Para evitar que el planeta se caliente más de 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales, la mayoría de los países, incluido EE. UU., tienen objetivos para alcanzar el cero neto para 2050. El cero neto significa que todas las emisiones de gases de efecto invernadero producidas se contrarrestan con una cantidad igual de emisiones que son eliminados. Lograr esto requerirá una rápida descarbonización.

Hay dos aspectos de la descarbonización. El primero implica reducir las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por la combustión de combustibles fósiles. Esto se puede hacer evitando las emisiones mediante el uso de fuentes de energía renovables sin carbono, como la eólica, la solar, la hidroeléctrica, la geotérmica y la biomasa, que ahora representan un tercio de la capacidad energética mundial, y electrificando tantos sectores como sea posible. La eficiencia energética reducirá la demanda de energía, pero el aumento de la electrificación la aumentará y, en 2050, se espera que la demanda de energía sea más del doble de lo que es hoy.

En consecuencia, la descarbonización también requerirá absorber carbono de la atmósfera capturando emisiones y mejorando el almacenamiento de carbono en tierras agrícolas y bosques.

Para lograr la descarbonización, todos los aspectos de la economía deben cambiar, desde cómo se genera la energía y cómo producimos y entregamos bienes y servicios, hasta cómo se gestionan las tierras. Las emisiones de dióxido de carbono y metano que están calentando el planeta provienen en gran medida de los sectores de generación de energía, industria, transporte, construcción, agricultura y uso de la tierra de la economía global, por lo que todos estos sectores deben transformarse. Así es como podría verse la descarbonización en cada sector.

Generación de energía

Dado que se espera que la población mundial alcance los 10 000 millones en 2060 y que la electrificación de la sociedad aumente, la demanda de electricidad crecerá, por lo que es esencial reducir las emisiones por unidad de electricidad producida. La generación de energía, incluida la producción de electricidad y calor, es responsable del 30 % del CO₂ global. emisiones debido a los combustibles fósiles involucrados; necesitan ser reemplazados por energía renovable.

Las fuentes renovables ahora son tan económicas que constituyeron la mayor parte de la nueva capacidad de generación de energía en 2018. Los precios de la energía solar han caído alrededor de un 80 % en los últimos 10 años, mientras que la energía eólica ha caído un 40 %. Los costos de almacenamiento de baterías a escala de servicios públicos se redujeron en un 70 % entre 2015 y 2018. Sin embargo, debido a que las fuentes de energía renovable son intermitentes, los servicios públicos aún dependen de la energía de referencia constante que las plantas de energía nuclear y de combustibles fósiles pueden proporcionar.

Para que EE. UU. alcance su objetivo de cero emisiones netas, debe pasar de generar alrededor del 20 % de la electricidad a partir de fuentes libres de carbono hoy a al menos el 75 % para 2030. Esto requerirá aumentar la generación de energía renovable y mantener las fuentes de energía nuclear si la energía nuclear las plantas son seguras. Las plantas de carbón deben retirarse o reacondicionarse para capturar el 90% de sus emisiones. Es necesario expandir la captura, utilización y almacenamiento de carbono para capturar CO₂ emisiones de las restantes centrales eléctricas de combustibles fósiles. Este CO₂ puede usarse en el sitio o transportarse a otro lugar para su uso en combustibles, productos químicos o materiales de construcción, o inyectarse en un depósito subterráneo para almacenamiento permanente.

Las centrales eléctricas también deben ser más eficientes energéticamente. Dos tercios de la energía consumida para producir electricidad se pierde como calor residual; usar ese calor residual para calentar la planta o los edificios cercanos, por ejemplo, puede aumentar la eficiencia energética de la generación de energía en un 80 %.

Se deben construir líneas de transmisión para llevar la energía renovable desde donde se genera a todas partes del país. A medida que las energías renovables se integran cada vez más en la red, se necesita un mejor almacenamiento de energía de bajo costo para ayudar a suavizar su intermitencia y garantizar la confiabilidad, especialmente porque el cambio climático trae consigo un clima más extremo. La generación distribuida (sistemas de generación de energía modulares pequeños y descentralizados, como las microrredes) puede usar energía renovable y agregar resiliencia a la red existente.

Los programas de incentivos también son importantes para alentar a los consumidores a reducir el uso de energía en momentos de gran tensión en la red y administrar el consumo de energía del hogar a través de aplicaciones.

