我们真的可以停止使用化石燃料吗？

今年 7 月，当 Dawn Lippert 在家乡檀香山的海滩上冲浪时，一块不听话的冲浪板突然飞起，击中了她的两眼之间。这本来可能是致命一击。但 Lippert 曾是高中足球冠军，十年前刚从耶鲁大学毕业，在州政府开始摆脱化石燃料时担任能源顾问，开始冲浪，她拥有坚韧不拔的运动天赋。当这块冲浪板的主人将她划上岸时，她设法稳住了自己。到达医院后，她两眼之间缝了 12 针，一排护士都担心她。她的未婚夫 Brody 解释说，他们的婚礼还有几个星期就要举行了。“哦，亲爱的，”一位护士咯咯笑着说，“这可不是什么好事。”面对艰难的处境和痛苦的遭遇，Lippert 总是耸耸肩，这是她一贯的做法。 “我很庆幸那不是我的眼睛，”她回忆道。人们很容易根据一件轶事就对一个人下结论。但利珀特是一个真正的乐观主义者。这是件好事，因为随着全球变暖，人类正朝着自己造成的灾难冲去，她是创新大军中的一员，他们相信自己可以帮助我们其他人摆脱全球变暖。利珀特之所以在夏威夷，是因为这里是行动的源头。2015 年，这个群岛州成为第一个通过法律要求其公用事业公司 100% 使用可再生能源发电的州。最后期限：2045 年。利珀特目前正在支持数十家公司，以帮助该州实现其激进的目标。利珀特是西雅图本地人，也是 Elemental Excelerator 的首席执行官。这是一家非营利性加速器，旨在发现、资助和培育尚不成熟的技术，她希望这些技术可以消除我们对化石燃料的依赖。她寻找的是那些突然灵光一现的创新者！她看到了我们其他人忽视的东西。“如果这些技术成功了，”她说，“它们将影响十亿人。它们将改变世界。”

但首先，她必须帮助改变夏威夷。挑战很多。该州的公用事业联盟夏威夷电力公司必须协调该州八个岛屿上其他公用事业公司的工作。在利珀特等私营企业的帮助下，它必须开发诸如电池支持的住宅屋顶太阳能技术、电压平滑逆变器、风力发电场、聚合需求响应软件和峰值转移电动汽车充电等技术。到目前为止，它已经实现了 27% 的可再生电力。

利珀特和她的团队已经组建了一个令人印象深刻的公司组合，涉及能源存储、微电网硬件、用于提高能源效率的机器学习软件等领域，以完成剩下的工作。在成立的五年里，Elemental 已向来自世界各地的 63 家初创公司颁发了 2200 万美元的奖金，并在夏威夷建立了 35 个示范项目。它还吸引了强大的盟友为其资金捐款，包括美国海军（每年提供 600 万美元）、美国能源部、国际电力公司和 Emerson Collective，后者是由已故史蒂夫·乔布斯的妻子劳伦·鲍威尔·乔布斯运营的投资和慈善平台。

大陆正在密切关注夏威夷州的试验，因此也关注利珀特的一些新奇解决方案，因为全面采用绿色技术已经吸引了能源专家、规划人员和政策制定者的关注。“每个人都在关注夏威夷，”斯坦福大学的大气科学家、该运动的学术教父马克·雅各布森 (Mark Z. Jacobson) 说。“每个人都想看看谁会成为第一个使用 100% 可再生能源并以低成本保持电网稳定的人。”

直到 10 年前，美国只有不到 10% 的发电量来自可再生能源，而且其中大部分来自西部和西北部的大型水坝。但人们对未来的担忧日益增加，风能和太阳能成本的暴跌，正在重塑公用事业的格局。2016 年，超过一半的新增发电量来自天空和风能。即使在红州也是如此，那里许多人不相信气候变化的科学性。对一些人来说，我们似乎可以在一代人的时间内真正摆脱对石油和天然气的依赖。十年前这还只是个书呆子的梦想，如今已发展成为一场运动。政客们纷纷加入其中，承诺他们的当地将迎来一个完全绿色的未来。截至去年，已有 47 个美国城市加入了这场斗争，包括亚特兰大、盐湖城和圣地亚哥等主要人口中心。

