【气候灾难】气候经济与人类未来

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【气候灾难】气候经济与人类未来

比尔·盖茨花了十年时间调研气候变化的成因和影响。在物理学、化学、生物学、工程学、政治学和经济学等领域的专家的支持下，他专注于探索减少温室气体排放的新技术。
在本书中，比尔·盖茨从电力、制造业、农业、交通等碳排放主要领域分析了零排放面临的挑战，可使用的技术工具以及我们需要的技术突破，并提供了一套涵盖广泛但每一步都切实可行的行动计划。
关于人类未来
要想阻止全球变暖，要想避免气候变化的最坏影响，人类需要停止向大气中排放温室气体。
关于技术创新
无论是过去还是现在，零排放都具备坚实的逻辑基础，但实现零排放的目标要基于创新驱动。
关于投资机会
“零碳”产业是一个巨大的经济机遇，那些能在这一领域有所突破的国家将是未来十几年引领全球经济的国家。
诚如比尔·盖茨在书中一再强调的，实现零排放并非易事，但如果我们遵循他给出的计划，这个目标定会实现。无论你是政策决策者、企业家，还是忙于生计的普通民众，你都可以贡献力量，一起帮助这个世界避免气候灾难。
一、 为什么要关注气候问题？
在气候领域，几摄氏度的变化会产生巨大的影响。在上一个冰河时代，全球平均温度比今天低6℃；在恐龙时代，全球平均温度比今天高大概4℃，那时北极地区还生存有鳄鱼。
在前工业化时代，也就是18世纪中期以前，地球上的碳循环可能处于大体平衡的状态，植物和其他物体吸收的二氧化碳量同全球排放到大气中的二氧化碳量基本相当。现在全球平均温度比工业化时代之前高1℃，但有些地方的温度增幅已经超过2℃，而全球20%~40%的人口生活在这些地方。如果我们不着力减少碳排放，那么到21世纪中叶，全球平均温度可能会上升1.5~3℃，到21世纪末将上升4~8℃。联合国气候变化专门委员会的研究指出，全球升温2℃会让脊椎动物的地域分布范围缩小8%。植物的地域分布范16%，昆虫的地域分布范围缩小18%。
在全球范围内，气候变化将对粮食产量产生影响。北方地区的粮食产量可能会增加，但大多数地区的粮食产量会下降，下降幅度从百分之几到50%不等。到21世纪中叶，气候变化可能导致欧洲南部地区的小麦、玉米减产50%；在撒哈拉以南非洲地区，农作物生长季节可能缩短20%；贫困地区粮食价格可能上涨20%甚至更多，而这些地区的居民原本就将超过50%的收入花费在吃饭上。中国的极端干旱可能引起地区甚至全球的粮食危机，因为中国的农业体系为世界上1/5的人口提供小麦，稻米和玉米。
气候变化还会带来海平面上升、异常炎热天数增加、风暴越来越猛烈、火山爆发频繁等等问题。减缓气候变化，减少温室气体排放，发展零碳产业，无疑在未来几十年将引领全球经济。
二、 （美国）政府怎么看待气候变化问题
（美国）政府对能源领域的研究投入很低，而且政府也不愿增加投入，除非有足够的私营部门资金能把实验室成果转化为产品。而风险投资基金正在逐渐退出绿色技术领域，因为该领域相较于生物技术和信息技术领域而言，不仅投资回报低，投资周期长，而且政府监管更严格，私人资本正在从清洁能源领域退出。
在美国，因为政治问题，气候变化领域的话题已经被边缘化。另有小部分人，甚至是政治相关的声音，没有被科学说服。而即便他们接受气候变化的事实，也未必认同应当大规模投资于有助于应对气候变化的突破性技术。
另一个挑战是国际合作。没有一个国家愿意单独为碳减排买单，除非其他国家都愿意为付出努力，《巴黎气候变化协定》是了不起的成就，190个国家签署了该协定，这证明了全球合作存在可能性。
三、 导致气候问题的原因？
