Pour empêcher la planète de se réchauffer de plus de 1,5 °C au-dessus des niveaux préindustriels, la plupart des pays, y compris les États-Unis, ont pour objectif d'atteindre le zéro net d'ici 2050. Le zéro net signifie que toutes les émissions de gaz à effet de serre produites sont contrebalancées par une quantité égale d'émissions. qui sont éliminés. Pour y parvenir, il faudra une décarbonation rapide.

Il y a deux aspects à la décarbonation. Le premier consiste à réduire les émissions de gaz à effet de serre produites par la combustion d'énergies fossiles. Cela peut être fait en prévenant les émissions grâce à l'utilisation de sources d'énergie renouvelables sans carbone telles que l'éolien, le solaire, l'hydroélectricité, la géothermie et la biomasse, qui représentent désormais un tiers de la capacité énergétique mondiale, et en électrifiant autant de secteurs que possible. L'efficacité énergétique réduira la demande d'énergie, mais l'augmentation de l'électrification l'augmentera, et en 2050, la demande d'électricité devrait être plus du double de ce qu'elle est aujourd'hui.

Par conséquent, la décarbonisation nécessitera également d'absorber le carbone de l'atmosphère en capturant les émissions et en améliorant le stockage du carbone dans les terres agricoles et les forêts.

Pour parvenir à la décarbonation, tous les aspects de l'économie doivent changer, de la façon dont l'énergie est générée, et comment nous produisons et fournissons des biens et services, à la façon dont les terres sont gérées. Les émissions de dioxyde de carbone et de méthane qui réchauffent la planète proviennent en grande partie des secteurs de la production d'électricité, de l'industrie, des transports, des bâtiments, de l'agriculture et de l'utilisation des terres de l'économie mondiale. Ces secteurs doivent donc tous être transformés. Voici à quoi pourrait ressembler la décarbonisation dans chaque secteur.

Production d'énergie

Avec une population mondiale qui devrait atteindre 10 milliards d'habitants en 2060 et une électrification croissante de la société, la demande d'électricité va augmenter, il est donc essentiel de réduire les émissions par unité d'électricité produite. La production d'électricité, y compris la production d'électricité et de chaleur, est responsable de 30 % du CO mondial₂ émissions en raison des combustibles fossiles impliqués ; ils doivent être remplacés par des énergies renouvelables.

Les sources renouvelables sont désormais si économiques qu'elles constituaient la majorité de la nouvelle capacité de production d'énergie en 2018. Les prix de l'énergie solaire ont chuté d'environ 80 % au cours des 10 dernières années, tandis que l'énergie éolienne a chuté de 40 %. Les coûts de stockage des batteries à l'échelle des services publics ont chuté de 70 % entre 2015 et 2018. Cependant, comme les sources d'énergie renouvelables sont intermittentes, les services publics dépendent toujours de l'énergie de base constante que les combustibles fossiles et les centrales nucléaires peuvent fournir.

Pour que les États-Unis atteignent leur objectif net zéro, ils doivent passer d'une production d'environ 20 % d'électricité à partir de sources sans carbone aujourd'hui à au moins 75 % d'ici 2030. Cela nécessitera d'augmenter la production d'énergie renouvelable et de maintenir les sources d'énergie nucléaire si l'énergie nucléaire les plantes sont en sécurité. Les centrales au charbon doivent être retirées ou réaménagées pour capter 90 % de leurs émissions. La capture, l'utilisation et le stockage du carbone doivent être étendus pour capturer le CO₂ émissions des centrales électriques à combustible fossile restantes. Ce CO₂ peut être utilisé sur place ou transporté ailleurs pour être utilisé dans des carburants, des produits chimiques ou des matériaux de construction, ou injecté dans un réservoir souterrain pour un stockage permanent.

Les centrales électriques doivent également être rendues plus économes en énergie. Les deux tiers de l'énergie consommée pour produire de l'électricité sont perdus sous forme de chaleur perdue; l'utilisation de cette chaleur perdue pour chauffer l'usine ou les bâtiments voisins, par exemple, peut augmenter l'efficacité énergétique de la production d'électricité de 80 %.

Les lignes de transmission doivent être construites pour acheminer l'énergie renouvelable d'où elle est produite vers toutes les régions du pays. Comme les énergies renouvelables sont de plus en plus intégrées dans le réseau, un meilleur stockage d'énergie à faible coût pour le réseau est nécessaire pour aider à lisser leur intermittence et assurer la fiabilité, d'autant plus que le changement climatique apporte des conditions météorologiques plus extrêmes. La production distribuée (petits systèmes de production d'énergie modulaires décentralisés tels que les micro-réseaux) peut utiliser des énergies renouvelables et renforcer la résilience du réseau existant.

