工程师:你可以破坏气候变化

七年前，我们发表了一篇文章亚博真人yabo.at题为“怎样才能真正扭转气候变化。“我们描述了我们作为谷歌工程师所学到的东西，他们致力于降低可再生能源成本的出发点是好的，但最终失败了。我们认为，对现有能源技术的渐进式改进不足以扭转气候变化，我们主张进行一系列传统的、尖端的、可能看起来有些疯狂的研发，以找到真正具有颠覆性的解决方案。我们写道:“虽然人类目前正处于严重气候变化的轨道上，但如果研究人员致力于实现几乎不可能实现的目标，这场灾难是可以避免的。我们充满希望，因为有时工程师和科学家确实能完成不可能的事情。”

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今天，仍然在谷歌，我们仍然充满希望。我们很高兴地说，我们犯了一些错误。特别是，可再生能源系统的价格下降速度比我们预期的要快，采用率也超过了我们在2014年引用的预测。

工程师可以进一步扩大成熟的技术，如风能[1]和太阳能[2]。其他新兴技术需要大量创新，比如氢动力飞机[3]和炼钢用电弧炉[4]。为了应对气候变化最严重的直接影响，我们克里斯Philpot

我们先前的文章提到“突破”价格目标(协作建模咨询公司麦肯锡(McKinsey & Co.)的合作，到2050年，美国的排放量将减少55%。从那时起，风能和太阳能的价格已经达到了2020年的目标，而电池的价格甚至更好，直线下降到2050年的预测范围。这些好于预期的价格趋势，加上廉价的天然气，导致美国的煤炭使用量下降下降一半．结果是:到2019年，美国的排放量下降了达到麦肯锡情景预测的2030年的水平——比我们的模型预测的早了10年。

由于电力生产脱碳方面的进步，工程师们正在寻找大量机会，将现有的基于化石燃料燃烧的系统转换为低碳电力。例如，电动热泵正在成为一种具有成本效益的加热燃料替代品，电动汽车的价格正在下降，行驶里程正在上升。

然而，即使取得了所有这些进展，我们仍然处于严重气候变化的轨道上:a到2100年上升3°C。许多国家没有实现他们在2015年承诺的减排目标巴黎协定．即使每个国家都兑现了承诺，也会如此还不够将全球变暖限制在1.5摄氏度以内，大多数专家认为这是避免环境灾难所必需的。今天兑现承诺将需要激烈的竞争削减排放．如果这些大规模的减排没有发生(正如我们认为的那样)，那么就需要其他策略来将气温控制在一定范围内。

能源的平均成本描述了在其生命周期内建造和运行发电厂的成本，以每兆瓦时的美元衡量。自2009年以来，太阳能光伏(PV)和风力发电的成本迅速下降。电池存储容量价格下跌得更快。来源:BloombergNEF

以下是一些关键数字:为了扭转气候变化，即使是部分逆转，我们需要将大气中的二氧化碳水平降低到更安全的阈值百万分之350；在2021年地球日，这一数字达到了417 ppm。我们估计，要实现这一目标，需要去除约2000亿吨的二氧化碳₂从下个世纪的大气中。大规模的去除对于减少大气中现有的CO是必要的₂以及CO₂在我们过渡到碳负社会(从大气中去除的碳比排放的碳多)的过程中，这些碳将被排放出去。

我们在应对气候变化战争中的开局战役需要工程师们致力于许多可以大规模扩展的现有技术。正如风能、太阳能和电池所表明的那样，这种规模的扩大往往会带来成本的大幅下降。其他工业部门需要技术革命来减少排放。如果你用自己的混合气候减缓技术进行试验enroads互动气候工具，你就会看到你有多少个选项可以最大限度地改变我们目前的轨迹，并达到350ppm的CO₂以及全球气温上升不超过1.5摄氏度。

那么，一个想要拯救地球的工程师该怎么做呢?即使我们致力于向无碳能源驱动的社会转变，我们也必须认真对待碳封存，即CO的储存₂在森林、土壤、地质构造和其他地方，它会保持不变。在这个艰难的过渡时期，作为权宜之计，我们还需要考虑管理太阳辐射的技术——使一些射入的阳光偏转，以减少大气的加热。未来几年，这些战略领域需要真正的创新。为了赢得与气候变化的战争，我们也需要新技术。

我们乐观地认为，所需的技术将在几十年内出现。毕竟，过去的工程师只用了几十年的时间就设计出了战争引擎，建造了可以环绕地球的船只，创造了无处不在的实时通信，将计算速度提高万亿倍以上并将人类送入太空和月球。1990年代、2000年代和2010年代是风力发电、太阳能发电和电网级电池分别开始成为主流的几十年。至于哪些技术将定义未来几十年，并使人们能够在一个气候稳定的星球上可持续繁荣地生活，在某种程度上，这取决于你。有足够的资源让工程师们继续努力工作。你准备好了吗?