当然，并非所有人都对此感到高兴。化石燃料倡导者警告称，这是一个非常严峻的挑战。“医院、污水处理、清洁水、工业生产、通信网络、iPad 等都需要大量能源，”宾夕法尼亚州能源律师兼顾问、水力压裂和天然气的著名支持者迈克·克兰瑟 (Mike Krancer) 表示。“这些能源不会 100% 来自可再生能源——现在不会，将来也不会。”即使是一些支持风能、太阳能和水力发电的人也认为，完全依赖这些能源是个坏主意——即使对于一个小岛国来说也是如此。“如果你想拥有负担得起的能源和可靠性，这是一个绝对无法实现的目标，”莱斯大学能源与环境倡议执行主任、奥巴马总统前化石能源助理部长查尔斯·麦康奈尔 (Charles McConnell) 表示。

但利珀特喜欢的论点是“永不放弃”。她坐在檀香山的一个公园里，带着新企业家去那里接受培训，她说 Elemental 今天支持的技术将有助于创造一个绿色能源的未来，这不仅是可能的，而且是不可避免的。“市场已经为这些解决方案做好了准备，”利珀特站在一棵猴面包树下说。“我们的角色是现在投资，这样他们就能进一步、更快地扩大规模。”

夏威夷群岛距离最近的大陆有 2500 英里，在历史上的大部分时间里，这里都拥有能源。几个世纪以来，当地人都用夏威夷州树的果实——夏威夷果树油来点灯。1887 年，他们成功为皇家伊奥拉尼宫通电——比华盛顿特区为白宫通电早了四年。

美国式的现代主义改变了这一现状。随着人口的增长，对耗电设施的需求也随之增长。就在 15 年前，夏威夷每年 90% 的燃料都来自进口，价值 50 亿美元。尽管当地居民的用电量低于全国大部分地区，但当地家庭的平均电费大约是大陆的四倍。

形势变得如此严峻，以至于该州在 2008 年设定了一个目标，即到 2030 年通过可再生能源和节能节约（如更严格的建筑规范）实现 70% 的清洁能源使用。当时在华盛顿特区博思艾伦汉密尔顿公司担任顾问的利珀特是飞来制定计划的专家之一。该计划呼吁使用太阳能和生物燃料，同时也设想在莫洛凯岛和拉奈岛等人口较少的小岛上建立大型风力发电场，并通过深海电缆与拥有近 100 万居民和每年 900 万游客的瓦胡岛相连。

时机恰到好处。廉价的中国太阳能电池板和夏威夷的阳光使住宅屋顶太阳能发电量从预计的 23 兆瓦增加到 343 兆瓦。在准备阶段，州长尼尔·阿伯克龙比 (Neil Abercrombie) 推动新建液化气工厂。绿色能源的支持者们则进行了反击。他们要求通过一项法律，要求全州只使用可再生能源，以防止倒退。

那时，这个想法已经在大陆学术界扎根。就在几年前，即 2009 年，马克·雅各布森 (Mark Z. Jacobson) 帮助撰写了一篇开创性的论文，发表在《科学美国人》上。该论文从数学上挑战了化石燃料支持者的经典论点：可再生能源过于昂贵且不可靠；它们的功率不足以满足工业生产需求；为了从风能和太阳能中获取足够的能源，我们必须在大片土地上安装风力涡轮机或太阳能电池板。

去年，雅各布森为美国和其他 138 个国家制定了到 2050 年实现 100% 可再生能源的路线图。他的计算机模型表明，完全绿色发电可能比今天的电网更便宜、更可靠——前提是我们优先考虑储存。除了锂离子电池，他还呼吁使用抽水蓄能（利用中午的太阳能将水抽上山，然后在需要时释放以驱动山下的涡轮机）、现有的水力发电站和地下热能储存 (UTES)，即把热水泵入洞穴、挖出的坑或地面上的钻孔。然后，热量被储存在周围的土壤中，有时储存在石头中，每天、每周甚至每季储存一次，并在需要时为建筑物供暖。