全球气温上升主要由温室气体排放导致。温室气体包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。一氧化碳也被称为笑气，甲烷是天然气的主要成分。很多温室气体造成的暖化效应都超过二氧化碳，例如甲烷在大气中的暖化效应是二氧化碳的120倍，但它不会像二氧化碳那样长期留存在大气中。但真正重要的并不是温室气体的排放量，而是升高的温度对人类的影响，所以甲烷要比二氧化碳更糟，它会使温度迅速上升，而且升幅很大。
为了方便，我们统一用“二氧化碳当量”来表述不同的温室气体。510亿吨指的是全球每年排放的二氧化碳当量。你可能在别处见到371亿吨，这是二氧化碳的排放量；还有110亿吨，这是单纯的碳排放量。
人类活动造成的温室气体排放量占比情况为，生产与制造（水泥、钢铁、塑料）占比31%；电力的生产和储存占比27%；种植和养殖动植物占比19%；交通运输占比16%；取暖和制冷占比7%。
在这五个领域，我们需要找到不同的解决方案来实现零排放。其中电力部门的温室气体排放占总排放量的27%，但它所代表的解决方案的作用却远超过27%。因为有了清洁电力，我们就可以不再使用碳氢化合物作为燃料，电动汽车、电动公交、电力供暖系统和电力制冷系统，以及用电的能源密集型工厂都可以实现碳减排。靠清洁电力本身无法实现零排放目标，但实现零排放目标的过程中，清洁电力却是关键的一环。
（一） 电力生产与存储
水力发电有优势，也有一些重大弊端。水力发电的优势是价格便宜，弊端是选址有限，发电量受雨季和旱季的季节性影响，建设水库涉及社区搬迁、野生动物保护和土壤中的碳排放。非洲和亚洲要实现零碳电力非常艰难。过去几十年，中国经济增长部分得益于廉价制造的燃煤电厂。中国企业大幅降低了燃煤电厂的建设成本，降幅达到75%。其他发展中国家和非洲国家想要发展经济，是建造燃煤电厂还是转向清洁电力？对发展中国家来说，清洁电力方案无法提供启动经济增长所需的规模庞大、廉价且随时可用的电力。他们会希望效仿中国，通过吸引制造业等产业助推经济发展。但问题是这些业务所需要的电力规模和可靠性是小型的可再生能源电力项目无法提供和保证的。就目前来看，燃煤电厂的确是最经济的选项。
风能和太阳能都属于间歇性能源，而我们对电的需求是持续的。因此我们要么把过剩的电存储在电池中，要么依旧依赖化石燃料供电以备不时之需。无论哪种方式，从经济学角度看，清洁电力都不具备竞争力。当我们完全使用清洁电力时，间歇性供电会转变成一个更麻烦，更昂贵的问题，即电池成本高昂和电池使用寿命有限。利用太阳能发电，每千瓦时成本约为5美分，而1千瓦时的电池的资本成本是100美元除以1000次充放电循环，则每千瓦时为10美分。也就是说，夜间使用电池中存储的太阳能电力会是日间用电成本的2倍。季节变化是间歇性能源的另一个更严重的障碍，太阳能发电存在夏季产能过剩，冬季产能不足的问题，类似情况在德国已经出现。德国的“能源转型”项目计划到2025年将使用可再生能源比重提升到60%。过去十年，德国投入数10亿美元来推广利用可再生能源。2018年6月，德国生产的太阳能电力是2018年12月的十倍左右。当电力过剩时，德国把部分过剩电力传输给邻国波兰和捷克，但两国领导人都抱怨这给本国的电网造成了压力，同时造成了不可预测的电力成本波动。大规模储存电力极其困难，而且成本高昂。但是在未来几年，如果我们要依赖间歇性资源，提供相当比例的清洁电力，那么这将是必须面对的问题。
锂离子电池存在局限性且改进空间非常小。发明家研究了可用来制造电池的所有金属，但目前来看，要想找到可大幅提升电池性能的制造材料似乎不太可能。有发明家在研究液态金属的电池可作为电网级电池，并在尝试降低电池成本。
