Med en massiv, rikstäckande insatser som USA skulle kunna nå nettonollutsläpp av växthusgaser till 2050 med hjälp av befintlig teknik och till kostnader i linje med historiska utgifter för energi, enligt en studie ledd av Princeton University-forskare.

Den nya "Net-Zero America"-forskningen skisserar fem distinkta tekniska vägar för USA att ta bort koldioxid från hela sin ekonomi. Forskningen är den första studien som kvantifierar och kartlägger med denna grad av specificitet, infrastrukturen som behöver byggas och de investeringar som krävs för att driva landet utan att släppa ut mer växthusgaser till atmosfären än vad som tas bort från det varje år. Det är också det första som pekar ut hur jobb och hälsa kommer att påverkas i varje stat på en mycket detaljerad nivå, ibland ner till länet.

Studiens fem scenarier beskriver en mycket detaljerad, stat för stat nivå omfattningen och takten för teknik och kapitalmobilisering som behövs över hela landet, och belysa konsekvenserna för markanvändningen, befintliga energiindustrier, sysselsättning, och hälsa. De första resultaten släpptes den 15 december, som ett erkännande av det brådskande att minska utsläppen av växthusgaser och behovet av omedelbara federala, stat, och lokala politiska insatser. Tidskriftspublikationer kommer att följa i början av 2021.

Under det senaste decenniet, det har strömmat ut forskning från universitet och löften från städer, företag och stater som undersöker och promulgerar ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen i energi och industriella system. Uppgiften är att hålla den globala temperaturökningen långt under 2 grader Celsius för att undvika de värsta effekterna av klimatförändringarna. Målet med en "netto-nollutsläpp"-ekonomi innebär att inte släppa ut fler växthusgaser till atmosfären än som permanent avlägsnas från den genom teknikdrivna eller förbättrade naturliga processer. Om det lyckas, strategin skulle stoppa uppbyggnaden av växthusgaser i atmosfären, som är avgörande för att begränsa den globala uppvärmningen.

Tidigare forskning har undersökt om net-noll är tekniskt möjligt och vad det kan kosta att komma dit. Men en saknad bit har varit detalj som kan informera lokala tjänstemän och myndigheter som är ansvariga för att fatta beslut om viktiga områden för övergången, såsom lokalisering och markanvändning, tillsammans med information till de samhällen och intressenter som formar och påverkas av dessa beslut.

"De flesta studier ger inte denna höga geografiska upplösning för varje stat i landet, vilket gör det svårt att påtagligt uppskatta vad som krävs för att nå netto-noll. Vår forskning hjälper till att göra en framtid med nettonoll levande och verklig för människor, sa Eric Larson, en ledande forskare i studien och en senior forskningsingenjör vid Andlinger Center for Energy and Environment. "Om vi ​​inte kavlar upp ärmarna och verkligen förstår vad vi måste göra när, vi kommer inte att kunna nå våra mål, sa Larson, som också leder centrets analysgrupp för energisystem.

Princeton University-studien leddes av fakulteten och forskare vid Andlinger Center for Energy and the Environment och High Meadows Environmental Institute (HMEI). Projektledarna inkluderar Larson, Jesse Jenkins, biträdande professor i maskin- och rymdteknik och Andlinger Center for Energy and Environment, och Chris Greig, Theodora D. &William H. Walton III seniorforskare vid Andlinger Center. Forskningen är ett pågående projekt av HMEI:s Carbon Mitigation Initiative, ett forskningsprogram fokuserat på att studera och hantera klimatförändringar, och är i linje med Andlinger Centers Rapid Switch, ett brett forskningsinitiativ som undersöker hur man kan påskynda insatserna för att minska koldioxidutsläppen globalt.

Den nya forskningen, som involverade tio Princeton-forskare och åtta externa medarbetare, presenterar fem vägar genom vilka USA kan minska koldioxidutsläppen från hela ekonomin under de kommande 30 åren.

John Holdren, före detta vetenskapsrådgivare till president Obama och tidigare chef för Vita husets kontor för vetenskap och teknologipolitik, kallade studien anmärkningsvärd och sade att den uppmärksammade de områden där politiska åtgärder behövs mest.

"Alla som är seriöst intresserade av den avgörande frågan om detta lands energi-klimatframtid - inte minst den nya Biden-Harris-administrationen - måste förstå resultaten av denna extraordinära studie, sa Holdren, som är professor vid Harvards Kennedy School of Government och Department of Earth and Planetary Sciences, och John A. Paulson School of Engineering and Applied Science.

