我們能以多快的速度過渡到低碳能源系統? 位於紐約長島的32兆瓦級太陽能發電場,邁向低碳能源基礎設施的一步。 brookhavenlab / flickr,CC BY-NC

任何長期解決方案都需要“脫碳”世界能源經濟 - 即轉向使用很少或不使用化石燃料的電源。

這種情況發生的速度有多快,我們可以做些什麼來加速這種轉變?

了解其他基礎設施的歷史可以提供一些線索。

能源基礎設施

脫碳是基礎設施的問題,最大的一個人類所面臨。 它不僅涉及能源生產,而且交通,照明,采暖,製冷,烹飪等基本系統和服務。 全球化石燃料基礎設施不僅包括石油和天然氣井,煤礦,巨型油輪,管道和煉油廠,而且百萬汽車的,加油站,油罐車,油庫,發電廠,煤列車,加熱系統,爐和烤箱。


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所有這些基礎設施的總價值是 在美國10萬億$秩序,或美國國內生產總值的近三分之二。 在一年甚至幾年內,任何巨大而昂貴的東西都不會被取代。 這將需要幾十年。

然而,在所有基礎設施最終消失的事實中,有一個好消息。 一個 2010研究 問:如果現在的能源基礎設施只是被允許活出其使用壽命而不被替換,該怎麼辦?

令人驚訝的答案是:如果每一個破舊的燃煤電廠是為太陽能,風能或水力,每死天然氣為動力的汽車與一電一更換交換,等等,我們可能只是停留在我們的 行星界限.

根據這項研究,利用現有的基礎設施,直到它分崩離析不會推動我們過去2攝氏度全球變暖的許多科學家看到的可以接受的氣候變化的上限。

這個問題,當然是,我們不這樣做呢。 相反,我們有更多相同的更換破舊的系統,同時鑽探,採礦和建築,甚至更多。 但是,這可能會改變。

起飛建設:30-100年時間線

歷史學家 基礎設施 像我一樣觀察一個典型的模式。 一個較慢的創新階段之後是“起飛”階段,在此階段,新技術系統在整個地區迅速建立並採用,直到基礎設施穩定在“擴建”。

這種時間模式在所有類型的基礎設施中都非常相似。 在美國,運河,鐵路,電報,輸油管道和鋪設道路的起飛階段 持續了30-100年。 收音機,電話,電視的起飛階段和各個互聯網 持續了30-50年.

基礎設施的歷史表明,“起飛”,在可再生能源電力生產已經開始,現在將非常迅速,尤其是在何時何地政府支持這一目標。

太陽能和風能發電裝置目前出現比其他任何電源更快,全球每年的速度增長 50%和18%分別來自2009-2014。 這些來源可以在現有的基礎設施,抽成的電力電網(捎帶雖然他們間歇性的電力生產需要管理者調整 負載平衡技術)。 但風能和太陽能也能提供電力“離網”,以個人家庭,農場和偏遠地區,給這些源的獨特的靈活性。

 

一些國家,特別是德國和中國,對可再生能源作出了重大承諾。

德國現在得到 超過25%的可再生能源電力,幫助減少其總碳排放量 超過25% 相對於1990。 中國已經比其他任何國家生產更多的太陽能電力,其安裝基數超過30千兆瓦併計劃達到 43萬千瓦到今年年底。 在2010 2015和澳大利亞之間,太陽能光伏發電容量增長 從130兆瓦到4.7千兆瓦 - 96的%的年均增長速度。

結合電動汽車,高效LED照明以及地熱供暖和製冷等互補技術,這種轉變可以使我們更接近碳中和。

30-100年的基礎設施發展時間表能否加速? 一些指標表明答案可能是“是”。

首先,在電力的情況下,只需要更換電源; 電網 - 電線,電線和其他傳輸電力的設備 - 必須以不同的方式進行管理,但不能從頭開始重建。 其次,欠發達國家可能利用可再生能源技術來“跳過”幾乎完全超過舊的基礎設施。

最近發生過類似的事情。 例如,自從2000以來,蜂窩電話網絡已經到達了大多數發展中國家 - 同時避免了緩慢而昂貴的弱勢固定電話鋪設,許多這樣的地方現在永遠不會在主要城市之外建設。