廉价氢气是燃料电池的关键原料之一，氢燃料电池唯一的副产品就是水。但氢燃料电池在零排放的情况下制造成本高昂，原因是我们需要用电制造氢气，然后再用氢气发电，每一步都有能量损耗。另外，氢气非常轻，不易存储。如果对氢气进行增压处理，由于氢原子太小，受到压力，氢原子会透过金属迁移出去。（玻纤储氢瓶的经济效益如何？）
核电厂的建设成本非常高，人为失误会造成严重的事故。核电厂所使用的燃料铀可被用于制造核武器，而核废料非常危险且难以存放。
离岸风电相较于陆上风电更加稳定，所以间歇性问题不突出。对于离岸风电行业来说，只有加快发展这一条路可走。中国也正在大规模投资离岸风电，到2030年，中国很可能成为全球离岸风电第一消费大国。风电行业有广阔的发展前景，一是它越来越便宜，二是它在许多国家的脱碳行动中可以发挥关键的助力作用。
碳捕获装置已经存在几十年，但它们的购买和运营成本都很高。电力公司安装碳捕获装置不会给自己带来任何经济效益，所以使用的很少。碳捕获技术分为直接空气捕获技术和排放点捕获技术。由于空气中二氧化碳浓度很低，所以直接空气捕获技术的挑战要大于排放点捕获技术。有关公司也在研发可以更好的吸收二氧化碳的新材料，如果研发成功，这些材料将降低排放点捕获和直接空气捕获的成本，提升碳捕获的效率。
（二） 生产和制造
钢的生产需要把氧从铁中分离出去，并在铁中加入少量的碳。因此生产钢的过程中产生了大量的二氧化碳。每生产1吨钢会产生约1.8吨二氧化碳。全球钢产量还在不断增长，到2050年，全球每年大约生产28亿吨粗钢。如果我们找不到气候友好型的冶炼方式，到21世纪中叶，仅炼钢这一领域每年将会释放50亿吨二氧化碳（当量）。
混凝土生产需要将水泥、石子、沙子、水搅拌在一起。生产水泥则需要从煅烧石灰岩中获取钙，这一过程就产生大量二氧化碳。每生产1吨水泥会产生大约1吨二氧化碳。
塑料的合成直到20世纪50年代才在我们生活中盛行起来，这得益于化学工程领域的一些研究突破。今天，塑料的应用非常广泛，比如涂料、地板蜡、洗衣粉中的丙烯酸、肥皂和洗发水中的微塑料、防水夹克中的尼龙等。塑料是石油提炼过程的副产品，塑料的价格便宜也是因为化石燃料便宜。生产塑料与水泥和钢铁的不同之处在于，生产塑料时50%的碳会留存在塑料中，因为碳很容易与氧和氢结合，而且结合后不易分开，因此塑料需要几百年的时间才能降解。相较于钢铁和水泥，塑料的碳排放量较低。
在可预见的未来，我们还必须依靠碳捕获装置和直接空气捕获技术来捕获生产制造过程中产生的二氧化碳。捕获装置是通过电力驱动的，因此，“零碳”电力至关重要。制造部门实现零排放的路径大致是，首先实现所有制造工艺的电气化；其次，从脱碳电网中获取电力；然后利用碳捕获装置吸收碳排放；最后，更有效的利用材料，上述每一步都需要大量的创新。
（三） 种植和养殖
食用类动物的饲养是温室气体排放的主要来源之一。随着人们生活水平提高，摄入的卡路里肉类和奶类的消费量增长明显，而肉和奶的生产需要粮食。生产1卡路里的鸡肉需要1卡路里的谷物，1卡路里的猪肉需要3卡路里的谷物，1卡路里的牛肉需要6卡路里的谷物。我们从肉类中摄取的卡路里越多，需要种植的农作物就越多。全球肉牛和奶牛的养殖规模大约为10亿头，它们每年打嗝、放屁所排放的甲烷造成的温室效应相当于20亿吨二氧化碳，约占全球温室气体排放总量的4%。打嗝、放屁释放甲烷是牛和其他反刍动物，如绵羊、山羊、鹿、骆驼等特有的问题。动物温室气体排放源还包括动物的排便。植物基人造肉是我们减少肉类食用同时又能享受肉的美味的选择之一。Beyond Meat和Impossible Foods都是可选择的产品。另有初创公司在实验室内培育肉类，被称为“培植肉”、“细胞培养肉”和“清洁肉”等。