Eftersom alla fem scenarierna tar landet till nettonollutsläpp, forskarna är neutrala till vad som är "bäst" eller mest sannolikt att implementeras. Alla vägar visade sig involvera årliga utgifter för energi inom det historiska intervallet för vad landet spenderar på energi varje år, cirka 4-6 % av bruttonationalprodukten, eller BNP.

"Netto-nollvägar kräver att vi spenderar en liknande del av BNP som vi spenderar på energi idag, men vi måste omedelbart flytta investeringar mot ny ren infrastruktur istället för befintliga system, sa Jenkins.

Enligt forskningen, följa en "business-as-usual"-väg utan samordnade insatser för att minska koldioxidutsläppen, landet skulle spendera cirka 9,4 biljoner dollar på energi under det kommande decenniet. I alla fem netto-noll scenarier, energisystemkostnaderna beräknas vara endast cirka 3 % (eller 300 miljarder dollar) mer under decenniet, och denna procentandel krymper ytterligare om olje- och gaspriserna är högre än modellerat.

"Vi har nu en bra mängd bevis som visar, 'ja, det är prisvärt.' Vi kan göra det, sade Larson. Och, självklart, det finns betydande kostnader för att inte göra någonting. Klimatvetenskapen har visat att okontrollerad uppvärmning kommer att skada samhällen här i Amerika och över hela världen från förändringar i sjukdomsmönster till att miljontals människor fördrivs från havsnivåhöjningar och översvämningar från mer intensiva stormar."

Scenarierna som den nya forskningen beskriver inkluderar ett scenario med "hög elektrifiering" eller E+, som involverar aggressiv elektrifiering av byggnader och transporter, så att 100 % av bilarna är elektriska år 2050. "Mindre hög elektrifiering" eller E-scenario, elektrifierar i långsammare takt och använder mer flytande och gasformiga bränslen under längre tid. Ett annat scenario, noteras som E-B+, gör att mycket mer biomassa kan användas i energisystemet, som, till skillnad från de andra fyra scenarierna, skulle kräva omvandling av en del mark som för närvarande används för livsmedelsjordbruk för att odla energigrödor. E+ RE+-vägen är ett "allt förnybart" scenario och är också det mest tekniskt restriktiva. Det antar att inga nya kärnkraftverk skulle byggas, förbjuder lagring av koldioxid under jord, och eliminerar all användning av fossila bränslen till 2050. Den förlitar sig istället på en massiv och snabb utbyggnad av vind- och solenergi och större produktion av väte för att uppfylla koldioxidmålen. E+ RE-scenariot, i jämförelse, förlitar sig på "begränsade förnybara energikällor, "begränsa den årliga konstruktionen av vindkraftverk och solkraftverk till att inte vara snabbare än de snabbaste takterna som landet uppnått tidigare, men tar bort andra restriktioner. Detta scenario beror i högre grad på utbyggnaden av kraftverk med kolavskiljning och kärnkraft.

"Eftersom det ser överkomligt ut att komma till noll, nästa nyckelfråga är om vi ska göra detta, hur vill vi göra det? Alla kommer att tjäna på att begränsa klimatförändringarna, men de olika scenarierna har ojämna effekter när de utspelar sig. Vem tjänar mest på, och vem betalar mer? Kan vi göra det rättvist, och så att tillräckligt många ser tydliga fördelar med att det finns en bestående koalition av stöd?" sa Jenkins.

Han sa att dessa frågor skiljer sig mycket från de som energi- och klimatforskare vanligtvis tar upp, vilket är anledningen till att Net-Zero America forskning krävde ett stort team med olika disciplinära bakgrunder och färdigheter för att genomföra undersökningen. I alla fem scenarierna, forskarna fann stora hälso- och ekonomiska fördelar över hela landet. På varje väg, år 2030 används inte längre kol för elproduktion, och det finns en tillhörande minskning av utsläppen av kväveoxider, svaveloxider och fina partiklar från kraftverk. Genom att minska exponeringen för fina partiklar undviks 100, 000 för tidiga dödsfall, vilket motsvarar nästan 1 biljon dollar i luftföroreningsfördelar, i mitten av århundradet jämfört med en "business-as-usual"-väg.