今年 6 月，21 位学者和能源研究人员（其中许多人支持可再生能源）驳斥了雅各布森最初的假设，认为这些假设纯属妄想。他们认为，雅各布森的理论要求我们建造足够的能源储存设施，以提供整个国家电网 2.5 倍的电力容量：4 万亿千瓦时。其中几乎所有的能源储存设施都将由尚未实现商业规模的 UTES 技术组成。但作者们的潜在担忧同样是政治性的。他们担心反对者可能会利用雅各布森的孤注一掷策略来削弱任何绿色技术在电网中的作用。尽管太阳能在过去十年中每年增长 68%，但它仍然只占我们电力的 1% 左右。雅各布森已起诉该研究的主要作者诽谤。

当大陆学者、党派人士和政客们就绿色运动展开辩论时，太平洋中部已经开始了绿色航行。“显然，在我们的岛屿社区，我们更加意识到气候变化、全球变暖和海平面上升的影响，”夏威夷州长大卫·伊格去年六月表示。“我们的所作所为影响着我们的环境，因为我们知道领导力可以从家里开始。”他总结道，“如果这件事对我们来说足够重要，我们夏威夷人可以发表声明，领导世界。”

Elemental 的开放式工作空间位于檀香山市中心的一座高层建筑内，是一个让人感觉良好的地方，装饰着来自世界各地的年轻企业家的微笑照片。这里的氛围很悠闲。这在加速器中很不寻常，原因有几个，但最明显的是，19 名员工中除了 5 名以外都是女性，而且大多数是 20 多岁和 30 多岁的女性。在启动会议上，Lippert 会召集公司领导，了解最新情况和提供支持，同时也会进行娱乐活动，比如在海滩野餐，每个人都会参与将芋头捣碎成当地美食 poi 的传统艺术。她经常会把这些热情的新人组织成一个圆圈，让他们把手伸进去，然后进行欢呼。

她的组织之所以独特，还有另一个原因。这是一家投资商业技术的非营利组织。因此，它通常只要求获得一家公司足够的股份，这样如果该公司成功，Elemental 就可以分享收益，为更多的科技梦想家提供资金。在 Lippert 和她的选拔团队每年资助的十几家公司中（从大约 450 名申请者中），所有公司都必须解决夏威夷的一个特定能源障碍，并提出一个有朝一日可以在更大规模上奏效的解决方案。除了高达 100 万美元的资金外，Elemental 还为公司提供了一个机会，让他们创建一个州内试点项目，以测试他们的技术以及他们是否能赚钱。

乍一看，在这里发电似乎很容易。该州的八个岛屿资源丰富：阳光、信风和一座活火山，大岛约 30% 的电力来自地热。但负责监督过渡的公用事业官员 Colton Ching 表示，即使该州将每一块合适的土地都用于公用事业规模的风能和太阳能，它仍将使拥有该州三分之二多一点人口的瓦胡岛“满足其能源需求的 70% 多一点”。

因此，利珀特的企业家们想要提供的其中一件事就是另外 30%。她带我去了瓦胡岛北岸外的一座山坡，一家名为 TerViva 的公司在那里种植了 50 英亩的令人惊叹的水黄皮树。这种树原产于东南亚和印度，有宽大的绿叶，长着茂密的花簇。这些花簇长成豆荚，里面有富含油的种子，可以加工成可再生燃料。

“生物燃料”这个词让一些人感到不快，因为玉米乙醇的失败：占用大量土地，对土壤要求高，而且价格相对昂贵。但水皮既便宜又对土壤友好。燃烧一加仑由其种子制成的燃料产生的能量几乎与一加仑柴油相当。它是一种罕见的豆科树；它向土壤中释放的硝酸盐比从土壤中吸收的多。当然，这些树不断从空气中吸收二氧化碳。由于它们的作物是种子，所以不需要砍伐这些植物，也不需要耕种土壤。瓦胡岛的一些发电厂可以燃烧未经加工的水皮油。TerViva 已将这种油转化为生物柴油，甚至制成符合飞机发动机规格的喷气燃料。

