地热的开发需要钻井，但问题是我们很难提前知道某一口井会不会产生我们需要的热能，或者产生热能会持续多长时间。在地热钻探方面，成功打出地热的井约占60%。另外，地热仅存在于全球的某些特定地区，最佳钻井地点往往位于火山活动地带。
这些问题意味着，地热在全球电力消费中只会占较小的比例，即便如此，逐一解决它们也是值得的，就像我们逐一解决汽车的安全问题一样。相关公司正在开展各种创新活动，在过去几年里，这些活动所依赖的技术进步也大大提升了石油和天然气的钻探效率。比如，有些公司研发的先进传感器有助于确定有前景的地热井的位置；有些公司采用水平钻井技术，可以更安全、更高效地开发地热资源。这充分说明，原本为化石燃料行业开发的技术，实际上也可以帮助我们实现零排放的目标。
电力存储
电池。我从没想到自己会在有关电池的知识方面投入那么多的学习时间。（我也从没想到自己会在电池类初创公司上面亏掉那么多的钱。）让我惊讶的是，锂离子电池（笔记本电脑和手机用的就是此类电池）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，但目前看来，要想找到可大幅度提升电池性能的制造材料似乎不太可能。就电池性能的提升而言，我认为可实现的是提升3倍，而不是50倍。
当然，绝对不能低估优秀的发明家。我遇到过一些杰出的工程师，他们正在研发可为一座城市存储足够电能的经济适用型电池，也就是电网级电池，而不是用于手机或电脑的小型电池。此外，电网级电池还能长时间储存电能，足可确保城市度过可再生资源的季节间歇性阶段。我很钦佩的一位发明家正在研究一种使用液态金属的电池。这背后的理念是液态金属可以快速存储和输送更多能量，如果你想为整座城市供电，这正是你所需要的。该技术已经在实验室得到验证。这位发明家的团队正在想方设法降低电池成本，使之足够经济实惠，同时验证其在现实场景中的工作状况。
另外还有一些发明家正致力于研究液流电池，即把液体存储到不同的容器中，然后通过泵送系统使液体流到一起，进而产生电力。储液容器越大，可存储的能量越多，而电池尺寸越大，其经济性就越明显。
抽水蓄能。这是一种可满足城市需求的大规模储能方式，其工作原理是：在电力便宜的时候（比如一股强风大大加快了风力涡轮机的转速），把水抽到山上的水库里，在电力需求加大的时候，再把水库里的水放出来，利用水力驱动涡轮机，使之产生更多电力。
抽水蓄能是世界上最大的电网级电力存储形式。令人遗憾的是，这在很大程度上只是说说而已。美国十大抽水蓄能设施的储能总量尚不及全国一小时的用电量。你可能会猜到这个行业还没有真正起飞的原因：把水抽到山上，需要一个储量庞大的水库，当然，还需要一座山。缺少任何一项，都是无米之炊。
多家行业公司已经在寻找替代方案。比如，一家公司正在研究能否把水以外的物体移到山上，比如卵石。另外一家公司则在研究一种不利用山体的方法：把水抽到地下，使之保持压力状态，待需要驱动涡轮机时再将水释放出来。如果这个方法奏效，那可以用神奇来形容了，因为这几乎不涉及地面设备，减少了后顾之忧。
热能存储。这背后的理念是，在电力供大于求的时候，用它加热某种材料，然后在需要更多电力的时候，再通过热机将这些热能转化为电力。使用这种方法，发电效率可达50%~60%，还是不错的。工程师知道，很多材料都能长时间保持高温且不会损失太多能量。目前，最具前景的方法是将热能存储在熔盐中，一些科学家和相关行业公司已经开始这方面的研究。
泰拉能源正在努力寻找利用熔盐的方法，如果后期能成功建厂，那么我们就不必再争用白天产生的太阳能电力。这背后的理念是，把白天产生的热能存储起来，然后在夜间（也就是在无法使用廉价太阳能电力的时候）将其转化成电力。
廉价氢气。我希望人类能在存储领域取得一些重大突破，但也可能存在这样一种情况：随着某种创新的出现，这些存储理念都会变得过时。比如，个人电脑的出现在某种程度上就让打字机变得无关紧要了。
在电力存储方面，廉价的氢气可能会扮演这一角色。
原因在于，氢气是燃料电池的关键原料之一。燃料电池从两种气体（通常是氢气和氧气）的化学反应中获取能量，而其唯一副产品就是水。我们可以用太阳能电力或风电制造氢气，再以压缩气体的形式或以其他形式将其存储起来，并置入燃料电池中，待有需求时用来发电。实际上，我们是用清洁电力制造无碳燃料，而这些燃料可以存储多年，并且随时可以重新转化为电力。这样一来，将解决前文提到的地点问题：虽然不能用轨道车运送阳光，但可以先把阳光转化为燃料，转化成燃料后，想把它运到哪儿就运到哪儿。
我们面临的问题是：目前，在零排放的情况下制造氢气的成本高昂。它不像把电力直接存储于电池中那样高效，因为你得先用电力制造氢气，再用制造的氢气发电，这意味着每一步都在损失能量。
另外，氢气是一种非常轻的气体，很难存储于常规尺寸的容器。如果对氢气进行增压处理（在同等容量的容器中充入更多氢气），它会更易于存储。但由于氢原子实在太小了，一旦受到压力，它就会透过金属迁移出去。这就好比加满了的气罐，虽然加满了，但里面的气体会慢慢逃逸出来。
最后，制造氢气的过程（即电解）还需要各种成本高昂的材料（即电解槽）。在美国加利福尼亚州，使用燃料电池的汽车已经上市，氢燃料的成本转化为每加仑汽油的价格约等于5.6美元。所以，科学家正在试验可用来制造电解槽的廉价材料。