Åtgärderna för att uppnå nettonollutsläpp skapar cirka 500, 000 till 1 miljon nya energijobb över hela landet bara under 2020-talet, med nettosysselsättningsökningar i nästan varje stat. De scenarier som är mer beroende av vind och sol ser att fler energijobb skapas. I nästan alla stater, Förluster av arbetstillfällen inom utvinningsindustrin för fossila industrier kompenseras mer än väl av en ökning av bygg- och tillverkningsindustrin inom sektorn för ren energi. Betydande arbetsförskjutningar och övergångar kommer att inträffa i vissa stater där ekonomin är starkt beroende av kol och olja, som West Virginia och Louisiana. Forskarna sa att de granulära resultaten är användbara för att identifiera var och när dislokation kommer att inträffa och kan informera offentliga policystrategier för att effektivt hantera dessa övergångar.

"Dessa resultat kan ge information till kritiska riktlinjer som kan hjälpa till att hantera effekterna av övergången och skapa en mer rättvis ren energiekonomi och samhälle, " sa Erin Mayfield, en postdoktor vid HMEI som ledde sysselsättnings- och luftföroreningsanalysen i studien.

I alla netto-noll scenarier, den erforderliga omfattningen av investeringar och takten i att bygga ny infrastruktur kräver att snabba förändringar börjar omedelbart, sa forskarna.

"Vi har all teknik vi behöver för att komma igång. Vi måste implementera dem mycket snabbare än vi är idag, och vi måste också investera för att skapa verkliga alternativ för de mindre mogna teknikerna som kommer att behövas på längre sikt, sa Greig.

Vind- och solkraft, tillsammans med elektrifiering av byggnader och bilar, måste växa snabbt detta decennium för att nationen ska vara på en netto-noll-bana. Forskarna sa att 2020-talet också måste användas för att fortsätta utveckla teknik, till exempel de som fångar upp kol vid naturgas- eller cementfabriker eller de som delar vatten för att producera väte, så att de är överkomliga att distribuera i stor skala på 2030-talet. Men under de kommande åren, forskarna sa att det mesta av de stora investeringarna kretsar kring ren elektricitet och elektrifiering och är liknande i alla scenarier.

Enligt forskningen, USA kommer att behöva utöka sina elöverföringssystem med 60 % till 2030, och kan behöva tredubbla den till 2050. Elektrifierande byggnader, främst genom att lägga till värmepumpar för vatten och rumsvärme, och elektrifiering av transporter är ytterligare ett steg som måste påskyndas under 2020-talet för att skapa förutsättningar för någon av vägarna.

"Det nuvarande elnätet tog 150 år att bygga. Nu, att nå nettonollutsläpp till 2050, vi måste bygga upp den mängden överföring igen under de kommande 15 åren och sedan bygga så mycket mer igen under de 15 åren efter det. Det är en enorm mängd förändring, sa Jenkins.

En kritisk fråga för att driva denna agenda för ren energi är var nya produktionsanläggningar för solpaneler och vindkraftverk byggs, och var själva sol- och vindkraftsparkerna är belägna, tillsammans med biobränsleproduktionsanläggningar. Forskningen ger stads- och regionkartor som visar var det är minst kostsamt att bygga dessa anläggningar och var de integreras mest effektivt i energisystemet. Men detta tar inte hänsyn till de sociala och mänskliga aspekterna av var man ska bygga ny infrastruktur.

"Individer och samhällen över hela landet kommer att påverkas av netto-noll-övergångar på olika sätt. Alla amerikaner kommer att vara avgörande partners i denna övergång, och vi måste vara lyhörda för samhällenas behov och värderingar när vi planerar och implementerar den mycket betydelsefulla infrastrukturen och andra utvecklingar som behövs för att nå noll, sa Greig.

Forskarna sa att de hoppas att rapporten kommer, genom att tillhandahålla en mängd olika terminer, ge förtroende för att USA har flera verkliga vägar för att nå nettonollutsläpp, och hjälpa till att vägleda investeringar och politiska prioriteringar under de närmaste åren. De sa att forskningen ger insikter om hur man kan fatta beslut på kort sikt som är förenliga med att eliminera nettokoldioxidutsläpp 30 år från nu.

"Inget av Princeton-scenarierna kommer att visa sig vara" rätt, men tillsammans ger de en övertygande bild av möjliga vägar framåt, sa Holdren.

"Motivationen är att ge detaljerad vägledning för beslutsfattare om vad som krävs för att göra dessa netto-nolllöften till verklighet, med fokus på de åtgärder vi behöver vidta idag som kommer att få bestående effekter långt efter att VD:n har gått i pension eller efter att beslutsfattaren är frånvarande, sa Jenkins.