农业领域主要排放的温室气体不是二氧化碳，而是甲烷和一氧化碳。诺曼.博洛格培育了高产的小麦品种，并推广到全世界，使多数地区的粮食产量较过去增加了2倍，饥饿人口数量直线下降。他被誉为“拯救了10亿生命的人”，在1970年获得诺贝尔和平奖。
合成化肥在20世纪六七十年代的农业革命中也扮演了关键角色。据估测，如果我们没有生产出合成化肥，那么世界人口可能比现在少40%~50。农作物种植需要大量的氮，植物本身并不能制造氮，它们从土壤中的微生物合成物中获取氮，而一旦土壤中的氮被消耗尽，植物就会停止生长，这也是施加氮肥能促进植物生长的原因。重大的技术突破出现在1908年，两位德国化学家发明了在工厂中使用氮和氢生成氨的做法，也被称为“哈伯-博施法”。这一制造工艺使得合成化肥的产生成为可能，提升了农作物的产量，扩展了农作物的种植区域。哈伯和博施像诺曼.布洛格一样，是被掩埋的历史英雄。施到农田的氮肥能被农作物吸收的不足一半，剩余的要么进入地下水造成污染，要么以一氧化二氮的形式逃匿到空气中。一氧化二氮造成的温室效应是二氧化碳的265倍。就化肥而言，目前还没有任何实用的零碳替代品。我们也没有任何方法捕获施肥时产生的温室气体，对于一氧化二氮也没有相应的捕获技术，这意味着我们无法为“零碳”化肥计算出一个准确的绿色溢价。
种树也许是我们乍一听感觉最便宜、技术含量最低的碳捕获措施，但是种树对气候变化的影响被夸大了。经计算，在热带地区种植50英亩的树，才能吸收掉一个普通美国人一年所产生的温室气体排放量。如果要靠种树来吸收全美人口所产生的碳排放，则需要种植160亿英亩的树，这相当于世界陆地面积的一半。从1990年以来，全球森林面积减少了50万平方英里，相当于全球森林面积减少了3%左右。亚马逊雨林被破坏的主要原因是为了清理场地，建立养牛牧场。而土壤中存储的碳总量超过大气和所有植物中存储的碳总量。世界资源研究所的研究发现，如果计入土地利用的变化，美式饮食标准所产生的二氧化碳排放量相当于美国电力、制造、交通和建筑四部门所用的全部能源所产生的排放量的总和。
（四） 交通运输
汽油的能量巨大且价格低廉。1加仑汽油所含的能量约等于130根雷管捆绑在一起的能量，当然雷管的能量是立即释放，而汽油是缓慢燃烧。在美国1加仑汽油的价格比1加仑牛奶和橙汁还要便宜。我们谈到花1美元可以获得多少能量时，汽油是黄金标准，没有任何东西能够以如此低的价格提供如此高的能量。
锂离子电池存储能量是汽油的1/36。市场上最好的纯电动飞机可以搭载两名乘客，最高时速为210英里，充电一次可以飞行3小时。相比之下，中等载客量的波音787客机可以搭载296名乘客，最高时速为650英里，加一次油可以连续飞行20个小时。以化石燃料为动力源的客机比最好的纯电动飞机在飞行速度上快3倍，飞行时长上长6倍，搭载乘客数量上多150倍。尽管电池性能会越来越好，但这一差距仍然难以逾越。
交通运输领域乘用车的碳排放量占比47%；垃圾运输车、公交车和18轮大型货车占比30%；货船和游轮占比10%；飞机占比10%。导致碳排放量增长的主要是航空、卡车运输和海运，而不是客车。目前以海运方式运送货物占全球贸易总量90%，其碳排放方面占全球总排放量的3%。中国、印度和欧洲的多个国家都公布了在未来几十年淘汰燃油车的目标，接下来我们要做的就是希望这些电动车跑起来，而这需要清洁电力，这也是为什么实现清洁电力生产和存储技术的突破是如此重要。
（五） 制冷和取暖
空调入户的历史至今不过一百多年。空调不仅让人们在夏天能更舒适，也是让产生大量热量的服务器能正常运转的必不可缺的设备。全世界在使用的空调设备有16亿台左右，但分布不均匀，美国90%以上家庭都装有空调设备，而在世界上最炎热的国家中，这个比例不到10%。随着世界人口增长，民众生活水平提高，高温天气频繁出现，空调设备的需求会持续增长，到2050年，全球在用空调数量将超过50亿台。空调高度依赖电力，所以计算制冷的绿色溢价比较容易，想给空调脱碳就要给电网脱碳。
