För att förhindra att planeten värms upp mer än 1,5°C över förindustriella nivåer har de flesta länder, inklusive USA, mål att nå nettonoll år 2050. Netto noll innebär att alla utsläpp av växthusgaser som produceras uppvägs av en lika stor mängd utsläpp som elimineras. För att uppnå detta krävs snabb avkolning.

Det finns två aspekter på avkarbonisering. Den första handlar om att minska utsläppen av växthusgaser från förbränning av fossila bränslen. Detta kan göras genom att förhindra utsläpp genom att använda förnybara energikällor utan koldioxidutsläpp som vind, sol, vattenkraft, geotermisk energi och biomassa, som nu utgör en tredjedel av den globala kraftkapaciteten, och elektrifiera så många sektorer som möjligt. Energieffektivisering kommer att minska efterfrågan på energi, men ökad elektrifiering kommer att öka den, och år 2050 förväntas efterfrågan på kraft bli mer än dubbelt så stor som den är idag.

Följaktligen kommer avkolning också att kräva att kol från atmosfären tas upp genom att fånga upp utsläpp och förbättra kollagringen i jordbruksmarker och skogar.

För att uppnå koldioxidutsläpp måste alla aspekter av ekonomin förändras – från hur energi genereras, och hur vi producerar och levererar varor och tjänster, till hur mark sköts. Koldioxid- och metanutsläppen som värmer upp planeten kommer till stor del från energiproduktion, industri, transport, byggnader, jordbruk och markanvändning sektorer i den globala ekonomin, så dessa sektorer måste alla omvandlas. Så här kan avkolning se ut i varje sektor.

Strömproduktion

Med den globala befolkningen som förväntas nå 10 miljarder år 2060, och en ökande elektrifiering av samhället, kommer efterfrågan på el att växa, så att minska utsläppen per producerad enhet el är avgörande. Kraftproduktion, inklusive el- och värmeproduktion, står för 30 % av den globala CO₂ utsläpp på grund av de inblandade fossila bränslena; de måste ersättas av förnybar energi.

Förnybara källor är nu så ekonomiska att de utgjorde majoriteten av den nya energiproduktionskapaciteten 2018. Solenergipriserna har sjunkit med cirka 80 % under de senaste 10 åren, medan vindkraften har sjunkit med 40 %. Kostnader för lagring av batterier i allmän skala sjönk med 70 % mellan 2015 och 2018. Men eftersom förnybara energikällor är intermittenta förlitar sig företag fortfarande på den konsekventa basenergi som fossila bränslen och kärnkraftverk kan tillhandahålla.

För att USA ska nå sitt nettonollmål måste det gå från att generera cirka 20 % av elen från kolfria källor idag till minst 75 % till 2030. Detta kommer att kräva ökad förnybar energiproduktion och upprätthålla kärnkraftskällor om kärnkraften växter är säkra. Kolverk måste pensioneras eller byggas om för att fånga upp 90 % av deras utsläpp. Kolavskiljning, användning och lagring måste utökas för att fånga upp CO₂ utsläpp från kvarvarande fossilbränslekraftverk. Denna CO₂ kan användas på plats eller transporteras någon annanstans för användning i bränslen, kemikalier eller byggmaterial, eller injiceras i en underjordisk reservoar för permanent lagring.

Kraftverk måste också göras mer energieffektiva. Två tredjedelar av den energi som förbrukas för att producera el går förlorad som spillvärme; att använda den spillvärmen för att värma upp anläggningen eller närliggande byggnader, till exempel, kan öka energieffektiviteten för elproduktion med 80 %.

Transmissionsledningar måste byggas ut för att ta förnybar energi varifrån den genereras till alla delar av landet. Eftersom förnybara energikällor alltmer integreras i nätet, behövs förbättrad lågkostnadsenergilagring för nätet för att hjälpa till att jämna ut deras intermittens och säkerställa pålitlighet, särskilt eftersom klimatförändringarna medför mer extremt väder. Distribuerad produktion – små, decentraliserade modulära energigenereringssystem som mikronät – kan använda förnybar energi och öka motståndskraften till det befintliga nätet.