Cómo contribuye Columbia

• El Centro Sabin para la Ley de Cambio Climático de Columbia brinda apoyo legal pro bono para las personas que desean ver el desarrollo de energía renovable en sus comunidades pero enfrentan oposición.
• En la naturaleza, CO₂ reacciona espontáneamente con ciertas rocas, atrapando el gas que calienta el planeta en forma de mineral sólido. Peter Kelemen del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de Columbia está encontrando formas de utilizar este proceso a gran escala para la descarbonización. Dos empresas emergentes ya están poniendo sus innovaciones a trabajar.
• David Goldberg, profesor de investigación en el Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, ha sugerido emparejar turbinas eólicas marinas con tecnología que captura dióxido de carbono. De esa forma, cuando las turbinas generen más electricidad de la necesaria para satisfacer la demanda de los consumidores, la electricidad adicional podría usarse para extraer CO₂. desde el aire.
• Se necesitan baterías potentes para almacenar energía renovable para los momentos en que el sol no brilla y el viento no sopla. Dan Steingart de Columbia Engineering está trabajando para construir mejores baterías. En un proyecto en curso, tiene como objetivo simplificar en gran medida y reducir el costo de fabricación de baterías de iones de litio al cambiar su estructura interna.

Industria

Los procesos industriales, como la producción de acero, cemento y productos químicos, así como la extracción y el refinado de petróleo, carbón y gas, producen el 30 % del CO₂ global. emisiones y el 33% de las emisiones de metano. La industria consume el 32 % de la energía de EE. UU.

Este sector es uno de los más difíciles de descarbonizar porque la producción de acero, cemento y productos químicos puede requerir temperaturas de 1600 °C o más, que se producen fácilmente mediante la combustión de combustibles fósiles, pero difíciles de lograr mediante la electrificación. Para electrificar esta intensa generación de calor se requerirían cambios significativos en los hornos y tanta energía que probablemente sería económicamente inviable.

Para descarbonizar verdaderamente la industria, será necesario rediseñar los procesos de producción. La eficiencia energética en la industria se puede aumentar mediante la integración de procesos, ya sea a través del diseño inicial, la modernización o haciendo que las operaciones sean más eficientes desde el punto de vista energético. La cogeneración, donde el calor desperdiciado se usa para producir calor o electricidad adicional para la planta misma, y ​​la agrupación de plantas en un sitio, lo que permite la sinergia de operaciones o recursos, son ejemplos de integración de procesos.

Los procesos deben electrificarse con energía renovable siempre que sea posible. La biomasa producida de forma sostenible se puede utilizar como combustible en algunas fábricas de cemento y nuevas plantas siderúrgicas, y para la producción de etileno y amoníaco. El acero también se puede producir mediante la combustión de carbón vegetal en lugar de carbón; El carbón vegetal se considera una fuente de energía renovable ya que proviene de la madera que crece relativamente rápido. Y el amoníaco, que se usa como fertilizante, podría fabricarse con hidrógeno verde.

El uso de la captura de carbono debe ampliarse, ya que es la única tecnología que puede reducir significativamente las emisiones de la producción de cemento.

Cómo contribuye Columbia

• Cuando se trata de descarbonizar la producción de acero, el Centro de Políticas Energéticas Globales de Columbia ha identificado la biomasa neutra en carbono y la captura y almacenamiento de carbono como dos de las soluciones más maduras tecnológicamente y de menor costo.
• En un proyecto piloto con sede en Islandia llamado CarbFix, diseñado y llevado a cabo con el liderazgo de Columbia, los investigadores están haciendo reaccionar roca basáltica con CO₂ capturado de una planta de energía. El equipo mezcla gases generados por una planta de energía geotérmica con agua y reinyecta la solución en el basalto volcánico que se encuentra debajo. Allí, el carbono se precipita en minerales blanquecinos y calcáreos:carbonatos. CarbFix actualmente inyecta y almacena alrededor de 10,000 toneladas de CO₂ por año en minerales de carbonato sólido bajo tierra.
• Si bien el combustible de hidrógeno se puede crear a partir del gas natural, Dan Esposito, profesor asociado de ingeniería química en la Universidad de Columbia, está probando tecnologías que usan energía solar para producir hidrógeno "verde" libre de carbono.