其他创新
碳捕获。我们可以继续像现在这样用天然气和煤发电，同时可以在二氧化碳排入大气前把它吸收掉，这被称作“碳捕获和封存”（CCS），涉及在化石燃料发电厂安装特别装置，用以吸收排放物。这些排放点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，通常也只能捕获所涉及的90%的温室气体，而电力公司安装这类装置并不会给自身带来任何收益，因而使用者甚少。相关部门可以通过明智的公共政策鼓励安装碳捕获装置。关于这个话题，我将在第十章和第十一章中谈到。
前文提到过一项名为“直接空气捕获”的相关技术。正如该技术名称的隐含意指出的，该技术的作用是直接从空气中捕获碳。相比于排放点捕获技术，直接空气捕获技术更为灵活，可以在任何地方使用它。在实现零排放的道路上，直接空气捕获的作用可以说至关重要。美国国家科学院的一项研究发现，到21世纪中叶，美国每年需要消除大约100亿吨二氧化碳，而到21世纪末，这个数字是每年约200亿吨。[23]
但直接空气捕获技术面临的技术挑战远大于排放点捕获技术，主要是因为二氧化碳在空气中的浓度很低。在燃煤电厂的排放物中，二氧化碳浓度很高，约为10%，但其一旦进入大气，也就是直接空气捕获技术的应用领域，二氧化碳就会广泛分散开来。在大气中随机挑选一个分子，其是二氧化碳的概率只有1/2 500。
相关公司正在研发可以更好地吸收二氧化碳的新材料。若研发成功，这些材料将降低排放点捕获和直接空气捕获的成本，并提升它们的效率。此外，在安全捕获和存储温室气体方面，目前所采用的直接空气捕获技术需要消耗大量的能量。在不消耗能量的情况下做功是不可能的。物理定律设定了做功所需能量的最低值，但从最新的技术来看，它们所用的能量远超该最低值，因而还有很大的改进空间。
节电。我过去常常嘲讽这样一个理念：以更高效的方式使用电力会减缓气候变化。我的观点是：如果用于减排的资源有限（情况也的确如此），那么取得最大成效的方法就是走零排放之路，而不是花大力气降低对能源的需求。
到今天，我也没有完全放弃这一观点。但当我意识到用太阳能和风能发电需要用到大面积的土地时，我的立场有所动摇。就占地面积而言，在装机容量相当的情况下，太阳能发电厂是燃煤电厂的5~50倍，风电厂更是太阳能发电厂的10倍。针对实现100%清洁电力的目标，我们应当竭尽所能，增加成功的概率，但如果我们可以最大限度地降低电力需求，那么这个目标实现起来会更容易。因此，任何节电措施都是大有助益的。
这里还有一个相关方法，叫“负荷转移”或“需求转移”，即通过调整用电负荷，增强一天中用电的稳定性。如果负荷转移能够被大规模应用，那么这意味着我们日常生活的用电方式将发生重大变化。现在，我们通常是什么时候用电就什么时候发电，比如启动发电厂为城市夜间照明提供电力。然而，通过负荷转移，我们可以反其道而行之：在电价最低的时候多用电。
举例来说，家中的热水器可设定在下午4点而不是晚上7点开启加热，或者，某天你回到家就给电动车插上充电线，但要到凌晨4点才会自动充电，因为这些时段用电需求小，电价低。在工业层面，能源密集型工艺可以在电力最容易获得的时候开展作业，比如污水处理和氢燃料制造。
如果负荷转移会带来重大影响，那么我们需要在政策上做出一些调整，也需要取得一些技术进步。公用事业公司要全天更新电价，以适应供求关系的变化。举例来说，你家中的热水器和电动车必须足够智能，可依照价格信息及时调整用电时间。在极端情况下，也就是在电力特别难获得的时候，我们必须有减少需求的能力。这意味着我们要对电力分配实行配给制，优先满足最重要部门的用电需求（比如医院），并切断非必要活动的用电需求。
请记住，尽管我们需要重视所有这些想法，但在实现电网“脱碳”方面，我们可能并不需要把它们全部付诸实践。有些想法与其他想法存在重叠之处。例如，如果能够在研发廉价氢气领域取得突破，我们可能就不必过于担心如何获得神奇的电池了。
可以肯定一点，那就是我们需要一个切实可行的新电网开发计划，以确保随时获得可靠的、可负担的“零碳”电力。如果有精灵给我一个许愿的机会，让我针对影响气候变化的某种活动选一项突破性技术，那么我会选择电力领域内的突破：对实体经济领域的其他部分来说，电力在“脱碳”方面将发挥至关重要的作用。在第五章，我会讲述我们是如何生产和制造产品的，比如钢铁和水泥。
[1] 图片由盖茨家人提供。
[2] 基于IEA (2020)的数据，SDG7: Data and Projections, IEA 2020, www.iea.org/statistics. 版权所有；比尔·盖茨投资有限责任公司修改。
[3] Nathan P. Myhrvold and Ken Caldeira, “Greenhouse Gases, Climate Change,and the Transition from Coal to Low-Carbon Electricity,”Environmental Research Letters, Feb. 16, 2012, iopscience.iop.org.