暖炉和热水器占建筑物温室气体排放总量的1/3。供暖实现零碳的路径和乘用车的实现路径相似，第一是尽可能实现电气化，淘汰燃气热水器和暖炉；第二是发展清洁燃料，解决热水器和暖炉以外其它的所有热源问题。
四、 政府要扮演的角色
成功经验：1952年，“伦敦烟雾（雾霾）事件”造成4000人死亡，正是这一事件的发生，空气污染在20世纪五六十年代引起了美国与欧洲民众的广泛担忧。政策制定者也迅速采取行动，1955年，美国国会开始拨款用于资助空气污染和修复方案方面的研究；七年后，美国出台《清洁空气法》，为国内空气污染控制确立了现代监管体系；1970年，美国总统尼克松成立国家环境保护局，帮助推进法律的实行。在避免气候灾难方面，政府政策发挥主导作用。
政策制定：现在我们需要把政策制定经验拿出来应对实现温室气体零排放的挑战。政府可以制定相关政策，规定电厂、汽车和工厂的最高碳排放量；可以出台监管政策，塑造金融市场，明确气候变化给私人部门和公共部门带来的风险；可以作为科研的主要投资者，并制定有关新产品多久可以上市的规则；还可以帮助解决市场无法解决的问题，比如碳排放产品对环境和人类造成的隐形成本。
政府投资：政府需要出资和融资来解决清洁能源领域投资不足的问题。清洁能源领域面临着投资金额大，投资风险高，监管力度大等问题，私人资金在该领域投资较少，政府应该发挥其应有的作用，率先开展研发投资，待前景明朗，私人投资者就会接过政府的投资接力棒。事实上，我们日常生活中的产品几乎都是这么来的，包括互联网、药物以及智能手机中的全球定位系统等。如果没有美国政府投入资金研发尺寸更小、速度更快的微处理器，那么个人电脑行业就不会成功，也不会产生微软。
低碳激励机制：目前消费者购买商品不承担任何额外的碳成本，如果我们能制定规则，确保责任人至少承担一部分外部成本，如推行碳税或碳排放总量限制及碳交易等，这个问题将得到一定程度的解决。我们可以制造更便宜的“零碳”产品来降低绿色溢价，也可以通过提高碳排放产品的价格来降低绿色溢价。这样做不是为了惩罚人们排放温室气体，而是为了创建一种激励机制，鼓励发明者研发有竞争力的零碳产品。政府可以逐步提升碳的价格，使其反应碳的真实成本，以此推动生产者、消费者进行“零碳”生产、“零碳”碳消费。
市场、技术和政策需要协同发挥作用。政策制定者要清楚的知道自己要实现的目标是什么，以及想要推广的技术是什么。一个政策、技术和市场配合得当的案例是丹麦的风电产业，20世纪70年代石油危机期间，丹麦政府出台政策大力推广风能，减少石油进口。丹麦把研发支持同上网电价补贴结合起来，后来又引入了碳税。随着时间推移，风电涡轮机的成本大幅下降，风力发电的成本也逐渐下降。今天，丹麦约有一半的电力来自陆上和海上风电场，同时也是世界上最大的风力涡轮机出口国。
五、 零排放计划
路径选择：如果以错误的方式减排，有可能会阻碍我们实现零排放的目标。在2030年之前减少排放量和在2050年之前实现零排放是截然不同的两件事。这实际上是两条不同的路径，有着不同的成功标准，所以我们必须做出选择。例如，如果2030年之前减少一定量的碳排放是衡量成功的标准，那么燃气电厂取代燃煤电厂会有相当大的诱惑力，毕竟这会减少二氧化碳排放量，但是新建的燃气电厂到2050年时仍会继续运营，它们需要数十年才能收回建设成本，而且燃气电厂也会产生温室气体。这样看来，虽然我们实现了2030年目标却没有机会实现2050年目标。