Transporte

El transporte y el transporte, incluidos el aéreo y el marítimo, generan el 19 % de CO₂ emisiones Para alcanzar el cero neto en los EE. UU., el 50 % de todos los vehículos nuevos deben tener cero emisiones para 2030. Esto significa que deben ser vehículos eléctricos (EV) impulsados ​​por energía renovable o vehículos con celdas de combustible de hidrógeno. Más vehículos eléctricos en la carretera requerirán la expansión de la infraestructura de la estación de carga de vehículos eléctricos en todo el país, así como el desarrollo de baterías mejores y más baratas. El rendimiento mejorado del vehículo y la eficiencia del combustible también son importantes para reducir las emisiones.

Es necesario ampliar las opciones de transporte público y la red ferroviaria, así como los servicios de uso compartido de automóviles. Para los camiones de larga distancia, que son difíciles de electrificar, se pueden utilizar combustibles bajos en carbono como el hidrógeno y los combustibles líquidos sintéticos. La aviación, que es responsable del 2,1 % del CO₂ global emisiones, es considerado el sector más difícil de descarbonizar. Las emisiones de la aviación se pueden reducir mediante una mejor gestión del tráfico aéreo, como el uso de rutas más directas y volando a velocidades y altitudes óptimas, y eventualmente mediante la adopción de combustibles alternativos como los biocombustibles y el hidrógeno verde. El transporte marítimo funciona con fuelóleo pesado, que produce el 2,5% de las emisiones globales. Los nuevos buques podrían reducir las emisiones a través de mejoras técnicas, como la recuperación de calor residual y operaciones optimizadas. Sin embargo, debido a que el fuel oil pesado es mucho más barato que los combustibles alternativos, es poco probable que el transporte marítimo cambie a combustibles bajos en carbono en un futuro cercano.

Cómo contribuye Columbia

• El Centro para el Desarrollo Urbano Sostenible de la Escuela del Clima creó una aplicación para ayudar a las personas en Nairobi a acceder a una red informal de minibuses, una forma importante de transporte público en esa ciudad. Recientemente, también fueron coautores de un informe sobre cómo los minibuses podrían volverse eléctricos en tres ciudades africanas.

Edificios

Los edificios son responsables del 6 % del CO₂ emisiones Algunas de estas emisiones están incorporadas en los edificios a partir de la extracción, el procesamiento, la fabricación, el transporte y la instalación de los materiales de los que están hechos. Otras emisiones son generadas por los edificios a través de la operación de sus sistemas de calefacción, electricidad y refrigeración, cocina y electrodomésticos.

Para la construcción de nuevos edificios, la fabricación más eficiente de materiales de construcción y el uso de materiales más ecológicos, como madera procedente de bosques gestionados de forma sostenible, materiales reciclados no tóxicos u hormigón que incorpora CO₂ reducirá las emisiones. Los edificios con emisiones de carbono negativas pueden producir más energía de la que ellos mismos necesitan con paneles solares y devolverla a la red.

Los edificios existentes y más antiguos deben modernizarse para aumentar la eficiencia energética mediante la mejora del aislamiento, el sellado de brechas, el cambio a sistemas de calefacción y refrigeración electrificados con bombas de calor que funcionan con energía renovable, la instalación de LED, la implementación de sistemas inteligentes de gestión de energía y la creación de incentivos para electrodomésticos de bajo consumo. y cocinas eléctricas. Se necesitan estándares nacionales de eficiencia para edificios, equipos de calefacción y refrigeración y electrodomésticos para impulsar estos cambios.

Cómo contribuye Columbia

• El ingeniero mecánico Vijay Modi ha investigado cómo descarbonizar los sistemas de calefacción, que a menudo funcionan con petróleo o gas natural. Su laboratorio descubrió que el uso de bombas de calor eléctricas alimentadas con energía renovable podría reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y ahorrar dinero a los consumidores.
• La fabricación de cemento es responsable del 5 % del CO₂ global emisiones Alissa Park, directora del Centro Lenfest para la Energía Sostenible, está trabajando en un cemento "más verde" hecho con emisiones de carbono capturadas. Su método hace reaccionar las cenizas de las centrales eléctricas con CO₂ capturado. para producir carbonato de calcio. Este material se puede utilizar para hacer hormigón o papel con una menor huella de carbono. Park está utilizando un proceso similar para limpiar los desechos de la producción de acero, otro material de construcción esencial.
• Dan Esposito y Shih Kawashima de Columbia Engineering también están trabajando para descarbonizar el proceso de fabricación del cemento. Su proceso extrae materias primas del agua de mar y utiliza el procesamiento a temperatura ambiente para convertirlas en cemento cuya resistencia es comparable al cemento Portland, el estándar industrial actual. Estiman que su cemento podría absorber más de 100 kilogramos de CO₂ por tonelada de hormigón, en lugar de liberar 170 kilogramos por tonelada a través del proceso habitual.