将树荚变成飞机燃料是个不错的技巧。真正的挑战是让可再生能源保持稳定，因为这些可再生能源会随风和云层的变化而变化。依赖风力发电的房主不希望看到闪烁的灯光，这代表着电网在几秒钟内从一个电源断电，然后又急忙用另一个电源来代替。未来的网络必须从这些间歇性电源中输送电力，而不会丢失任何一个电子。

劳斯莱斯前高管丽莎·劳格纳 (Lisa Laughner) 和她的公司 Go Electric 正在努力解决这个问题。在 Elemental 的支持下，她的团队在瓦胡岛的美国太平洋司令部所在地史密斯营安装了硬件和软件。这些设备可以精确到毫秒地监控电力流动模式，并帮助控制营地高度安全的 5 兆瓦微电网，该微电网集成了柴油发电机和太阳能。

但任何可再生能源的未来都必须包括可靠的储存，以便储存风能和太阳能产生的剩余电力，然后根据指令释放。到目前为止，电网运营商已经找到了两种解决方案。一种是电池中的储存类型。另一种依赖于事实上的储存：智能设备控制电器的电力需求，在高峰生产和高峰需求时间之间进行调解。利珀特和她的团队正在研究这两种解决方案。在第二个领域，他们支持一家名为 Shifted Energy 的公司。

Shifted 已将其电网互动设备改装到 Kapolei Lofts（一个经济适用房综合体）的热水器上。白天，当电网中太阳能过剩时，这些设备可以打开热水器（此时很少有人在家使用热水器）预热水以供晚上洗澡。通过为 1,000 个热水器配备这些设备，Shifted 估计它可以从过剩的太阳能中创造高达 3 兆瓦时的储能。

房东喜欢这个项目，因为它可以节省电费。政府喜欢它，因为它让不太富裕的人参与到可再生能源革命中。公用事业公司喜欢它，因为它有 3 兆瓦的电力——足以为 1,000 户家庭供电——它不必在晚间高峰需求期间生产和输送。

热水器并不是 Lippert 的储水替代品库中唯一的工具。自工业革命开始以来，各公司一直使用金属飞轮作为原始储水设备。金属飞轮是一种重型旋转盘，在旋转过程中会保留动能。但由于其重量（100 磅或更重）和轴承摩擦力，它们通常只能提供几分钟的应急供水。但这种情况可能会随着 Elemental 投资的 Amber Kinetics 公司而改变。

2009 年，加州大学洛杉矶分校工程系毕业生 Edward Chiao 与加州大学伯克利分校教授 Seth Sanders 联手创立了 Amber 公司，Seth Sanders 自 1990 年代起便开始研究飞轮。他们共同建造了一个真空密封容器，并在容器内部的磁铁下方放置了一个 5,000 磅重的钢盘。磁铁可防止飞轮对滚珠轴承施加过大的向下力并使其减速。白天的太阳能可使飞轮旋转，日落之后，飞轮可释放高达 32 千瓦时的电力（足以为美国普通家庭供电一天）。理论上，飞轮可以扩大规模，释放数百兆瓦的电力长达四小时，足以满足夜间高峰用电需求。Amber 正在夏威夷电力公司测试其飞轮，以评估其在缓解瓦胡岛白天太阳能过度饱和方面的可靠性和成本效益。夏威夷电力公司发言人 Peter Rosegg 表示，该公司对这种储能以及所有形式的储能持开放态度。该公司计划未来电动汽车电池能够在需求转变中发挥巨大作用。

夏末时节，我和利珀特正在穿过檀香山市中心。阳光明媚，气候自然而然的乐观气氛让人感到压抑。利珀特正在为培训一批新企业家的三周工作做准备，她将与他们一起唱卡拉 OK 到凌晨 2 点。现在，她精神焕发，热情高涨。我问她，把工作量做到 100% 有什么意义。做到 70% 就够了，剩下的就让天然气来处理吧？她承认，最后 30% 比前 30% 难得多，但她认为无论如何，努力都是值得的。“不这样做有什么危险？”她说。“不这样做的风险大于这样做的风险。”