能源並行為建築物,農場,非正規住區和其他需求點提供便攜式太陽能電池板和小型風車,幾乎可以安裝在任何地方,無需長途電力線。 這也正在發展中國家發生。

在發達國​​家,但是,可再生能源過渡可能相當長的時間。

在這些地區,不僅設備,而且專業知識,教育,金融,法律,生活方式和其他社會文化系統都支持和依賴基於化石燃料的能源基礎設施。 這些也必須適應變化。

一些人 - 特別是巨大的煤炭,石油和天然氣工業 - 在這樣的轉型中會失去很多。 正如我們今天在美國看到的那樣,這些歷史承諾產生了堅定的政治抵抗。

棘手的問題,包括競爭來自化石燃料

當然,能源基礎設施並非唯一的挑戰。 實際上,脫碳充滿了巨大的技術難題。

絕緣舊樓,提高燃油經濟性,並安裝更高效的電子齒輪是迄今 減少碳足蹟的最具成本效益的方法,但這些不能激發人們的興趣,也不會輕易搞砸。

目前和可預見的未來,沒有能源可以真正“零碳”,因為化石燃料驅動的設備用於開採原材料和運輸成品,包括可再生能源系統,如太陽能電池板或風力渦輪機。

電力是能源的一個奇妙的靈活形式,但其存儲仍然是一個難題; 今天的 最好的電池技術 需要鋰,比較稀有的元素。 儘管深入的研究,電池依然昂貴,沉重,緩慢充電。

稀土 - 在極少數地方發現的極為罕見的元素 - 目前對風力渦輪機和其他可再生技術至關重要 對未來供應的合理擔憂.

最後,在許多情況下,燃燒石油,煤炭和天然氣仍將是最簡單和最便宜的供電方式。

例如,橫貫大陸運輸,航空旅行和長途貨運等主要運輸方式仍然很難轉換為可再生能源。 生物燃料為減少這些運輸系統的碳足跡提供了一種可能性,但許多作為生物燃料原料種植的植物與糧食作物和/或野生土地競爭。

儘管如此,從可再生資源中提供全世界所有能源需求的最終目標在原則上似乎是可行的。 一個 最近的主要研究 發現這些需求可以很容易地只用風能,水能和太陽能發電來滿足,在居民消費價格不超過目前的能源系統更高。

基礎設施作為社會承諾

所有這些都讓我們留在了巴黎之前?

僅靠技術創新無法實現加速脫碳,因為基礎設施不僅僅是技術系統。 它們代表了相互加強的金融,社會和政治承諾的複雜網絡,每個承諾都有悠久的歷史和根深蒂固的維護者。 因此,重大變革將需要大量的文化轉變和政治鬥爭。

在文化方面,一個可以激發加速變革的口號可能是“能源民主“:人們可以而且應該在家里和其他地方小規模地生產自己的能量這一概念。

新的建築技術和太陽能電池板的低成本使普通人的財務範圍內的“淨零”住房(產生的能量與居民消費一樣多)。 這些是德國野心勃勃的一個組成部分 Energiewende或國家的 能源轉型 遠離化石燃料。

在基礎設施歷史上,當新技術從大型企業和政府環境中移出以供個人和小企業採用時,起飛階段往往加速。 20世紀早期的電力和1990中的互聯網使用就是一個例子。

在澳大利亞昆士蘭州,超過20%的家庭現在可以自己發電。 這個例子表明,在某些地方已經達到了一種新的屋頂太陽能社會規範的“臨界點”。 事實上,一個 最近的一項研究 發現一個給定的房主是否增加了太陽能電池板的房子最好的指標是鄰居是否已經有了他們。

件一個謎

許多不同的政策方法可以幫助,既降低消耗,增加在能源結構可再生能源的份額。

建築法規可以逐步調整到要求每個屋頂產生能量,和/或逐步加大了對 LEED“綠色建築”標準。 逐步增加碳稅或限額與交易制度(已經到位) 在一些國家)將促進創新,同時減少化石燃料消耗並促進可再生能源的使用。

在美國,至少,消除了許多 目前流入的化石燃料補貼 可能在政治上比徵稅碳更容易,但發出類似的價格信號。

奧巴馬政府的 清潔電力計劃 減少燃煤電廠的碳排放量是一種正確的政策變化。 它逐漸開始為公用事業公司提供時間來調整和仍然新生的碳捕獲和存儲系統的開發時間。 美國環保署估計該計劃將產生20億美元的氣候變化效益,以及14- $ 34十億美元的健康效益,同時成本更低。

由於溫室氣體排放有許多來源,包括農業,畜牧業,製冷劑和森林砍伐(僅舉幾例),有很多不是轉換為可再生能源更脫碳全球經濟。

本文只解決了一件很是大難題,但基礎設施的角度來看可以幫助我們思考這些問題為好。

基礎設施歷史告訴我們,脫碳不會像我們希望的那樣快。 但它也表明,有很多方法可以加速變革,並且當很多事情發生得非常快時,就會出現臨界點。

我們可能會在這樣一個時刻的邊緣。 由於巴黎氣候談判制定,尋找靈感在許多國家承諾向前推動這一進程。

關於作者談話

保羅·愛德華茲Paul N Edwards,密歇根大學信息與歷史教授。 他撰寫並講授知識和信息基礎設施。 Edwards是“大型機器:計算機模型,氣候數據和全球變暖政治”(麻省理工學院出版社,2010)和“封閉的世界:冷戰時期的計算機和話語政治”(麻省理工學院出版社,1996)的作者,以及改變大氣層:專家知識和環境治理(麻省理工學院出版社,2001)的共同編輯,以及許多文章。

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