Agricultura y uso del suelo

El uso y las prácticas de energía agrícola generan el 1 % de CO₂ y el 38% de las emisiones de metano, este último principalmente de la producción ganadera. Las emisiones de carbono se pueden reducir mediante prácticas agrícolas más sostenibles, como la agricultura regenerativa que mejora el almacenamiento de carbono en el suelo y protege la biodiversidad. Se necesitan incentivos más fuertes para animar a los agricultores a adoptar estas técnicas sostenibles, así como para reducir el metano que produce el ganado a medida que digiere mediante el uso de aditivos en sus alimentos.

Los consumidores pueden ayudar reduciendo su consumo de carne y lácteos, porque los bosques están siendo destruidos para cultivar soya para alimentación animal y para crear pastizales para el pastoreo de ganado. Estos cambios en la cobertura del suelo son responsables del 14 % del CO₂ emisiones y el 5% de las emisiones de metano. A medida que los bosques del mundo son deforestados y perturbados, emiten casi 9 mil millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera cada año. Investigaciones recientes encontraron que la cantidad de carbono emitido debido a la deforestación de los bosques tropicales se ha duplicado desde 2001.

Se necesitan incentivos para fomentar la forestación, la plantación de nuevos bosques y la reforestación de bosques degradados para aumentar el secuestro de carbono y apoyar el mantenimiento de los bosques restantes protegidos e intactos.

Cómo contribuye Columbia

• Un análisis del Centro de Política Energética Global encontró que la conversión de ecosistemas naturales en tierras de cultivo o pastos agrícolas es la mayor fuente de emisiones de efecto invernadero en todo el sistema alimentario, contribuyendo con casi 3 mil millones de toneladas métricas por año.

Algunos países están en camino

Algunos países están haciendo un buen progreso hacia la descarbonización. China, Costa Rica, Dinamarca, Etiopía y el Reino Unido están más avanzados que muchos otros hacia el cero neto, principalmente debido a los recursos naturales con los que han sido bendecidos. Etiopía y Costa Rica obtienen la mayor parte de su electricidad de la energía hidroeléctrica; Noruega genera el 97% y Paraguay el 99% de su electricidad a partir de energía renovable, principalmente hidroeléctrica. China,

Dinamarca y el Reino Unido tienen objetivos de eficiencia energética junto con las políticas e inversiones para apoyarlos. Estados Unidos y China instalaron la mayor cantidad de energía eólica y solar fotovoltaica en 2019, y casi el 25 % de la energía de China es electricidad en lugar de gas natural o petróleo. Alemania anunció recientemente planes para obtener toda su electricidad de fuentes renovables para 2035.

Desafíos y limitaciones

Según la Institución Brookings, lograr el cero neto para 2050 es técnica y económicamente factible con las tecnologías actuales y aquellas en desarrollo, pero requerirá enormes cambios de comportamiento, políticas nuevas y rigurosas y cooperación internacional.

Una cosa que hace que la descarbonización sea un desafío es que, si bien será rentable a largo plazo, requerirá grandes inversiones a corto plazo. Es probable que se necesiten USD 275 billones entre 2021 y 2050 para descarbonizar los sectores anteriores, con la generación de energía, el transporte y los edificios utilizando el 75 % del gasto en activos físicos.

La investigación ha predicho que para descarbonizar completamente la industria se necesitaría de cuatro a nueve veces más electricidad sin carbono que si no hacemos nada para descarbonizar, por lo que se espera que el costo de la electricidad aumente a medida que se expanden los recursos renovables y se construye la infraestructura de la red. . Con el tiempo, es probable que el precio de la electricidad de fuentes renovables baje debido a los costos operativos más bajos, pero los consumidores pueden enfrentar inicialmente costos de energía más altos.

