去年七月，当 Dawn Lippert 在她家附近的檀香山海滩冲浪时，一块失控的冲浪板弹起，重重地打在了她的眼睛上。这本可能是一记致命的重击。但 Lippert，一位曾是高中足球冠军的运动员，十年前来到这里后便开始学习冲浪——她刚从耶鲁大学毕业，并担任州能源顾问，协助该州开始摆脱对化石燃料的依赖——她拥有非凡的运动天赋。她设法稳住了自己，随后，那位肇事冲浪板的主人歉意地将她划回了岸边。到达医院后，她接受了 12 针缝合，针脚蜿蜒在她眉心之间，并迎来了一群关切的护士。她的未婚夫 Brody 告诉她，他们的婚礼就在几周后。“哦，亲爱的，”一位护士感叹道，“这可不太好看。” 像往常一样，面对严峻的挑战和令人沮丧的遭遇，Lippert 并没有在意。“我只庆幸没有伤到眼睛，”她回忆道。人们很容易根据一个轶事来判断一个人。但 Lippert 是一个真正的乐观主义者。这很好，因为随着世界变暖，人类正飞速奔向一场自己造成的灾难，她是一个创新者大军中的一员，他们相信自己能帮助我们所有人摆脱全球变暖。Lippert 在夏威夷，因为这里是行动的中心。2015 年，这个群岛州率先通过立法要求其公用事业公司 100% 的电力来自可再生能源。截止日期：2045 年。Lippert 目前正在支持数十家公司，以帮助该州实现这一宏伟目标。Lippert 是西雅图本地人，现任 Elemental Excelerator 的首席执行官。这是一家非营利性的加速器，致力于寻找、资助和培育那些她希望能够帮助我们摆脱化石燃料依赖的萌芽技术。她寻找那些有过“尤里卡！”时刻的创新者，他们看到了别人忽视的东西。“如果这些技术能够成功，”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。该州公用事业联合会 Hawaiian Electric Companies 必须协调该州八个岛屿上其他公用事业公司的努力。在 Lippert 等私人参与者的帮助下，它必须开发诸如带有电压平滑逆变器的电池储能家用屋顶太阳能技术、风力发电场、聚合需求响应软件以及削峰填谷的电动汽车充电等技术。到目前为止，可再生电力发电量已达到 27%。
Lippert 和她的团队已经组建了一个令人印象深刻的公司组合——涵盖能源储存、微电网硬件、能源效率机器学习软件等领域——以实现剩余的目标。在其五年间，Elemental 已向来自世界各地的 63 家初创公司投资了 2200 万美元，并在夏威夷完成了 35 个示范项目。它还吸引了强大的盟友为其资金库添砖加瓦，包括美国海军（每年提供 600 万美元）、美国能源部、国际电力公司以及已故史蒂夫·乔布斯妻子 Laurene Powell Jobs 运营的投资和慈善平台 Emerson Collective。
美国本土正在密切关注该州的实验，以及 Lippert 的一些创新解决方案，因为实现完全的绿色技术已经吸引了能源专家、规划者和政策制定者的目光。“每个人都在关注夏威夷，”斯坦福大学的大气科学家、该运动的学术鼻祖 Mark Z. Jacobson 说，“每个人都想看看谁能成为第一个以低成本稳定运行 100% 可再生能源电网的。”
直到 10 年前，美国的电力生产能力中，可再生能源的占比还不到 10%——其中大部分来自西部和西北部的大型水坝。但对我们未来的日益担忧，以及风能和太阳能发电成本的暴跌，正在重塑公用事业格局。2016 年，新增电力生产能力中，有一半以上来自天空和风。即使在那些不相信气候变化科学的“红色州”，也同样如此。在一些人看来，我们似乎真的可以在一代人内摆脱石油和天然气。十年前还是一个书呆子的梦想，如今已发展成一场运动。政客们纷纷加入，承诺他们的地区将全力拥抱绿色未来。截至去年，已有 47 个美国城市加入了这场战斗，其中包括亚特兰大、盐湖城和圣迭戈等主要人口中心。
