Per evitare che il pianeta si riscaldi di oltre 1,5°C rispetto ai livelli preindustriali, la maggior parte dei paesi, compresi gli Stati Uniti, ha l'obiettivo di raggiungere lo zero netto entro il 2050. Zero netto significa che tutte le emissioni di gas serra prodotte sono controbilanciate da un uguale ammontare di emissioni. che vengono eliminati. Per raggiungere questo obiettivo sarà necessaria una rapida decarbonizzazione.

Ci sono due aspetti della decarbonizzazione. Il primo riguarda la riduzione delle emissioni di gas serra prodotte dalla combustione di combustibili fossili. Ciò può essere fatto prevenendo le emissioni attraverso l'uso di fonti di energia rinnovabile a zero emissioni di carbonio come eolico, solare, idroelettrico, geotermico e biomasse, che ora costituiscono un terzo della capacità energetica globale, ed elettrificando il maggior numero possibile di settori. L'efficienza energetica ridurrà la domanda di energia, ma l'aumento dell'elettrificazione la aumenterà e nel 2050 si prevede che la domanda di energia sarà più del doppio di quella attuale.

Di conseguenza, la decarbonizzazione richiederà anche l'assorbimento del carbonio dall'atmosfera catturando le emissioni e migliorando lo stoccaggio del carbonio nei terreni agricoli e nelle foreste.

Per ottenere la decarbonizzazione, tutti gli aspetti dell'economia devono cambiare:da come viene generata l'energia, e come produciamo e forniamo beni e servizi, a come vengono gestite le terre. Le emissioni di anidride carbonica e metano che stanno riscaldando il pianeta provengono in gran parte dai settori della produzione di energia, dell'industria, dei trasporti, dell'edilizia e dell'agricoltura e dell'uso del suolo dell'economia globale, quindi questi settori devono essere tutti trasformati. Ecco come potrebbe essere la decarbonizzazione in ogni settore.

Produzione di energia

Con la popolazione mondiale che dovrebbe raggiungere i 10 miliardi nel 2060 e la crescente elettrificazione della società, la domanda di elettricità aumenterà, quindi è essenziale ridurre le emissioni per unità di elettricità prodotta. La produzione di energia, compresa la produzione di elettricità e calore, è responsabile del 30% della CO₂ globale emissioni dovute ai combustibili fossili coinvolti; devono essere sostituiti da energie rinnovabili.

Le fonti rinnovabili sono ora così economiche da costituire la maggior parte della nuova capacità di generazione di energia nel 2018. I prezzi dell'energia solare sono scesi di circa l'80% negli ultimi 10 anni, mentre l'energia eolica è scesa del 40%. I costi di stoccaggio delle batterie su scala industriale sono diminuiti del 70% tra il 2015 e il 2018. Tuttavia, poiché le fonti di energia rinnovabile sono intermittenti, le utility fanno ancora affidamento sull'energia di base coerente che i combustibili fossili e le centrali nucleari possono fornire.

Affinché gli Stati Uniti raggiungano il loro obiettivo zero netto, devono passare dalla generazione di circa il 20% dell'elettricità da fonti prive di carbonio oggi ad almeno il 75% entro il 2030. Ciò richiederà l'aumento della produzione di energia rinnovabile e il mantenimento delle fonti di energia nucleare se l'energia nucleare le piante sono al sicuro Le centrali a carbone devono essere ritirate o adattate per catturare il 90% delle loro emissioni. La cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio devono essere ampliati per catturare CO₂ emissioni delle restanti centrali a combustibili fossili. Questo CO₂ può essere utilizzato in loco o trasportato altrove per l'uso in combustibili, prodotti chimici o materiali da costruzione, o iniettato in un serbatoio sotterraneo per lo stoccaggio permanente.