Les programmes d'incitation sont également importants pour encourager les consommateurs à réduire leur consommation d'énergie en période de forte tension sur le réseau et à gérer la consommation d'énergie domestique via des applications.

Comment Columbia contribue

• Le Sabin Center for Climate Change Law de Columbia fournit une assistance juridique pro bono aux personnes qui souhaitent voir le développement des énergies renouvelables dans leurs communautés, mais qui se heurtent à une opposition.
• Dans la nature, le CO₂ réagit spontanément avec certaines roches, emprisonnant le gaz réchauffant la planète sous une forme minérale solide. Peter Kelemen du Lamont-Doherty Earth Observatory de Columbia trouve des moyens d'utiliser ce processus à grande échelle pour la décarbonisation. Deux start-up mettent déjà ses innovations en pratique.
• David Goldberg, professeur-chercheur à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l'Université de Columbia, a suggéré d'associer des éoliennes offshore à une technologie qui capte le dioxyde de carbone. Ainsi, lorsque les turbines génèrent plus d'électricité que nécessaire pour répondre à la demande des consommateurs, l'électricité supplémentaire peut être utilisée pour extraire le CO₂ depuis les airs.
• Des batteries puissantes sont nécessaires pour stocker l'énergie renouvelable lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas. Dan Steinart de Columbia Engineering travaille à la construction de meilleures batteries. Dans le cadre d'un projet en cours, il vise à simplifier considérablement et à réduire le coût de fabrication des batteries lithium-ion en modifiant leur structure interne.

Industrie

Les processus industriels, tels que la production d'acier, de ciment et de produits chimiques, ainsi que l'extraction et le raffinage de pétrole, de charbon et de gaz, produisent 30 % du CO mondial₂ émissions et 33 % des émissions de méthane. L'industrie consomme 32 % de l'énergie aux États-Unis.

Ce secteur est l'un des plus difficiles à décarboner car la production d'acier, de ciment et de produits chimiques peut nécessiter des températures de 1600 ° C ou plus, qui sont facilement produites par la combustion de combustibles fossiles, mais difficiles à atteindre par l'électrification. Électrifier cette génération de chaleur intense nécessiterait des modifications importantes des fours et tellement d'énergie que cela serait probablement irréalisable sur le plan économique.

Pour véritablement décarboner l'industrie, les processus de production devront être repensés. L'efficacité énergétique dans l'industrie peut être augmentée grâce à l'intégration des processus, que ce soit par la conception initiale, la modernisation ou l'amélioration de l'efficacité énergétique des opérations. La cogénération, où la chaleur perdue est utilisée pour produire de la chaleur ou de l'électricité supplémentaire pour l'usine elle-même, et le regroupement d'usines sur un site, qui permet une synergie des opérations ou des ressources, sont des exemples d'intégration de processus.

Les processus doivent être électrifiés avec des énergies renouvelables dans la mesure du possible. La biomasse produite de manière durable peut être utilisée comme combustible dans certaines cimenteries et nouvelles aciéries, ainsi que pour la production d'éthylène et d'ammoniac. L'acier peut également être produit par combustion de charbon de bois plutôt que de charbon; le charbon de bois est considéré comme une source d'énergie renouvelable puisqu'il provient du bois qui pousse relativement vite. Et l'ammoniac, qui est utilisé comme engrais, pourrait être fabriqué avec de l'hydrogène vert.

L'utilisation de la capture du carbone devrait être étendue car c'est la seule technologie qui peut réduire de manière significative les émissions de la production de ciment.

Comment Columbia contribue

• En ce qui concerne la décarbonisation de la production d'acier, le Center on Global Energy Policy de Columbia a identifié la biomasse neutre en carbone et le captage et le stockage du carbone comme deux des solutions les moins coûteuses et les plus avancées sur le plan technologique.
• Dans le cadre d'un projet pilote islandais appelé CarbFix, conçu et réalisé avec la direction de Columbia, des chercheurs font réagir la roche basaltique avec du CO₂ capté d'une centrale électrique. L'équipe mélange les gaz générés par une centrale géothermique avec de l'eau et réinjecte la solution dans le basalte volcanique en dessous. Là, le carbone se précipite en minéraux blanchâtres et crayeux, les carbonates. CarbFix injecte et stocke actuellement environ 10 000 tonnes de CO₂ par an en minéraux carbonatés solides sous terre.
• Alors que l'hydrogène peut être créé à partir de gaz naturel, Dan Esposito, professeur associé de génie chimique à l'université de Columbia, teste des technologies qui utilisent l'énergie solaire pour fabriquer de l'hydrogène "vert" sans carbone.