当然，并非所有人都对此欢呼雀跃。化石燃料的支持者警告说，这是一个非常严肃的挑战。“医院、污水处理、清洁饮水、工业生产、通信网络、iPad 等等，都需要大量的能源，”宾夕法尼亚州的能源律师兼顾问、著名的水力压裂和天然气支持者 Mike Krancer 说，“这些是 100% 可再生能源无法提供的——现在不行，将来也永远不行。” 甚至一些支持风能、太阳能和水能的人也认为，完全依赖它们是个坏主意——即使对一个小型岛屿州来说也是如此。“如果你想要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、奥巴马总统前助理能源部长 Charles McConnell 说。
但 Lippert 喜欢与“永远不可能”的论调辩论。她在檀香山的公园里，为新企业家提供培训，她说，Elemental 目前支持的技术将有助于创造一个不仅可能，而且不可避免的绿色能源未来。“市场已经准备好接受这些解决方案了，”Lippert 坐在猴耳树下说。“我们的角色是现在进行投资，以便它们能够更大、更快地扩展。”
在其大部分历史中，夏威夷群岛位于距离最近陆地 2500 英里处，一直依靠就地取材发展能源。几个世纪以来，当地居民依靠库库伊坚果（该州树木的果实）的油脂照明。1887 年，他们成功地为伊奥拉尼皇宫供电——比华盛顿特区为白宫供电早了四年。
美式现代主义改变了这一切。随着人口增长，对耗能便利设施的需求也随之增长。仅仅 15 年前，夏威夷进口了 90% 的年度燃料——价值 50 亿美元。尽管当地居民的能源使用量比全国大部分地区都要少，但家庭平均电费却高达大陆的四倍。
这种状况变得如此严峻，以至于在 2008 年，该州设定了一个目标，到 2030 年通过可再生能源和能效节约（如更严格的建筑规范）将清洁能源的比例提高到 70%。当时，Lippert 还在华盛顿特区的 Booz Allen Hamilton 担任顾问，是前来制定计划的专家之一。该计划不仅提到了太阳能和生物燃料，还设想在人口较少的小岛屿（如莫洛凯岛和拉奈岛）上建设大型风力发电场，并通过深海电缆连接到拥有近 100 万居民和每年 900 万游客的瓦胡岛。
时机恰到好处。廉价的中国太阳能电池板和夏威夷的阳光，推动了住宅屋顶太阳能发电量从 2015 年预计的 23 兆瓦激增至 343 兆瓦。在此过程中，州长 Neil Abercrombie 推动建设新的液化天然气厂。绿色能源的支持者们进行了反击。他们要求立法，禁止通过要求全州只使用可再生能源来阻止倒退。
到那时，这个想法已经在大陆学术界生根发芽。就在几年前，2009 年，Mark Z. Jacobson 参与撰写了一篇发表在《科学美国人》上的开创性论文。该论文通过数学计算，挑战了化石燃料支持者提出的传统论点：可再生能源成本太高且不可靠；它们不足以满足工业生产的需求；要从风能和太阳能中获得足够的能量，我们需要在土地上布满大量的风力涡轮机或太阳能电池板。
去年，Jacobson 为美国及其他 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，如果优先考虑储能，完全绿色的发电方式将比当今的电网更便宜、更可靠。除了锂离子电池，他还提倡使用抽水蓄能（利用白天太阳能将水抽到高处，然后在需要时释放水力发电）和现有的水力发电水库，以及地下热能储存（UTES），即通过管道将热水泵入地下洞穴、开挖的坑道或钻孔中。热量被储存在周围的土壤中，有时是石头中，每天、每周甚至每季都可以储存，并在需要时为建筑物供暖。