Anche le centrali elettriche devono essere rese più efficienti dal punto di vista energetico. Due terzi dell'energia consumata per produrre elettricità viene persa come calore di scarto; l'utilizzo del calore di scarto per riscaldare l'impianto o gli edifici vicini, ad esempio, può aumentare l'efficienza energetica della produzione di energia dell'80%.

Le linee di trasmissione devono essere costruite per portare l'energia rinnovabile da dove viene generata in tutte le parti del paese. Poiché le energie rinnovabili sono sempre più integrate nella rete, è necessario un migliore stoccaggio di energia a basso costo per la rete per contribuire a smussare la loro intermittenza e garantire l'affidabilità, soprattutto perché il cambiamento climatico porta condizioni meteorologiche più estreme. La generazione distribuita, piccoli sistemi di generazione di energia modulare decentralizzata come le microgrid, possono utilizzare energia rinnovabile e aggiungere resilienza alla rete esistente.

I programmi di incentivazione sono importanti anche per incoraggiare i consumatori a ridurre il consumo di energia nei momenti di forte stress sulla rete e per gestire il consumo energetico domestico tramite app.

Come contribuisce la Columbia

• Il Sabin Center for Climate Change Law della Columbia fornisce supporto legale pro bono alle persone che vogliono vedere lo sviluppo delle energie rinnovabili nelle loro comunità ma si trovano ad affrontare l'opposizione.
• In natura, CO₂ reagisce spontaneamente con alcune rocce, intrappolando il gas che riscalda il pianeta in una forma minerale solida. Peter Kelemen del Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia sta trovando modi per utilizzare questo processo su larga scala per la decarbonizzazione. Due start-up stanno già mettendo in pratica le sue innovazioni.
• David Goldberg, professore di ricerca presso il Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University, ha suggerito di abbinare le turbine eoliche offshore a una tecnologia che cattura l'anidride carbonica. In questo modo, quando le turbine generano più elettricità di quella necessaria per soddisfare la domanda dei consumatori, l'elettricità in più potrebbe essere utilizzata per estrarre CO₂ dall'aria.
• Sono necessarie batterie potenti per immagazzinare energia rinnovabile per i periodi in cui il sole non splende e il vento non soffia. Dan Steiningart della Columbia Engineering sta lavorando per costruire batterie migliori. In un progetto in corso, mira a semplificare notevolmente e ridurre i costi di produzione delle batterie agli ioni di litio modificandone la struttura interna.

Industria

I processi industriali, come la produzione di acciaio, cemento e prodotti chimici, nonché l'estrazione e la raffinazione di petrolio, carbone e gas, producono il 30% della CO globale ₂ emissioni e il 33% delle emissioni di metano. L'industria consuma il 32% dell'energia degli Stati Uniti.

Questo settore è uno dei più difficili da decarbonizzare perché l'acciaio, il cemento e la produzione chimica possono richiedere temperature di 1600°C o più, che sono facilmente prodotte dalla combustione di combustibili fossili, ma difficili da raggiungere attraverso l'elettrificazione. Per elettrificare questa intensa generazione di calore sarebbero necessarie modifiche significative ai forni e così tanta energia che sarebbe probabilmente economicamente irrealizzabile.

Per decarbonizzare veramente l'industria, i processi di produzione dovranno essere riprogettati. L'efficienza energetica nell'industria può essere aumentata attraverso l'integrazione dei processi, sia attraverso la progettazione iniziale, l'adeguamento o rendendo le operazioni più efficienti dal punto di vista energetico. Esempi di integrazione dei processi sono la cogenerazione, in cui il calore disperso viene utilizzato per produrre calore o elettricità aggiuntivi per l'impianto stesso, e il raggruppamento di impianti in un sito, che consente la sinergia di operazioni o risorse.

