风能和太阳能发电正以前所未有的速度在全球扩张，让更多人能够以前所未有的方式使用清洁可再生能源供电。这是个好消息。
还有更好的消息：我们还能做得更多。通过投资能源创新，我们可以在部署可再生能源等现有技术所取得的进展基础上继续前进，从而加快摆脱化石燃料、迈向可靠且价格可负担的无碳能源未来的转型。
这将是一项了不起的成就，也是我们为防止全球变暖造成最严重影响所能采取的最重要一步。
原因如下：发电是导致气候变化的最大单一因素，造成全部温室气体排放的25%，而且排放量还在逐日增加；但与此同时，发电也是解决方案中更重要的一环。借助清洁电力，我们不仅可以照亮家园、为电网供电，还能释放无碳能源，助力经济中产生其余75%的温室气体排放的行业脱碳，包括交通、建筑和制造业。想想电动汽车和公交车、家庭和企业中零排放的供暖与制冷系统，以及使用更多清洁电力生产产品的高能耗工厂。
那么，要实现无碳发电这一目标，需要做些什么？
我们必须解决两项挑战。第一项挑战并不意外：我们需要进一步利用太阳能和风能。得益于太阳能板、风力涡轮机和其他技术的价格下降，部署可再生能源系统比以往任何时候都更经济。
第二项挑战或许不那么显而易见，也更加困难。我们需要在相关技术上取得重大突破，以便即使在无风、阴天和夜间，也能向电网供应清洁能源。
通常，人们会用天然气等化石燃料为可再生能源提供备用电力，以便在需要时快速、可靠地供电。然而，要实现零碳排放，我们必须找到办法，让更多清洁能源成为备用能源。
我希望这个问题能有一个单一的灵丹妙药式解决方案，但目前还没有。未来几年，我们需要多样而灵活的能源解决方案组合——一套能源工具箱，像瑞士军刀一样多用途——来支持可再生能源发电，满足我们的需求。其中一些零碳解决方案已经存在，另一些则需要更多创新。它们都能帮助我们转向低成本的无碳能源。美国各州中，越来越多的州正在采用100%无碳电力标准，这表明它们已经认识到这一点。
以下是实现清洁电力转型所需的三项关键解决方案：
1. 改进储能系统：太阳能和风能是极佳的能源。我们需要解决的一项重大挑战，是找到办法储存这些能源，以便在日落、风停后继续使用。我们确实已有一些可以储能数小时的方法，例如锂离子电池，而且成本每年都在下降。
但我们还没有可靠且广泛适用的方法，能够将可再生能源储存数天、数周或数月。我们需要为季节变化做好准备（冬季白昼较短），也要应对更糟的情况，例如连续数周或数月阴云密布或无风。
幸运的是，人们正积极开动脑筋，创造性地解决这些挑战。我投资了一家名为突破能源创投（BEV）的机构，该机构支持多家公司探索储存无碳能源的方法。以下是一些关键创新领域：
水力：目前最常见的储能形式是抽水蓄能，它利用电动机将水抽至高处的水库。水从水库放出时顺流而下，通过水力涡轮机发电。这种方法面临的挑战是，只适用于同时有高海拔和低海拔地形的地区。一家名为Quidnet Energy的新公司获得了BEV的支持，正在尝试一种成本更低、可在平坦地区建造的不同方案。Quidnet的系统利用可再生能源将水抽入地下井，形成巨大压力。需要能量时，释放压力，将水沿井向上推并通过涡轮机发电。
电池：笔记本电脑、手机或电动汽车中常见的锂离子电池，是增长最快的储能解决方案之一。但它们最适合短时储能。Form Energy是一家由BEV支持的公司，正在研发新一代电池，能够以低于锂离子电池的成本提供长时储能。
热储能：热能储存技术有望为电网提供灵活、可靠的备用电力。储热最有效的方法之一是使用熔盐。Malta, Inc.是一家BEV投资的公司，已开发出一种像热泵一样运行的熔盐热能技术。可再生能源以热能形式储存在熔盐中。在放电模式下，系统作为热机运行，利用热量发电。
零碳燃料：此外，还有其他令人振奋的潜在储能方案，包括利用风能和太阳能生产的无碳能源燃料，这些燃料可以再转化为电力，也可以用于帮助其他行业脱碳。
2. 碳捕集与封存及核能：我常听人说，成本更低的风能和太阳能，加上正在涌现的储能突破，足以让我们建成无碳电网。但世界必须在消除碳排放与经济增长之间取得平衡，因此我们也应考虑哪些解决方案最经济实惠。一项近期研究由麻省理工学院（MIT）的研究人员开展，研究发现，将核能、碳捕集与封存（CCS）等多种清洁能源解决方案结合起来，为可再生能源提供支持，可使无碳电力成本比单独使用可再生能源最多降低62%。
核能已经是无碳电力来源，约占全球发电量的10%。它也能作为非常可靠的清洁能源，与可再生能源互补。但高成本和安全方面的担忧阻碍了核能发展。通过核能创新，我们可以打造新一代核能技术，使其更安全、产生更少废料且成本更低。
有几种核能技术值得探索。其中之一来自我协助创办的一家公司，名为TerraPower。该公司采用一种名为行波堆的技术，安全可靠、能够防止核扩散，而且产生的废料极少。要让这些创新成为现实，各国政府——尤其是美国政府——需要加大力度，为核能研究提供新的资金，并表明核能拥有未来。
另一种获得无碳电力的方式是碳捕集、利用与封存：从能源设施的废气中分离并永久封存二氧化碳污染物，避免其进入大气。这项技术在可再生能源潜力不足的地区尤为重要；如果退役并替换现有发电厂成本过高，这项技术也很重要。
3. 高压远距离输电线路：风能和太阳能等可再生能源资源通常远离能源需求最大的城市或工业区。要将可再生能源供应与需求连接起来，我们需要建设能够远距离输送大量电力的输电线路。高压直流（HVDC）输电技术有助于将可再生能源接入全球电力供应；与之相对的是交流输电线路，目前美国大多数电网都使用交流输电。扩建HVDC线路不仅需要对电网进行新的投资，还需要国家和地方出台支持其建设的政策。美国能源部国家实验室开展的研发工作，例如太平洋西北国家实验室和国家可再生能源实验室的工作，正为我们设计、建设和运营21世纪电网奠定基础。
气候变化及应对之道很容易让人感到不知所措。例如，去年全球温室气体排放量再次上升，这又一次提醒我们：如果想避免地球变暖带来的最坏情形，就必须迅速采取行动。
不过，随着我了解到应对这一挑战的各种新思路，我对未来仍抱有乐观态度。我相信，只要结合适当的解决方案——包括现在就能部署的方案和未来可以实现的新创新——我们就能开辟通往无碳能源未来的道路。