在我们谈到技术挑战之前这需要你们的注意，请允许我们谈一下政策。气候政策对脱碳工程至关重要，因为它可以使新能源技术的成本大幅下降，并将市场转向低碳替代品。例如，到2005年，德国提供了极其慷慨的援助长期合同给太阳能生产商(大约是美国平均电价的五倍)。这种有保障的需求推动了全球太阳能光伏板市场的发展呈指数级增长．简而言之，德国的临时补贴帮助创造了一个可持续的全球太阳能电池板市场。人们往往低估了在市场力量的推动下，人类创造力的释放能力。

为了实现将变暖限制在1.5°C的目标，二氧化碳净排放量需要立即从我们目前的排放量大幅下降，如行a所示。如果排放量下降需要另一个十年，如行B所示，那么需要去除更多数量的二氧化碳。来源:IPCC报告，“全球变暖1.5°C”

这种太阳能光伏的激增本可以在10年前发生。到1995年，每一项基本工艺都已经准备就绪:工程师们已经掌握了制造硅晶圆、扩散二极管结、将金属网格应用到太阳能电池表面、钝化半导体表面以添加防反射涂层以及叠层模块的技术步骤。唯一缺失的是支持性政策。我们再也承受不起这样“失去的十年”了。我们希望工程师们在审视能源系统时问问自己:除了政策和市场，哪些技术拥有扩大规模和降低成本所需的一切?

诺贝尔经济学奖得主威廉·诺德豪斯(William Nordhaus)在他的书中指出，碳定价有助于应对气候变化气候赌场(耶鲁大学出版社，2015)。今天，碳定价适用于大约22%全球碳排放量。欧盟庞大的碳市场，目前碳的价格是每吨50欧元以上(61美元)，这是中国航空公司、钢铁制造商和其他行业目前正在制定长期脱碳计划的主要原因。但经济学家马克·杰卡德(Mark Jaccard)做到了指出尽管碳税在经济上是最有效的，但它们经常面临巨大的政治反对。因此，加拿大、加利福尼亚和其他地方的气候政策先驱采取了灵活(尽管更复杂)的法规，为行业提供了多种选择，以实现脱碳目标。

工程师们可能会欣赏碳定价的简单和优雅，但最简单的方法并不总是能带来进步。虽然我们工程师不从事制定政策的业务，但我们有必要了解情况，支持有助于我们的行业蓬勃发展的政策。

艰难的脱碳挑战有很多雄心勃勃的工程师。在本文中列举的例子太多了，所以我们将挑选一些最喜欢的例子，供读者参考项目减少这是一个评估气候努力影响的组织，以获取更完整的列表。

让我们以航空旅行为例。它解释了占全球碳排放量的2.5%脱碳是一个有价值的目标。但你不能简单地收集飞机废气并将其输送到地下，工程师们也不太可能在短期内开发出具有航空燃料能量密度的电池。所以有两个选择，要么拉CO₂直接从空气中排放，以抵消飞机的排放，然后将其储存在某个地方，或者换成使用零碳燃料的飞机，比如生物燃料。

一种有趣的可能性是将氢用作航空燃料。空中客车公司目前正在设计一个氢动力飞机该公司表示，它将在2035年投入商业服务。现在的大部分氢气对气候肯定是有害的，因为它是由化石甲烷气体制成的，这个过程会排放CO₂．但是清洁制氢是一个热门的研究课题，而有200年历史的水电解技术——H₂O被分解成氧气和氢气——现在有了新的面貌。如果低碳电力用于电解，产生的清洁氢气可以用于制造化学品、材料和合成燃料。

政策，尤其是在欧洲，日本,澳大利亚正在推动氢研究的发展。例如，欧盟发表了一份雄心勃勃的战略到2030年，欧洲和周边国家的发电能力将达到800千兆瓦。工程师可以帮助压低价格;第一个目标是达到每公斤2美元现在每公斤3到6.5美元)，在这一点上，清洁的氢气将比天然气与碳捕获和封存的组合更便宜。