I processi dovrebbero essere elettrificati con energia rinnovabile ove possibile. La biomassa prodotta in modo sostenibile può essere utilizzata come combustibile in alcuni cementifici e nuove acciaierie e per la produzione di etilene e ammoniaca. L'acciaio può anche essere prodotto attraverso la combustione del carbone piuttosto che il carbone; il carbone è considerato una fonte di energia rinnovabile poiché proviene dal legno che cresce in tempi relativamente brevi. E l'ammoniaca, che viene utilizzata per i fertilizzanti, potrebbe essere prodotta con idrogeno verde.

L'uso della cattura del carbonio dovrebbe essere ampliato in quanto è l'unica tecnologia in grado di ridurre significativamente le emissioni dalla produzione di cemento.

Come contribuisce la Columbia

• Quando si tratta di decarbonizzare la produzione di acciaio, il Center on Global Energy Policy della Columbia ha identificato la biomassa carbon neutral e la cattura e lo stoccaggio del carbonio come due delle soluzioni più economiche e tecnologicamente più mature.
• In un progetto pilota con sede in Islanda chiamato CarbFix, progettato e realizzato con la leadership della Columbia, i ricercatori stanno facendo reagire la roccia basaltica con CO₂ catturato da una centrale elettrica. Il team mescola i gas generati da una centrale geotermica con l'acqua e reinietta la soluzione nel basalto vulcanico sottostante. Lì, il carbonio precipita in minerali biancastri e gessosi:carbonati. CarbFix attualmente inietta e immagazzina circa 10.000 tonnellate di CO₂ all'anno in minerali di carbonati solidi sotterranei.
• Mentre l'idrogeno può essere creato dal gas naturale, Dan Esposito, professore associato di ingegneria chimica alla Columbia University, sta testando tecnologie che utilizzano l'energia solare per produrre idrogeno "verde" privo di emissioni di carbonio.

Trasporti

Trasporti e trasporti, compresi i trasporti aerei e marittimi, generano il 19% di CO₂ emissioni. Per raggiungere lo zero netto negli Stati Uniti, il 50% di tutti i nuovi veicoli deve essere a emissioni zero entro il 2030. Ciò significa che devono essere veicoli elettrici (EV) alimentati da energia rinnovabile o veicoli a celle a combustibile a idrogeno. Più veicoli elettrici in circolazione richiederanno l'espansione dell'infrastruttura delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici in tutto il paese e lo sviluppo di batterie migliori ed economiche. Anche le prestazioni migliorate del veicolo e l'efficienza del carburante sono importanti per ridurre le emissioni.

È necessario ampliare le opzioni di trasporto di massa e la rete ferroviaria, nonché i servizi di car sharing. Per i trasporti a lungo raggio, difficili da elettrificare, possono essere utilizzati combustibili a basse emissioni di carbonio come l'idrogeno e combustibili liquidi sintetici. Aviation, responsabile del 2,1% della CO₂ globale emissioni, è considerato il settore più difficile da decarbonizzare. Le emissioni dell'aviazione possono essere ridotte attraverso una migliore gestione del traffico aereo, come l'utilizzo di rotte più dirette e volando a velocità e altitudini ottimali, e infine attraverso l'adozione di combustibili alternativi come i biocarburanti e l'idrogeno verde. Il trasporto marittimo funziona con olio combustibile pesante, che produce il 2,5% delle emissioni globali. Nuove navi potrebbero ridurre le emissioni attraverso miglioramenti tecnici, come il recupero del calore residuo e operazioni semplificate. Tuttavia, poiché l'olio combustibile pesante è molto più economico dei combustibili alternativi, è improbabile che il trasporto marittimo passi a combustibili a basse emissioni di carbonio nel prossimo futuro.

Come contribuisce la Columbia

• Il Center for Sustainable Urban Development della Climate School ha creato un'app per aiutare le persone a Nairobi ad accedere a una rete informale di minibus, un'importante forma di trasporto pubblico in quella città. Di recente, sono anche co-autori di un rapporto su come i minibus potrebbero essere elettrici in tre città africane.