扩大创新供应：未来十年与清洁能源和气候相关的研发投入（美国）要增加四倍。在高风险高回报的研发项目上大力下注，政府不仅要解决花多少钱的问题，还要把钱花在重要的地方。要把研发同我们的最大需求结合起来，并从一开始就与产业合作。企业是技术成果商业化的主力，要尽早把他们引入创新项目。
目前处于验证阶段的想法包括低碳水泥、下一代核裂变、碳捕获技术、离岸风力发电、先进生物燃料、肉类替代品等。验证阶段的技术投资风险非常大，私人投资者参与意愿低，尤其是在低碳技术上，因为它开发资金需求大，而且需要改变消费者的消费行为。政府可以帮助初创能源公司走出产品验证阶段，因为政府本身就是消费大户，政府和大公司如果优先采购绿色产品，为初创公司创造需求，那么可以推动更多的产品技术走向市场。除了购买产品本身，政府还可以为私人投资者提供税收减免、贷款担保和其他工具，以鼓励投资。
目前达到规模化阶段的技术包括陆上风电、太阳能和电动汽车。这些技术的成本已经足够低，供应链和商业模式也非常完善，消费者已经表现出购买意愿。
给碳定价：无论是实行碳税还是是推行碳排放总量限制及交易系统，为碳排放定价是在消除绿色溢价方面可以做的最重要的事情之一。短期来看，碳价的意义在于通过提高化石燃料成本向市场表明那些排放温室气体的产品是有额外成本的。至于碳收益，其实没有碳价本身所传递的市场信号重要。经济学家表示，碳收益可以返还企业和消费者，已覆盖能源价格上涨所产生的成本，也可以用于技术研发和其它激励措施，以帮助解决气候变化问题。长远来看，随着我们越来越接近零排放，碳价可以根据直接空气捕获成本来设定，碳收益则可以用于支付从空气中捕获碳的费用。
总地来说，任何国家政府都需要做三件事：第一，将零排放定为目标；第二，为实现这些目标制定具体计划；第三，任何有能力为能源研发项目提供资助的国家都要确保项目的目的是生产可负担的清洁能源，即竭尽所能降低绿色溢价，让中等收入国家有能力实现零排放的目标。
美国有成熟和富有创造性的资本市场，可以抓住伟大的想法，并且迅速开发和部署。其他国家，如中国、印度以及很多欧盟成员国，虽然没有如此强大的私人市场，但仍可以为气候变化项目进行大规模公共投资。世界银行以及亚洲、非洲和欧洲的开发银行等多边银行机构也在寻求更多的参与渠道。要实现零排放目标，应对气候变化灾害，我们累计需要的资金是非常庞大的，仅依靠政府和多边银行的资金远远不够，需要找到更好的方式利用私人资本。如何撬动私人资本这个问题非常棘手，还需要融资领域的最强头脑来解决。
最后，我认为最重要的一点是必须降低绿色溢价，这是让中低收入国家也能够实现减排的唯一路径。政府应该把对清洁能源领域的研发投入看作是实现科学突破的机会，这些科学突破将会催生大型初创公司组成的新产业区，它们在创造就业机会的同时，也会减少温室气体排放。在清洁能源领域，规模达数10亿美元的市场正在等待人们去发明低成本、低排放的水泥或钢铁，或零排放的液体燃料。实现这些破突破，并将它推广到世界各地，充满挑战又充满机遇。总会有人发明这些技术，无非是由谁发明以及什么时候发明的问题。
六、 技术创新的方向
1. “零碳”制氢工艺
2. 可维持整个季度电力供应的电网及电力存储技术
3. 电燃料
4. 先进生物燃料
5. “零碳”水泥
6. “零碳”钢
7. 植物基或细胞基肉制品和奶制品
8. “零碳”肥料
9. 下一代核裂变
10. 核聚变
11. 碳捕获
12. 地下电力传输
13. “零碳”塑料
14. 地热能
15. 抽水储能
16. 热能存储
17. 抗旱耐涝粮食作物
18. 棕榈油的“零碳”替代品
19. 不含氟化气体的制冷剂

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