气候友好型氢还可以带来另一项伟大成就:金属生产脱碳。石器时代让位于铁器时代，只是因为人们想出了如何利用能量从自然界中发现的金属矿石中去除氧气。欧洲的森林被砍伐，部分原因是为了提供木炭，用于金属铁匠加热铁矿石的坩埚中燃烧，因此，当他们在18世纪从木炭转向煤炭时，这被认为是一种环保的胜利。今天，多亏了欧盟的碳排放市场，工程师们也能做到尝试令人兴奋的新方法用氢气和电弧炉从金属矿石中除去氧气。

在脱碳发电和清洁燃料生产方面仍有很多工作要做。在世界范围内，人类使用粗略一泽焦耳一年——10²¹焦耳每年。在不进一步加剧气候变化的情况下满足这一需求意味着我们必须大幅加快零碳能源的部署。例如，每年仅提供1 ZJ的太阳能光伏发电，就需要用电池板覆盖大约1.6%的世界陆地面积。从现在到2050年，仅靠核能就必须每天建造三座10亿瓦的发电厂。显然，我们需要大量具有成本效益和环境友好的选择，特别是考虑到区域资源的巨大差异。

在我们考虑这些选择的同时，我们还需要确保这些能源是稳定可靠的。医院、数据中心、机场、火车和污水处理厂等关键基础设施需要全天候供电。(谷歌就是其中之一，它正在积极寻求全天候无碳能源2030年的数据中心)。大多数大型工业过程，如玻璃、化肥、氢、合成燃料和水泥的生产，目前只有当工厂几乎连续运行时才具有成本效益，而且通常需要高温工艺热。

为了提供稳定的无碳电力和工艺热，我们应该考虑新型的核能。在美国而且加拿大在美国，新政策支持先进的核能开发和发放许可证。数十名先进的核裂变公司为工程师提供各种有趣的挑战，比如创造容错燃料减少反应性当它们加热时。在设计反应堆时，可以回收乏燃料以减少废物和采矿需求，或者通过新燃料来破坏长寿命的废物成分转化技术．

那些被艰难任务吸引的工程师应该考虑一下核聚变在那里，挑战包括控制发生核聚变的等离子体，以及实现净电力输出。本十年在先进核能技术方面的竞争可能会产生让投资者兴奋的赢家，新一轮的政策可能会推动这些技术降低成本曲线，避免先进核能失去的十年。

全球范围内气候保存是一个工程师应该热爱的想法，因为它开辟了新的领域和职业机会。地球的气候已经开环运行了40多亿年;我们很幸运，在现代文明兴起和繁荣的一万年里，地球上剧烈波动的气候异常稳定。我们相信，人类很快就会开始围绕地球气候建立一个控制圈，设计并引入可控制的变化来保护气候。

保护气候的基本原理是避免不可逆转的气候变化。格陵兰冰盖的融化可能会海平面上升6米，或者离家出走的人永久冻土融化可能会释放出足够的温室气体，使全球变暖程度进一步上升。科学家们认为继续不受控制的排放将引发这样的临界点，尽管这一临界点何时出现尚不确定。经济学家诺德豪斯(Nordhaus)将保守的预防原则应用于气候变化，他认为，这种不确定性为更早、更大规模的气候措施提供了理由，而不是在临界点阈值精确已知的情况下。

我们相信积极地追求二氧化碳去除，因为另一种选择既太残酷又太昂贵。一些去除和封存二氧化碳的方法在技术上是可行的，现在也是可行的被试．其他的，如藻类和浮游生物的海洋施肥，在早期的实验中引起了争议，但我们也需要更多地了解这些。

的政府间气候变化专门委员会联合国关于将全球变暖控制在1.5摄氏度的建议要求到2030年将全球净排放量减少近一半，到2050年将全球净排放量减少到零，但各国都做到了没有进行必要的减排．(这里的净排放量指的是实际的CO₂排放量减去CO₂我们把它从空气中提取出来并封存起来。)政府间气候变化专门委员会估计，实现1.5°C的峰值温度目标，并随着时间的推移吸收CO₂浓度下降到350ppm实际上需要负二氧化碳排放量超过10亿吨₂而且只要大气中还存在继续排放CO的垃圾虫，这种情况可能就需要继续下去₂．