Edifici

Gli edifici sono responsabili del 6% di CO₂ emissioni. Alcune di queste emissioni sono incorporate negli edifici derivanti dall'estrazione, dalla lavorazione, dalla produzione, dal trasporto e dall'installazione dei materiali di cui sono fatti. Altre emissioni sono generate dagli edifici attraverso il funzionamento dei loro sistemi di riscaldamento, elettrico e di raffreddamento, cottura ed elettrodomestici.

Per la costruzione di nuovi edifici, una produzione più efficiente di materiali da costruzione e l'uso di materiali più ecologici come il legno proveniente da foreste gestite in modo sostenibile, materiali riciclati non tossici o calcestruzzo che incorpora CO₂ ridurrà le emissioni. Gli edifici carbon-negativi possono produrre più energia di quella di cui hanno bisogno con i pannelli solari e reimmetterla nella rete.

Gli edifici esistenti e quelli più vecchi devono essere ristrutturati per aumentare l'efficienza energetica migliorando l'isolamento, sigillando le lacune, passando a sistemi di riscaldamento e raffreddamento elettrificati con pompe di calore alimentate da energia rinnovabile, installando LED, implementando sistemi di gestione dell'energia intelligenti e creando incentivi per elettrodomestici ad alta efficienza energetica e fornelli elettrici. Per guidare questi cambiamenti sono necessari standard nazionali di efficienza per gli edifici, le apparecchiature di riscaldamento e raffreddamento e gli elettrodomestici.

Come contribuisce la Columbia

• L'ingegnere meccanico Vijay Modi ha studiato come decarbonizzare i sistemi di riscaldamento, che spesso funzionano a petrolio o gas naturale. Il suo laboratorio ha scoperto che l'utilizzo di pompe di calore elettriche alimentate da energia rinnovabile potrebbe ridurre drasticamente le emissioni di gas serra e far risparmiare denaro ai consumatori.
• La produzione del cemento è responsabile del 5% della CO ₂ globale emissioni. Alissa Park, direttrice del Lenfest Center for Sustainable Energy, sta lavorando a un cemento "più verde" realizzato con emissioni di carbonio catturate. Il suo metodo reagisce alle ceneri delle centrali elettriche con la CO₂ catturata per produrre carbonato di calcio. Questo materiale può essere utilizzato per realizzare cemento o carta con un'impronta di carbonio inferiore. Park sta utilizzando un processo simile per ripulire i rifiuti dalla produzione di acciaio, un altro materiale da costruzione essenziale.
• Dan Esposito e Shih Kawashima della Columbia Engineering stanno lavorando per decarbonizzare anche il processo di produzione del cemento. Il loro processo estrae le materie prime dall'acqua di mare e utilizza la lavorazione a temperatura ambiente per convertirle in cemento paragonabile in termini di resistenza al cemento Portland, lo standard industriale odierno. Stimano che il loro cemento potrebbe assorbire più di 100 chilogrammi di CO₂ per tonnellata di cemento, invece di rilasciare 170 chilogrammi per tonnellata attraverso il solito processo.

Agricoltura e uso del suolo

L'uso e le pratiche dell'energia agricola generano l'1% di CO₂ emissioni e il 38% delle emissioni di metano, quest'ultimo principalmente dalla produzione zootecnica. Le emissioni di carbonio possono essere ridotte attraverso pratiche agricole più sostenibili, come l'agricoltura rigenerativa che migliora lo stoccaggio del carbonio nel suolo e protegge la biodiversità. Sono necessari incentivi più forti per incoraggiare gli agricoltori ad adottare queste tecniche sostenibili, nonché per ridurre la produzione di metano dei bovini durante la digestione utilizzando additivi nei loro alimenti.