Transports

Les transports et les transports, y compris aériens et maritimes, génèrent 19 % de CO₂ émissions. Pour atteindre le zéro net aux États-Unis, 50 % de tous les nouveaux véhicules doivent être à zéro émission d'ici 2030. Cela signifie qu'ils doivent être des véhicules électriques (VE) alimentés par des énergies renouvelables ou des véhicules à pile à combustible à hydrogène. Plus de véhicules électriques sur la route nécessiteront l'expansion de l'infrastructure des bornes de recharge pour véhicules électriques à travers le pays ainsi que le développement de batteries meilleures et moins chères. L'amélioration des performances du véhicule et l'efficacité énergétique sont également importantes pour réduire les émissions.

Les options de transport en commun et le réseau ferroviaire doivent être étendus, ainsi que les services d'autopartage. Pour le camionnage longue distance, difficile à électrifier, des carburants à faible teneur en carbone tels que l'hydrogène et les carburants liquides synthétiques peuvent être utilisés. L'aviation, responsable de 2,1 % du CO₂ mondial émissions, est considéré comme le secteur le plus difficile à décarboner. Les émissions de l'aviation peuvent être réduites grâce à une meilleure gestion du trafic aérien, par exemple en utilisant des routes plus directes et en volant à des vitesses et à des altitudes optimales, et éventuellement grâce à l'adoption de carburants alternatifs tels que les biocarburants et l'hydrogène vert. Le transport maritime fonctionne au fioul lourd, produisant 2,5 % des émissions mondiales. Les nouveaux navires pourraient réduire les émissions grâce à des améliorations techniques, telles que la récupération de la chaleur perdue et la rationalisation des opérations. Cependant, comme le fioul lourd est beaucoup moins cher que les carburants alternatifs, il est peu probable que le transport maritime passe à des carburants à faible émission de carbone dans un avenir proche.

Comment Columbia contribue

• Le Centre pour le développement urbain durable de la Climate School a créé une application pour aider les habitants de Nairobi à accéder à un réseau informel de minibus, une forme importante de transport en commun dans cette ville. Récemment, ils ont également co-écrit un rapport sur la façon dont les minibus pourraient être rendus électriques dans trois villes africaines.

Bâtiments

Les bâtiments sont responsables de 6 % du CO₂ émissions. Certaines de ces émissions sont incorporées dans les bâtiments à partir de l'extraction, du traitement, de la fabrication, du transport et de l'installation des matériaux dont ils sont faits. D'autres émissions sont générées par les bâtiments par le fonctionnement de leurs systèmes de chauffage, d'électricité et de refroidissement, de cuisson et d'appareils électroménagers.

Pour la construction de nouveaux bâtiments, une fabrication plus efficace des matériaux de construction et l'utilisation de matériaux plus écologiques tels que le bois provenant de forêts gérées de manière durable, des matériaux recyclés non toxiques ou du béton contenant du CO₂ réduira les émissions. Les bâtiments à bilan carbone négatif peuvent produire plus d'énergie qu'ils n'en ont eux-mêmes besoin grâce à des panneaux solaires et la réinjecter dans le réseau.

Les bâtiments existants et anciens doivent être rénovés pour accroître l'efficacité énergétique en améliorant l'isolation, en comblant les lacunes, en passant à des systèmes de chauffage et de refroidissement électrifiés avec des pompes à chaleur fonctionnant à l'énergie renouvelable, en installant des LED, en mettant en œuvre des systèmes intelligents de gestion de l'énergie et en créant des incitations pour les appareils économes en énergie. et cuisinières électriques. Des normes d'efficacité nationales pour les bâtiments, les équipements de chauffage et de refroidissement et les appareils sont nécessaires pour conduire ces changements.