去年六月，21 位学者和能源研究人员，其中许多人都支持可再生能源，他们批评了 Jacobson 最早的设想是幻想破灭。他们认为，他的理论要求我们建立足够的储能能力来满足整个国家电网功率的 2.5 倍：4 万亿千瓦时。其中近乎全部都需要 UTES 技术，而该技术尚未达到商业规模。但作者们更深层次的担忧同样是政治性的。他们担心反对者会利用 Jacobson 的“全或无”方法来削弱任何绿色技术在电网中的作用。尽管太阳能发电在过去十年中每年增长 68%，但其发电量仍只占我们总发电量的 1% 左右。Jacobson 已就诽谤罪起诉了该研究的首席作者。
当大陆的学者、党派人士和政治家们仍在辩论绿色发展运动时，太平洋中部已经开始了航程。“显然，在我们这个岛屿社区，我们对气候变化、全球变暖和海平面上升的影响有了更深刻的认识，”州长 David Ige 去年六月说道。“我们所做的会影响我们的环境，因为我们知道领导力可以从家乡开始。”他总结道，“如果我们足够重视，我们夏威夷可以发出一个声明，并引领世界。”
Elemental 位于檀香山市中心一栋高层建筑内的开放式办公空间是一个令人愉悦的地方，墙上挂满了来自世界各地年轻企业家们的笑脸照片。这里的氛围悠闲。它之所以在各种加速器中显得与众不同，原因有很多，但最明显的是，在其 19 名员工中，除 5 名外，其余均为女性——而且大多是 20 多岁和 30 多岁的女性。在启动会议上，Lippert 会召集她的公司领导者们进行汇报和支持，但也会一起享受欢乐时光，比如在海滩野餐，每个人都参与用传统方式将芋头捣成 Poi（当地食物）。她经常把她精力充沛的新创业者们围成一圈，让他们把手放进来，然后带头鼓劲。
她的组织还有另一个独特之处。它是一家投资商业技术的非营利组织。因此，它通常只占公司股份的一部分，这样如果公司成功，Elemental 就能分享收益，为更多技术梦想家提供资金。每年，Lippert 和她的选择团队会从大约 450 名申请者中选出十多家公司——所有这些公司都必须解决夏威夷特有的一个能源瓶颈问题，并提出一个未来有可能大规模应用的解决方案。除了高达 100 万美元的资金外，Elemental 还为公司提供了一个在州内创建试点项目的机会，以测试他们的技术以及他们是否能够盈利。
乍一看，这里的能源生产似乎很容易。该州八个岛屿资源丰富：阳光、信风，以及一座活火山，该火山通过地热能为大岛提供约 30% 的电力。但负责过渡的公用事业官员 Colton Ching 表示，即使该州将所有适合的土地用于公用事业规模的风能和太阳能发电，瓦胡岛（占该州人口三分之二以上）的能源需求也只能满足“略高于 70%”。
所以，Lippert 的企业家们想要提供的就是剩余的 30%。她指引我来到瓦胡岛北岸的一座山坡上，那里有一家名为 TerViva 的公司，种植了 50 英亩的 Pongamia 树。这种原产于东南亚和印度的树木，叶片宽大，开出浓密的黄色花朵。这些花朵会结出富含油脂的豆荚，可以加工成可再生燃料。
“生物燃料”这个词可能会让一些人产生不好的联想，这是由于玉米乙醇的失败：耗费土地、损害土壤、成本相对较高。但 Pongamia 树成本低廉且对土壤友好。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。它是一种稀有的豆科树木；它能向土壤输送的硝酸盐多于从土壤中吸收的。当然，这些树木会持续地从空气中吸收二氧化碳。由于其作物是种子，所以不需要砍伐树木，土壤也永远不需要耕作。夏威夷的一些发电厂可以燃烧未加工的 Pongamia 油。《TerViva》已将该油加工成生物柴油，甚至达到飞机发动机规格的喷气燃料。