I consumatori possono aiutare riducendo l'assunzione di carne e latticini, perché le foreste vengono distrutte per coltivare soia per l'alimentazione degli animali e per creare pascoli per il pascolo del bestiame. Questi cambiamenti nella copertura del suolo sono responsabili del 14% di CO₂ emissioni e il 5% delle emissioni di metano. Poiché le foreste del mondo vengono disboscate e disturbate, emettono nell'atmosfera quasi 9 miliardi di tonnellate di anidride carbonica ogni anno. Ricerche recenti hanno rilevato che la quantità di carbonio emessa a causa della deforestazione delle foreste tropicali è raddoppiata dal 2001.

Sono necessari incentivi per incoraggiare il rimboschimento, la piantumazione di nuove foreste e il rimboschimento delle foreste degradate per aumentare il sequestro del carbonio e per sostenere il mantenimento delle foreste rimanenti protette e intatte.

Come contribuisce la Columbia

• Un'analisi del Center on Global Energy Policy ha rilevato che la conversione degli ecosistemi naturali in terreni agricoli o pascoli è la principale fonte di emissioni di gas serra nell'intero sistema alimentare, con un contributo di quasi 3 miliardi di tonnellate all'anno.

Alcuni paesi stanno arrivando

Alcuni paesi stanno facendo buoni progressi verso la decarbonizzazione. Cina, Costa Rica, Danimarca, Etiopia e Regno Unito sono più avanti verso lo zero netto rispetto a molti altri, principalmente a causa delle risorse naturali di cui sono benedetti. Etiopia e Costa Rica ottengono la maggior parte della loro elettricità dall'energia idroelettrica; La Norvegia genera il 97% e il Paraguay il 99% della loro elettricità da energia rinnovabile, principalmente idroelettrica. Cina,

La Danimarca e il Regno Unito hanno obiettivi per l'efficienza energetica insieme alle politiche e agli investimenti per sostenerli. Gli Stati Uniti e la Cina hanno installato la maggior parte del fotovoltaico eolico e solare nel 2019 e quasi il 25% dell'energia cinese è elettricità anziché gas naturale o petrolio. La Germania ha recentemente annunciato l'intenzione di ottenere tutta la sua elettricità da fonti rinnovabili entro il 2035.

Sfide e limitazioni

Secondo la Brookings Institution, raggiungere lo zero netto entro il 2050 è tecnicamente ed economicamente fattibile con le tecnologie attuali e quelle in via di sviluppo, ma richiederà enormi cambiamenti comportamentali, nuove politiche rigorose e cooperazione internazionale.

Una cosa che rende difficile la decarbonizzazione è che mentre sarà redditizia a lungo termine, richiederà enormi investimenti a breve termine. Probabilmente ci vorranno 275 trilioni di dollari tra il 2021 e il 2050 per decarbonizzare i settori di cui sopra, con produzione di energia, trasporti ed edifici che utilizzeranno il 75% della spesa per le risorse fisiche.

La ricerca ha previsto che per decarbonizzare completamente l'industria occorrerebbe da quattro a nove volte più elettricità a zero emissioni di carbonio rispetto a quanto sarebbe se non si facesse nulla per decarbonizzare, quindi si prevede che il costo dell'elettricità aumenterà man mano che le risorse rinnovabili vengono ampliate e l'infrastruttura di rete viene costruita . Alla fine il prezzo dell'elettricità da fonti rinnovabili probabilmente diminuirà a causa dei minori costi operativi, ma i consumatori potrebbero inizialmente dover affrontare costi energetici più elevati.

La sfida più grande alla decarbonizzazione è quanto denaro è stato investito nella rete e nelle infrastrutture dei combustibili fossili, ha affermato Steve Cohen, professore di pratica degli affari pubblici presso la School of International and Public Affairs della Columbia University e direttore del programma di ricerca su Politica e gestione della sostenibilità. "La persona media ha anche investito molto nei combustibili fossili attraverso le caldaie e le auto a benzina. Quindi la sfida sarà vinta solo quando l'energia rinnovabile diventerà così conveniente e conveniente da spingere i combustibili fossili dal mercato."