Comment Columbia contribue

• L'ingénieur mécanicien Vijay Modi a étudié comment décarboner les systèmes de chauffage, qui fonctionnent souvent au mazout ou au gaz naturel. Son laboratoire a découvert que l'utilisation de pompes à chaleur électriques alimentées par des énergies renouvelables pouvait réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre et faire économiser de l'argent aux consommateurs.
• La fabrication de ciment est responsable de 5 % du CO mondial₂ émissions. Alissa Park, directrice du Lenfest Center for Sustainable Energy, travaille sur un ciment "plus vert" fabriqué avec des émissions de carbone captées. Sa méthode fait réagir les cendres des centrales électriques avec le CO₂ capturé produire du carbonate de calcium. Ce matériau peut être utilisé pour fabriquer du béton ou du papier avec une empreinte carbone plus faible. Park utilise un processus similaire pour nettoyer les déchets de la production d'acier, un autre matériau de construction essentiel.
• Dan Esposito et Shih Kawashima de Columbia Engineering travaillent également à décarboniser le processus de fabrication du ciment. Leur procédé extrait les matières premières de l'eau de mer et utilise un traitement à température ambiante pour les convertir en ciment dont la résistance est comparable au ciment Portland, la norme industrielle actuelle. Ils estiment que leur ciment pourrait absorber plus de 100 kg de CO₂ par tonne de béton, plutôt que de libérer 170 kg par tonne par le processus habituel.

Agriculture et utilisation des terres

L'utilisation et les pratiques énergétiques agricoles génèrent 1 % de CO₂ et 38 % des émissions de méthane, ces dernières provenant principalement de l'élevage. Les émissions de carbone peuvent être réduites grâce à des pratiques agricoles plus durables, telles que l'agriculture régénérative qui améliore le stockage du carbone dans le sol et protège la biodiversité. Des incitations plus fortes sont nécessaires pour encourager les agriculteurs à adopter ces techniques durables, ainsi que pour réduire le méthane produit par les bovins lors de leur digestion en utilisant des additifs dans leur alimentation.

Les consommateurs peuvent aider en réduisant leur consommation de viande et de produits laitiers, car les forêts sont détruites pour cultiver du soja pour l'alimentation animale et créer des pâturages pour le bétail. Ces changements d'occupation du sol sont responsables de 14 % du CO₂ émissions et 5 % des émissions de méthane. Alors que les forêts du monde sont déboisées et perturbées, elles émettent chaque année près de 9 milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Des recherches récentes ont révélé que la quantité de carbone émise en raison de la déforestation des forêts tropicales a doublé depuis 2001.

Des incitations sont nécessaires pour encourager le boisement, la plantation de nouvelles forêts et le reboisement des forêts dégradées afin d'augmenter la séquestration du carbone et de soutenir la protection et l'intégrité des forêts restantes.

Comment Columbia contribue

• Une analyse du Center on Global Energy Policy a révélé que la conversion des écosystèmes naturels en terres cultivées ou en pâturages est la principale source d'émissions de gaz à effet de serre dans l'ensemble du système alimentaire, contribuant à près de 3 milliards de tonnes métriques par an.

Certains pays sont en route

Certains pays progressent bien vers la décarbonisation. La Chine, le Costa Rica, le Danemark, l'Éthiopie et le Royaume-Uni sont plus avancés que beaucoup d'autres vers le zéro net, principalement en raison des ressources naturelles dont ils disposent. L'Éthiopie et le Costa Rica tirent la majorité de leur électricité de l'hydroélectricité; La Norvège produit 97 % et le Paraguay 99 % de son électricité à partir d'énergies renouvelables, principalement de l'hydroélectricité. Chine,

Le Danemark et le Royaume-Uni ont des objectifs d'efficacité énergétique ainsi que des politiques et des investissements pour les soutenir. Les États-Unis et la Chine ont installé le plus d'énergie éolienne et solaire photovoltaïque en 2019, et près de 25 % de l'énergie de la Chine est l'électricité plutôt que le gaz naturel ou le pétrole. L'Allemagne a récemment annoncé son intention d'obtenir toute son électricité à partir de sources renouvelables d'ici 2035.

Défis et limites

Selon la Brookings Institution, atteindre le zéro net d'ici 2050 est techniquement et économiquement réalisable avec les technologies actuelles et celles en développement, mais cela nécessitera d'énormes changements de comportement, de nouvelles politiques rigoureuses et une coopération internationale.

Une chose qui rend la décarbonation difficile est que, même si elle sera rentable à long terme, elle nécessitera d'énormes investissements à court terme. Il faudra probablement 275 000 milliards de dollars entre 2021 et 2050 pour décarboner les secteurs ci-dessus, la production d'électricité, les transports et les bâtiments utilisant 75 % des dépenses en actifs physiques.

La recherche a prédit que pour décarboner complètement l'industrie, il faudrait quatre à neuf fois plus d'électricité sans carbone que si nous ne faisions rien pour décarboner, de sorte que le coût de l'électricité devrait augmenter à mesure que les ressources renouvelables sont développées et que l'infrastructure du réseau est construite. . À terme, le prix de l'électricité produite à partir de sources renouvelables baissera probablement en raison de la baisse des coûts d'exploitation, mais les consommateurs pourraient initialement faire face à des coûts énergétiques plus élevés.