[4] 该计算涉及对大坝生命周期的评估。生命周期评估是一个很有趣的领域，记录某一特定产品自生产时起至生命结束时所产生的所有温室气体。作为一个有效的工具，生命周期评估可用于分析不同技术的气候影响，但其过程颇为复杂，所以在本书中，我将把重点放到直接排放上，因为这更容易解释，而且通常也会得出相同的结论。
[5] 可再生能源部门包括风能、太阳能、地热能和现代生物燃料。bp Statistical Review of World Energy 2020, https://www.bp.com.
[6] Vaclav Smil, Energy and Civilization (Cambridge, Mass.: MIT Press, 2017),406.
[7] 图片来源：Getty Images.
[8] U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information,“Analysis of Federal Incentives Used to Stimulate Energy Production: An Executive Summary,” Feb. 1980, www.osti.gov. 煤炭和天然气补贴按2019年美元调整计算。
[9] Wataru Matsumura and Zakia Adam, “Fossil Fuel Consumption Subsidies Bounced Back Strongly in 2018,” IEA commentary, June 13, 2019.
[10] Eurelectric, “Decarbonisation Pathways,” May 2018, cdn.eurelectric.org.
[11] 可以把输电线路和配电线路分别想象成高速公路和地方道路。我们使用高压输电线路把电力从电厂输送到城市，所输送的电力会进入当地的低压配电系统，也就是街区中随处可见的电线。
[12] 风也存在季节性变化的问题。在美国，风能通常在春天达到顶峰，而在仲夏至夏末跌至低谷（加利福尼亚州是个例外，情况刚好相反），这之间的差别可能会达到2~4倍。
[13] Fraunhofer ISE, www.energy-charts.de.
[14] Zeke Turner, “In Central Europe, Germany’s Renewable Revolution Causes Friction,”Wall Street Journal, Feb. 16, 2017.
[15] 这些数字的计算方法：2019年8月6—8日，东京用电量为3 122吉瓦时。对于基载电力，我假设有540万块铁液流电池，系统寿命为20年，单位成本为3.6万美元。对于峰值需求，我假设有910万块锂离子电池，系统寿命为10年，单位成本为2.33万美元。
[16] 该模型对公众开放，要了解更多信息，请访问breakthroughenergy.org。
[17] 材料的计量单位为公吨，按每太瓦时电力生产计算。“太阳能光伏”指太阳能光伏电池板，它会将日光转化为电力。U.S. Department of Energy, Quadrennial Technology Review: An Assessment of Energy Technologies and Research Opportunities (2015), https://www.energy.gov.
[18] 该图“死亡人数/太瓦时”的数据来源：Markandya & Wilkinson；Sova cool et al.，其采用知识共享署名4.0国际许可协议（CC BY 4.0）（https://www.creativecommons.org/licenses/by/4.0）进行许可，相关内容参见https://ourworl dindata.org/grapher/death-rates-from-energy-production-per-twh。
[19] “小鹰号”航空母舰是美国海军隶下的一型常规动力航空母舰，是美国海军小鹰级航空母舰的首舰。——编者注
[20] 北海，大西洋东北部边缘海，位于欧洲大陆的西北边。——编者注
[21] U.S. Department of Energy, “Computing America’s Offshore Wind Energy Potential,” Sept. 9, 2016, www.energy.gov.
[22] David J. C. MacKay, Sustainable Energy — Without the Hot Air (Cambridge,U.K.: UIT Cambridge, 2009), 98, 109.
[23] Consensus Study Report, “Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda,” National Academies of Science,Engineering, and Medicine, 2019.