El mayor desafío para la descarbonización es cuánto dinero se ha invertido en la red y la infraestructura de combustibles fósiles, dijo Steve Cohen, profesor en la práctica de asuntos públicos en la Escuela de Asuntos Públicos e Internacionales de la Universidad de Columbia, y director del Programa de Investigación sobre Política y Gestión de la Sostenibilidad. "La persona promedio también ha invertido mucho en combustibles fósiles a través de sus calderas y automóviles a gasolina. Por lo tanto, el desafío solo se superará cuando la energía renovable sea tan barata y conveniente que expulse a los combustibles fósiles del mercado".

La energía renovable también amenaza el modelo de negocio de la red donde la gente paga los servicios públicos por su energía, y los intereses de los combustibles fósiles están retrocediendo, agregó Cohen. Por ejemplo, la Comisión de Servicios Públicos de California (California Public Utilities Commission) está considerando un impuesto de "integración en la red" para las personas que alimentan energía adicional de sus paneles solares a la red.

Alcanzar la descarbonización al 100% también depende de nuevas tecnologías que aún son costosas y aún no están a escala. Los biocombustibles son caros y los suministros son limitados, ya que podrían competir con los alimentos por la tierra. La captura, la utilización y el almacenamiento de carbono son efectivos, pero requerirán mejoras tecnológicas y una ampliación para reducir su costo. La captura y el almacenamiento de carbono bioenergético, donde la biomasa, como los gránulos de madera o los desechos agrícolas, se quema como combustible y las emisiones se capturan y almacenan, es una tecnología relativamente nueva y aún no se ha ampliado. El hidrógeno verde, producido a través de la electrólisis del agua usando energía renovable, cuesta tres veces más que el gas natural en los EE. UU.

“El gobierno necesita hacer inversiones masivas en ciencia y en estas nuevas tecnologías para acelerar el proceso de descarbonización”, dijo Cohen. Los inversionistas privados están ansiosos por invertir en tecnología verde, pero la falta de políticas consistentes y a largo plazo para garantizar los esfuerzos continuos de reducción de carbono hace que la inversión sea riesgosa.

Es por eso que una amplia gama de políticas que establecen estándares y objetivos de desempeño y brindan incentivos para recompensar el CO₂ son necesarios para impulsar la inversión en tecnologías bajas en carbono. Un impuesto global al carbono también ayudaría a impulsar a las economías a descarbonizarse, aunque aumentaría aún más el costo de la energía. Sin embargo, las políticas que se necesitan para impulsar el progreso hacia la descarbonización son difíciles de implementar debido a la polarización política y los esfuerzos de cabildeo de la industria de los combustibles fósiles.

Por ejemplo, 20 estados con legislaturas controladas por republicanos han adoptado leyes de preferencia respaldadas por intereses de combustibles fósiles que prohíben que los estados prohíban el gas natural, lo que significa evitar que pasen a la electrificación de edificios. Texas aprobó una ley que exige que los fondos de pensiones estatales se deshagan de las empresas que se alejan de los combustibles fósiles, y una ley de Virginia Occidental impediría que las empresas que boicotean a las empresas de energía reciban contratos estatales.

El último informe del IPCC encontró que el cambio climático está ocurriendo tan rápido que es posible que los humanos no puedan adaptarse a sus impactos. Lo que se necesita para ayudar a obstaculizar los intentos de impedir aún más la acción climática es una ciudadanía mejor educada sobre los impactos climáticos, la necesidad crítica de descarbonizar y lo que requerirá. Además, es importante que existan medidas, como subsidios para compensar los precios más altos de la energía, para aliviar cualquier carga económica resultante, en particular para las comunidades desfavorecidas y de bajos ingresos.

Cohen confía en que podremos descarbonizar nuestra economía a tiempo para evitar impactos climáticos catastróficos. Sin embargo, en lugar de enmarcar el problema en términos de cambio climático, cree que sería más efectivo resaltar algo en lo que todos puedan estar de acuerdo. "Deberíamos centrarnos en un consenso sobre el que podamos construir:modernizar nuestra red de energía vulnerable y anticuada. Un sistema de energía moderno, de bajo costo y menos contaminante es algo que todos deberían encontrar atractivo porque todos dependemos de la energía".