Le plus grand défi de la décarbonisation est le montant d'argent investi dans le réseau et l'infrastructure des combustibles fossiles, a déclaré Steve Cohen, professeur de pratique des affaires publiques à la School of International and Public Affairs de l'Université de Columbia et directeur du programme de recherche sur Politique et gestion de la durabilité. "La personne moyenne a également beaucoup investi dans les combustibles fossiles grâce à ses chaudières et à ses voitures à essence. Le défi ne sera donc relevé que lorsque les énergies renouvelables deviendront si bon marché et si pratiques qu'elles chasseront les combustibles fossiles du marché."

Les énergies renouvelables menacent également le modèle commercial du réseau où les gens paient les services publics pour leur électricité, et les intérêts des combustibles fossiles repoussent, a ajouté Cohen. Par exemple, la California Public Utilities Commission envisage une taxe "d'intégration au réseau" pour les personnes qui réinjectent de l'énergie supplémentaire de leurs panneaux solaires dans le réseau.

Atteindre 100 % de décarbonation dépend aussi de nouvelles technologies encore coûteuses et pas encore à grande échelle. Les biocarburants sont chers et les approvisionnements sont limités car ils pourraient concurrencer la nourriture pour la terre. La capture, l'utilisation et le stockage du carbone sont efficaces mais nécessiteront des améliorations technologiques et une mise à l'échelle pour réduire leur coût. La capture et le stockage du carbone bioénergétique, où la biomasse telle que les granulés de bois ou les déchets agricoles sont brûlés comme combustible et les émissions sont capturées et stockées, est une technologie relativement nouvelle et n'a pas encore été développée. L'hydrogène vert, produit par électrolyse de l'eau à l'aide d'énergies renouvelables, coûte trois fois plus cher que le gaz naturel aux États-Unis.

"Le gouvernement doit investir massivement dans la science et dans ces nouvelles technologies pour accélérer le processus de décarbonisation", a déclaré Cohen. Les investisseurs privés sont impatients d'investir dans les technologies vertes, mais l'absence de politiques cohérentes et à long terme pour garantir la poursuite des efforts de réduction des émissions de carbone rend l'investissement risqué.

C'est pourquoi un large éventail de politiques qui fixent des normes et des objectifs de performance et offrent des incitations pour récompenser le CO₂ réduction sont nécessaires pour stimuler les investissements dans les technologies à faible émission de carbone. Une taxe mondiale sur le carbone aiderait également à pousser les économies à se décarboner, même si elle augmenterait encore le coût de l'énergie. Les politiques nécessaires pour stimuler les progrès vers la décarbonisation sont cependant difficiles à mettre en œuvre en raison de la polarisation politique et des efforts de lobbying de l'industrie des combustibles fossiles.

Par exemple, 20 États dotés de législatures contrôlées par les républicains ont adopté des lois de préemption soutenues par les intérêts des combustibles fossiles qui interdisent aux États d'interdire le gaz naturel, ce qui signifie les empêcher de passer à l'électrification des bâtiments. Le Texas a adopté une loi exigeant que les fonds de pension de l'État se départissent des entreprises qui abandonnent les combustibles fossiles, et une loi de Virginie-Occidentale empêcherait les entreprises qui boycottent les entreprises énergétiques de recevoir des contrats de l'État.

Le dernier rapport du GIEC a révélé que le changement climatique se produit si rapidement que les humains pourraient ne pas être en mesure de s'adapter à ses impacts. Ce qu'il faut pour aider à contrecarrer les tentatives d'entraver davantage l'action climatique, c'est une population mieux informée sur les impacts climatiques, le besoin critique de décarboner et ce qu'elle exigera. De plus, il est important que des mesures soient en place, telles que des subventions pour compenser la hausse des prix de l'énergie, afin d'alléger les charges économiques qui en résultent, en particulier pour les communautés défavorisées et à faible revenu.

Cohen est convaincu que nous serons en mesure de décarboniser notre économie à temps pour éviter des impacts climatiques catastrophiques. Cependant, plutôt que de cadrer la question en termes de changement climatique, il pense qu'il serait plus efficace de mettre en évidence quelque chose sur lequel tout le monde peut s'entendre. "Nous devrions nous concentrer sur un consensus sur lequel nous pouvons nous appuyer :moderniser notre réseau énergétique vulnérable et désuet. Un système énergétique moderne, moins coûteux et moins polluant est quelque chose que tout le monde devrait trouver attrayant, car nous dépendons tous de l'énergie."