L'energia rinnovabile minaccia anche il modello di business della rete in cui le persone pagano le utenze per la loro energia e gli interessi dei combustibili fossili stanno respingendo, ha aggiunto Cohen. Ad esempio, la California Public Utilities Commission sta valutando una tassa sull'"integrazione della rete" per le persone che immettono energia extra dai loro pannelli solari alla rete.

Il raggiungimento della decarbonizzazione del 100% dipende anche dalle nuove tecnologie che sono ancora costose e non ancora su larga scala. I biocarburanti sono costosi e le forniture sono limitate poiché potrebbero competere con il cibo per la terra. La cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio sono efficaci, ma richiederanno miglioramenti tecnologici e ampliamento per ridurne i costi. La cattura e lo stoccaggio del carbonio da bioenergia, in cui la biomassa come pellet di legno o rifiuti agricoli viene bruciata come combustibile e le emissioni vengono catturate e immagazzinate, è una tecnologia relativamente nuova e non è stata ancora ampliata. L'idrogeno verde, prodotto attraverso l'elettrolisi dell'acqua utilizzando energia rinnovabile, costa tre volte di più del gas naturale negli Stati Uniti

"Il governo deve fare enormi investimenti nella scienza e in queste nuove tecnologie per accelerare il processo di decarbonizzazione", ha affermato Cohen. Gli investitori privati ​​sono ansiosi di investire nella tecnologia verde, ma la mancanza di politiche coerenti ea lungo termine per garantire continui sforzi di riduzione del carbonio rende l'investimento rischioso.

Ecco perché un'ampia gamma di politiche che fissano standard e obiettivi di prestazione e forniscono incentivi per premiare CO₂ sono necessarie riduzioni per guidare gli investimenti in tecnologie a basse emissioni di carbonio. Una tassa globale sul carbonio aiuterebbe anche a spingere le economie a decarbonizzare, sebbene aumenterebbe ulteriormente il costo dell'energia. Tuttavia, le politiche necessarie per stimolare i progressi verso la decarbonizzazione sono difficili da attuare, a causa della polarizzazione politica e degli sforzi di lobbying da parte dell'industria dei combustibili fossili.

Ad esempio, 20 stati con legislature controllate dai repubblicani hanno adottato leggi di prelazione sostenute da interessi sui combustibili fossili che vietano agli stati di vietare il gas naturale, il che significa impedire loro di passare all'elettrificazione degli edifici. Il Texas ha approvato una legge che impone ai fondi pensione statali di disinvestire dalle società che si allontanano dai combustibili fossili e una legge del West Virginia impedirebbe alle società che boicottano le società energetiche di ricevere contratti statali.

L'ultimo rapporto dell'IPCC ha rilevato che il cambiamento climatico si sta verificando così rapidamente che gli esseri umani potrebbero non essere in grado di adattarsi ai suoi impatti. Ciò che è necessario per aiutare a ostacolare i tentativi di ostacolare ulteriormente l'azione per il clima è una cittadinanza più istruita sugli impatti climatici, sulla necessità critica di decarbonizzare e su ciò che richiederà. Inoltre, è importante che siano in atto misure, come sussidi per compensare l'aumento dei prezzi dell'energia, per alleviare gli oneri economici che ne derivano, in particolare per le comunità svantaggiate ea basso reddito.

Cohen è fiducioso che saremo in grado di decarbonizzare la nostra economia in tempo per evitare impatti climatici catastrofici. Tuttavia, piuttosto che inquadrare la questione in termini di cambiamento climatico, ritiene che sarebbe più efficace evidenziare qualcosa su cui tutti possono essere d'accordo. "Dovremmo concentrarci su un consenso su cui costruire:modernizzare la nostra rete energetica vulnerabile e antiquata. Un sistema energetico moderno, a basso costo e meno inquinante è qualcosa che tutti dovrebbero trovare interessante perché tutti dipendiamo dall'energia".