将树荚转化为喷气燃料是一项了不起的壮举。真正的挑战在于如何让随风和云而来的可再生能源保持一致性。依赖风能的房主不希望灯光闪烁，这代表着电网在一个电源断电、匆忙切换到另一个电源的几秒钟内发生了故障。未来的电网必须在不漏过一丁点电的情况下，从这些间歇性能源输送电力。
前罗尔斯·罗伊斯高管 Lisa Laughner 和她的公司 Go Electric 正在努力解决这个问题。她的团队在 Elemental 的支持下，在瓦胡岛的美国太平洋司令部所在地——史密斯营地安装了硬件和软件。这些设备以毫秒级精度监测电力流动模式，并帮助控制该营地 5 兆瓦的高安全性微电网，该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能，能够储存风能和太阳能的剩余电力，并在需要时释放。到目前为止，电网运营商已经找到了两种解决方案。一种是电池储能。另一种依赖于事实上的储能：智能设备，它们可以控制电器的电力需求，在峰值生产和峰值需求之间进行调节。Lippert 和她的团队正在研究这两种解决方案。在第二个方案中，他们支持了一家名为 Shifted Energy 的公司。
Shifted 公司在 Kapolei Lofts（一个经济适用房小区）将他们联网的设备改造到了热水器上。白天，当电网上有过剩的太阳能时，这些设备可以打开热水器（此时家中很少有人使用），为晚上的淋浴预热水。通过为 1,000 个热水器配备这些设备，Shifted 估计可以从过剩的太阳能中创造高达 3 兆瓦时的储能。
房东们喜欢这个项目，因为它节省了电费。政府也喜欢，因为它将较贫困人口纳入了可再生能源革命。公用事业公司也喜欢，因为这相当于 3 兆瓦的电力——足以供应多达 1,000 户家庭——这是他们不必在傍晚高峰时段生产和输送的。
热水器并不是 Lippert 储存替代方案库中的唯一工具。自工业革命以来，公司一直使用金属飞轮作为简易储能装置。它们是重型旋转盘，通过旋转来储存动能。但由于其重量（100 磅或以上）和轴承上的摩擦，它们通常只能提供几分钟的应急供应。这可能会随着 Elemental 支持的一家名为 Amber Kinetics 的公司而改变。
2009 年，UCLA 工程学毕业生 Edward Chiao 与自 20 世纪 90 年代以来一直研究飞轮的加州大学伯克利分校教授 Seth Sanders 合作创立了 Amber。他们一起建造了一个真空密封的容器，并在里面用磁铁支撑着一个 5,000 磅的钢盘。磁铁使轮子不会对滚珠轴承施加过大的向下的力而减速。白天的太阳能可以驱动轮子旋转，日落后，它可以释放高达 32 千瓦时的电力（足以供一个普通美国家庭使用一天）。理论上，飞轮可以扩大规模，在长达四小时内释放数百兆瓦的电力，足以满足傍晚的高峰需求。Amber 公司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，该公用事业公司对这种和所有形式的储能都持开放态度。该公司计划让电动汽车的电池在未来发挥巨大的需求转移作用。
时值夏末，Lippert 和我漫步在檀香山市中心。阳光明媚，这里的气候自然带来的乐观情绪几乎令人难以忍受。Lippert 即将开始为期三周的新一批企业家培训，期间她会熬夜到凌晨两点与他们一起唱卡拉OK。此刻，她显得神清气爽，充满热情。我问她，为什么一定要达到 100%？难道达到 70% 就够了，剩下的部分让天然气来处理不行吗？她承认，最后 30% 的难度是前面 30% 的“指数级”增长，但她认为这样做是值得的。“不这样做会有什么危险？”她说。“不这样做的风险比这样做的风险要大。”
