如果成功可以减少70%的排放；比如用一种叫熔融氧化物电解法（Molten Oxide Electrolysis）的工艺炼铁，有点像生产电解铝一样，但这个工艺的副产品是氧气而不是二氧化碳；比如，我觉得最为神奇的一个想法是，用从电厂捕捉来的二氧化碳和别的原料一起制造塑料，这样生产塑料的排碳可以由正转为负，成了一种碳汇的方法。

 

03

 

 

农林畜牧业

 

农林畜牧业竟然是净排放二氧化碳，而且产生了全球近20%的碳排放本身就是挺让人吃惊的。这里的原因是农林畜牧业会产生很多的甲烷和一氧化二氮，前者主要是因为牛打嗝放屁，后者主要是因为猪拉屎和使用化肥，甲烷导致全球变暖的能力是二氧化碳的28倍，一氧化二氮是265倍。

 

牛消化要依靠肠道发酵，发酵的过程就会产生甲烷，然后牛通过打嗝等方式把甲烷释放到大气中。羊、鹿和骆驼也会有同样的问题。全球每年因为牛打嗝产生的温室气体相当于20亿吨二氧化碳（约相当于中国全年排碳的20%）。

 

南美的牛要比北美的牛多释放5倍的温室气体，原因是北美的牛种不同、饲料质量更好等。家畜的粪便分解过程中则会释放一氧化二氮，也有一些甲烷、氨气等，因为家畜粪便导致的温室气体排放中有一半是来自于猪。

 

如何减少这些非常“自然”的排放？一种方法是给牛“吃药”，帮助消化少打嗝；一种方法是改进牛的种类和饲料；还有一种方法是用别的方式来获得肉，这又分两大类，一种是植物肉，现在星巴克卖的星膳食里用的就是植物肉。我本人吃过用植物肉做的汉堡，个人感觉味道和真肉接近但还不如真肉，但按照盖茨的说法，植物肉的进步很快。一种是像种粮食一样把肉给种出来。这种方法产生的肉是真肉，只不过不是通过牛吃草的方式长出来而已。最后，就是要减少浪费，这里包含人为的浪费，也包含整个产业链中不可避免的浪费，前者需要改变生活习惯，后者也有科技可以帮助改进。

 

农业的另一大温室气体排放来源就是氮肥的生产、运输和使用。生产和运输的过程要耗能，使用氮肥分解后会释放出一氧化二氮。农作物生长需要氮，因此使用氮肥产生的温室气体排放很难避免，目前正在尝试的方法主要是通过基因工程等方法使农作物或者微生物可以自己固氮从而减少对氮肥的依赖。

 

林业的温室气体排放主要原因是森林砍伐。树木如果是被烧了，立刻就会释放碳。森林砍伐导致温室气体排放的最主要原因还是因为森林的土壤里有很多温室气体，这些温室气体会因为森林砍伐而被释放出来。森林砍伐的原因很多，但毁林种地或者种棕榈树（为了棕榈油）是盖茨着重指出的。盖茨书中说的一件令人吃惊的事情是，种树未必一定会有利于减少全球变暖，在寒带种树可能还会加剧全球变暖，原因是树的颜色比雪的颜色深，种树之后反而会吸收更多的热。

 

04

 

 

交通

 

交通导致的碳排放中47%来自于小汽车，30%来自于卡车和公交车，10%来自于轮船，10%来自于飞机，剩下3%为其它。这些交通工具的共同特点就是他们的燃料主要是油。

 

解决小汽车的碳排放有两个路径：

 

第一条路径就是电动汽车，然后确保电的来源是清洁的。这个不用赘述，唯一需要做的就是大幅度加快电动车在新车销售中的比例。

 

第二条路径是使用替代燃料。替代燃料的一种是生物燃料。目前使用的生物燃料原料主要是玉米和甘蔗，生产玉米和甘蔗是要排碳的，而且还会影响粮食供应。盖茨提到的生物燃料则是用柳枝稷等非粮食作物作为原料的生物燃料，这样就不存在用玉米和甘蔗的问题。

 

替代燃料的另一种是电燃料，也就是用（清洁）电来生产燃料，原料是水和空气中的二氧化碳。替代燃料的好处是现在的燃油车都可以直接使用，缺点是目前替代燃料都很贵，绿色溢价要高达106%-237%。

 

解决小卡车和公交车碳排放的办法和小汽车类似。解决跑长途的卡车，飞机和轮船的问题，用电池就不可行了，原因是那样需要携带过重的电池，所以跑长途的卡车、飞机和轮船只能依靠生物燃料或者电燃料，而目前的问题都是生物燃料或者电燃料的绿色溢价过高。所

 

以，对于交通盖茨的解决方案就是一句话：能用电的都用电，剩下的都用（便宜的）替代燃料。现在的替代燃料还很贵，使用电动汽车还不够便捷，因此需要很多投资和创新来改变这一现状。

 

05

 

 

取暖和制冷

 

制冷带来的排放问题主要是两方面，一个是耗电，一个是制冷剂氟化气体是非常强劲的温室气体。取暖的排放问题来自于直接燃烧化石能源或者用电。

 

因此解决取暖和制冷碳排放的办法也比较直接，第一就是都用清洁电，特别是不再用煤、气、油取暖；第二是开发替代氟化气体的新型制冷剂；第三就是提高取暖和制冷系统的能源效率。

 

这里有为数不多的绿色溢价已经为负的技术-热力泵。热力泵完全用电，工作原理就像电冰箱，夏天的时候把屋里的热抽到室外，冬天的时候从室外的热抽到室内，热力泵可以在除了纬度特别高的广大地区使用。为什么热力泵的绿色溢价为负？因为热力泵的效率比现在的空调和取暖设备的效率高，改装之后可以少花电费和取暖费。当然，并不是所有人都愿意把家里的取暖设施换了，对于这些家庭前文提到的替代燃料就可以发挥作用了，只不过现在这些替代燃料还很贵。