她指出，夏威夷已经证明怀疑论者是错误的。可再生能源的使用率从 2008 年的 8% 跃升至 2017 年的 27%。此外，该州还制定了积极的计划，将在不久的将来再推出 400 兆瓦的风能和太阳能。根据这一速度，夏威夷电力公司最近发布了一份报告，估计它将比法律规定的时间提前五年，即到 2040 年实现 100% 的目标。

这一前景基于一些未经证实的假设。例如，展望 20 年，夏威夷州的电力计划表示，将使用固定在海底的浮动涡轮机获得数百兆瓦的海上风电。这种做法尚未在任何地方以可承受的规模实现，但夏威夷对这项新兴技术有足够的信心，将其纳入其中。

与其他 100% 使用可再生能源的地方一样，夏威夷州也大力发展电动汽车作为其未来的交通方式。汽车电池将在太阳能高峰时段从电网中获取多余的能源，并在晚上需要时将其返回电网，发挥关键作用。夏威夷的电动汽车普及率位居美国第二，但仍低于 1%。

五年后，利珀特可以宣称，少数几家公司正在实现商业可行性。Go Electric 在史密斯营签订的智能微电网合同非常成功，以至于它赢得了密歇根州陆军卡斯特堡训练基地和犹他州图埃勒陆军仓库的类似工作。另一家公司 Stem 使用学习软件为学校和企业自动实现能源储存节约，并为公用事业提供电网服务，它在瓦胡岛拥有 29 个客户，并且正在向加利福尼亚州拓展客户。

当然，并非全州所有的技术都具备便携性。可再生电力非常需要根据当地的自然资源量身定制。这些小火山岛之外的地方已经找到了解决方案。地热资源丰富的冰岛和水力资源丰富的挪威多年来一直保持着近 100% 的发电率。在风力强劲的德克萨斯州丹顿，官员们预计到本世纪末，该市将完全使用风能和太阳能发电。佛蒙特州伯灵顿是美国第一个宣称 100% 发电率的城市，它燃烧当地的木屑作为燃料，并从河流和水坝中获取大量水力。许多其他城市也取得了重大进展；拉斯维加斯表示，其所有市政建筑现在都使用太阳能发电。

所有这些努力似乎都在问，为什么我们注定要从地下挖出恐龙，然后烧掉它们来让我们的汽车行驶，让我们的烤面包机发出声音？大约 150 年前，没有人想到我们可以将阳光转化为电能；然后在 1876 年，有人发现硒在光照下就能产生这种效果。太阳能在社会的边缘徘徊了一个世纪，直到人类有意愿让它变得经济实惠、高效。但一旦发生这种情况，太阳能的崛起就像一夜之间成为摇滚明星——在短短十年内从 YouTube 上的装腔作势者变成了体育场的焦点。

利珀特相信还有其他超级明星。对她来说，一个简单的飞轮，经过一些巧妙的调整，可能会变成一种能量，这一事实令人兴奋不已，超出了任何人的想象。“人们根本不知道飞轮是一种解决方案，”利珀特告诉我。“它就是那么未知。这就是让我兴奋的地方。”

太阳能电池板在夏季能产生大量能源。冬季则不然，尤其是在北方地区。如果我们打算全力使用可再生能源，储存能源以备日后使用是关键。地下热能储存使工程师能够收集多余的能源，将其分流到地下，并无限期地储存在那里。

现有的洞穴、地下岩石，甚至是人造洞穴都是储存果汁的理想地点。这个过程相当简单：
屋顶（例如车库）上的太阳能电池板为充满乙二醇（一种用于防冻的导电有机化合物）的管道加热。热乙二醇被输送到能源站，在那里将热量传递给水。一些加热的水流入管道，流向附近的家庭，提供热水淋浴。多余的热量被直接输送到长期储存中，数百根管道位于深达 120 英尺的钻孔中。热水流过这些管道，将地球加热到大约 175 度，冷却下来，然后返回能源站，重复这一过程。由于地球保留了热量，它可以在冬天将热量返回到水管中。

Leslie Kaufman 是 PopSci 的常驻撰稿人，撰写有关气候变化和可再生能源的文章。

本文原刊登于《大众科学》杂志2018年1/2月号Power期刊。