而且，她指出，夏威夷已经证明了怀疑论者是错的。可再生能源使用量从 2008 年的 8% 跃升至 2017 年的 27%。此外，该州有一个积极的计划，将在不久的将来再推出 400 兆瓦的风能和太阳能。基于这个速度，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目标提前五年（即 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，着眼于未来 20 年，该州的能源计划称，它将通过使用漂浮式涡轮机（固定在海底）获得数百兆瓦的海上风力发电。这在可负担的规模上从未实现过，但夏威夷对这项新兴技术抱有足够的信心，将其纳入计划。
该州与其他所有走向 100% 可再生能源的地区一样，将电动汽车视为未来的交通方式，并在此下了重注。汽车电池将在太阳能高峰时段从电网吸收剩余能源，并在夜间需要时将其输送回去，发挥关键作用。夏威夷的电动汽车普及率在美国排名第二，但仍不足 1%。
经过五年的努力，Lippert 可以声称，一些公司正变得具有商业可行性。Go Electric 在史密斯营地关于智能微电网的合同取得了如此成功，以至于它赢得了密歇根州卡斯特堡陆军训练基地和犹他州图埃勒陆军仓库的类似项目。另一家公司 Stem，利用学习软件为学校和企业自动化能源储存节省，并为公用事业公司提供电网服务，目前在瓦胡岛有 29 个客户，并且在加州也逐渐获得客户。
当然，并非该州的所有技术都将会或应该被移植。可再生电力需要根据当地的自然资源量身定制。那些比这些微小的火山岛屿更远的地方，已经明白了这一点。冰岛拥有卓越的地热资源，挪威拥有丰富的水力资源，多年来一直维持着近 100% 的可再生能源使用。在德克萨斯州登顿市，由于风力强劲，预计该市在本十年末将完全实现风能和太阳能供电。佛蒙特州伯灵顿市是美国第一个拥有 100% 可再生能源的城市，它燃烧当地的木屑作为燃料，并拥有充足的水力资源。许多其他城市也取得了显著进展；拉斯维加斯表示，其所有市政建筑现在都由太阳能供电。
这些努力似乎都在询问：为什么我们注定要从地下挖掘恐龙并燃烧它们来驱动我们的汽车和弹出我们的烤面包机？大约 150 年前，没有人认为我们可以将阳光转化为电能；然后在 1876 年，有人发现硒暴露在光线下可以做到这一点。太阳能在一个世纪里一直处于社会边缘，直到人类找到意愿使其变得负担得起且高效。但一旦发生这种情况，太阳能的崛起就如同一夜成名的摇滚明星——在一代人的时间里，从 YouTube 上的无名小卒一跃成为体育场上的宠儿。
Lippert 相信，其他超级巨星就在那里。对她来说，一个简单的飞轮，经过一些巧妙的调整，可能成为一股强大的能源力量，这让她感到无比兴奋。“人们根本不知道飞轮是一个解决方案，”Lippert 告诉我。“它就是这么未知。这让我感到兴奋。”
太阳能电池板在夏天的白天产生大量的能量。但在冬天，尤其是在北方的地区，情况就大不相同了。如果我们打算全力发展可再生能源，那么将能量储存起来以备日后使用是关键。地下热能储存允许工程师将多余的能量转移到地下，并无限期地储存起来。
现有的洞穴、地下岩石，甚至人造孔都可以作为储存能量的理想场所。这个过程相当简单。
屋顶上的太阳能电池板——比如车库顶上的——会加热装有乙二醇的管道，乙二醇是一种用作防冻剂的导电有机化合物。热乙二醇会流到一个能源站，在那里将热量传递给水。一部分温水会通过管道输送到附近的房屋，提供热水淋浴。多余的热量会进入长期储存，即深入地下 120 英尺的钻孔中的数百根管道。热水在这些管道中流动，将土壤加热到约 175 度，然后冷却，再流回能源站，过程重复。由于土壤储存了热量，它可以在冬天将热量返回到水管中。
Leslie Kaufman，PopSci 的特约撰稿人，撰写关于气候变化和可再生能源的文章。
本文最初发表于《大众科学》2018 年 1 月/2 月刊的“动力”特刊。