En-ROADS工具可以用来模拟气候减缓战略的影响，它表明，将变暖限制在1.5°C需要最大限度地利用所有碳封存的选择，包括生物手段，如重新造林，以及尚不具有成本效益的新兴技术方法。

我们需要封存二氧化碳₂在某种程度上，这是为了补偿无法脱碳的活动。例如，水泥是所有人造材料中碳足迹最大的，产生大约占全球排放量的8%．水泥是通过加热石灰石(主要是方解石或碳酸钙)来制造的_3.)，生产石灰(CaO)。生产1吨水泥石灰会释放1吨二氧化碳₂．如果所有的CO₂水泥生产过程中排放的废气被收集并泵入地下的成本为每吨80美元，我们估计一袋50磅(约23公斤)的混凝土混合物(其中一种成分是水泥)的成本将增加约42美分。这样的价格变化不会阻止人们使用混凝土，也不会显著增加建筑成本。更重要的是，从水泥厂的大烟囱里出来的气体富含CO₂与大气中的稀释量相比，这意味着它更容易捕获和储存。

捕捉水泥的排放将是一个很好的实践，因为我们已经为去除2000 Gt CO的更大提升做好了准备₂在接下来的100年里直接从大气中获取。这是本世纪科学家和工程师面临的最大挑战之一。最近的一次今天的物理文章估计了直接捕获大气CO的成本₂在每吨在100到600美元之间不。这个过程很昂贵，因为它需要大量的能量:直接空气捕获包括迫使大量空气经过吸附剂，然后加热以释放浓缩的CO₂储存或使用。

我们需要在碳捕获和封存方面取得价格突破，与我们在风能、太阳能和电池方面所看到的相媲美。我们估计，按每吨100美元计算，去除2000亿吨二氧化碳₂将在80年内占全球GDP的2.8%左右。相比之下，达到气候临界点的代价是再多的支出也无法弥补的。

原则上，地下岩层的储量不仅能储存十亿吨，而且兆吨二氧化碳₂．但削减所需的规模和紧迫性，需要打破常规的思维。例如，通过给予自然帮助，大规模、低成本的碳去除可能成为可能。在地球运行期间石炭纪在美国，3.5亿年前，大自然隔离了大量的碳，从而减少了大气中的CO₂从超过1000 PPM到我们工业化前的260 PPM(在这个过程中产生了煤)。机制:植物的茎和树皮进化出了含有碳的纤维材料木质素，比其他生物进化出消化木质素的方法早了数百万年。

现在假设海洋吸收并几乎完全重新排放约200亿吨二氧化碳₂每年。如果我们能在100年内防止10%的二氧化碳再排放，我们就能实现封存2000亿吨二氧化碳的目标₂．也许可以改变海洋食物链中的一些生物，让它们排泄出一种难以代谢的有机生物聚合物，比如木质素，这种聚合物会沉淀到海底并隔离碳。浮游植物的繁殖速度很快，为其庞大的规模提供了一条捷径。如果我们解决气候变化的遗产是海底几毫米难消化的富含碳的粪便，我们会接受的。

改变辐射强迫也就是说，将更多的阳光反射到太空——可以作为一种临时的权宜之计来限制变暖，直到我们在减少大气中的CO方面取得进展₂的水平。这样的努力可以避免温度上升对物理和经济造成的最严重影响，一旦危机过去，这些努力就会停止。例如，我们可以减少飞机尾迹的形成，它会捕获热量，并使屋顶和其他表面变成白色，以反射更多的阳光。这两项措施可以使我们预期的地球变暖减少约3%，有助于公众更好地认识到我们的集体行动对气候的影响。

有更雄心勃勃的提议这将反射更多的阳光，但关于这种行为的积极和消极后果还有很多争论。我们相信，最负责任的道路是工程师、化学家、生物学家和生态学家测试所有的选择，特别是那些可以在全球范围内产生影响的选择。

我们并没有声称知道哪些技术可以防止一个变暖超过2摄氏度的反乌托邦世界。但我们坚信，全世界的工程师都能找到方法来提供几十太瓦的无碳能源，从根本上降低工业过程的碳排放，封存大量的CO₂，并暂时偏转必要的太阳辐射量。有效利用支持有价值创新的政策，有助于在未来三、四十年将这些技术落实到位，使我们顺利走上建设稳定宜居星球的道路。工程师们，让我们开始工作吧。无论你是制造机器、设计算法还是分析数字，无论你是修补生物、化学、物理、计算机还是电气工程，你都有一个角色要扮演。

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