Incitamentsprogram är också viktiga för att uppmuntra konsumenter att minska energianvändningen i tider av hög stress på nätet och för att hantera hemmets energiförbrukning via appar.

Hur Columbia bidrar

• Columbias Sabin Center for Climate Change Law ger pro bono juridiskt stöd till människor som vill se utveckling av förnybar energi i sina samhällen men som möter motstånd.
• I naturen, CO₂ reagerar spontant med vissa stenar och fångar den planetvärmande gasen i en fast mineralform. Peter Kelemen från Columbias Lamont-Doherty Earth Observatory håller på att hitta sätt att använda denna process i stor skala för avkolning. Två nystartade företag sätter redan igång hans innovationer.
• David Goldberg, en forskningsprofessor vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, har föreslagit att man ska para ihop havsbaserade vindkraftverk med teknik som fångar upp koldioxid. På så sätt, när turbinerna genererar mer el än vad som behövs för att möta konsumenternas efterfrågan, kan den extra elen användas för att dra CO₂ från luften.
• Kraftfulla batterier behövs för att lagra förnybar energi för tillfällen då solen inte skiner och vinden inte blåser. Dan Steinart från Columbia Engineering arbetar med att bygga bättre batterier. I ett pågående projekt strävar han efter att avsevärt förenkla och sänka kostnaderna för tillverkning av litiumjonbatterier genom att ändra deras interna struktur.

Bransch

Industriella processer – såsom stål-, cement- och kemisk produktion samt utvinning och raffinering av olja, kol och gas – producerar 30 % av den globala CO₂ utsläpp och 33 % av metanutsläppen. Industrin förbrukar 32 % av USA:s energi.

Denna sektor är en av de svåraste att koldioxidutlösa eftersom stål-, cement- och kemisk produktion kan kräva temperaturer på 1600°C eller mer, som lätt produceras genom förbränning av fossila bränslen, men svåra att uppnå genom elektrifiering. Att elektrifiera denna intensiva värmealstring skulle kräva betydande förändringar av ugnar och så mycket energi att det sannolikt skulle vara ekonomiskt omöjligt.

För att verkligen minska koldioxidutsläppen i industrin måste produktionsprocesserna omdesignas. Energieffektiviteten inom industrin kan ökas genom att integrera processer, antingen genom initial design, eftermontering eller genom att göra verksamheten mer energieffektiv. Kraftvärme, där spillvärme används för att producera ytterligare värme eller elektricitet till själva anläggningen, och klustring av anläggningar på en plats, vilket möjliggör synergi mellan verksamheter eller resurser, är exempel på processintegration.

Processer bör elektrifieras med förnybar energi där så är möjligt. Hållbart producerad biomassa kan användas till bränsle vid vissa cementfabriker och nya stålverk samt för eten- och ammoniakproduktion. Stål kan också produceras genom kolförbränning snarare än kol; Träkol anses vara en förnybar energikälla eftersom det kommer från trä som växer relativt snabbt. Och ammoniak, som används som gödningsmedel, skulle kunna tillverkas med grönt väte.

Användningen av kolavskiljning bör utökas eftersom det är den enda tekniken som avsevärt kan minska utsläppen från cementproduktion.

Hur Columbia bidrar

• När det kommer till koldioxidutsläpp av stålproduktion har Columbia's Center on Global Energy Policy identifierat kolneutral biomassa och koldioxidavskiljning och -lagring som två av de lägsta och mest tekniskt mogna lösningarna.
• Vid ett Islandsbaserat pilotprojekt som heter CarbFix – designat och genomfört med Columbias ledning – reagerar forskare basaltisk sten med CO₂ fångat från ett kraftverk. Teamet blandar gaser som genereras av ett geotermiskt kraftverk med vatten och återinjekterar lösningen i den vulkaniska basalten nedanför. Där faller kolet ut till vitaktiga, kritaktiga mineral – karbonater. CarbFix injicerar och lagrar för närvarande cirka 10 000 ton CO₂ per år i fasta karbonatmineraler under jord.
• Medan vätebränsle kan skapas från naturgas, testar Dan Esposito, docent i kemiteknik vid Columbia University, teknik som använder solenergi för att göra kolfritt "grönt" väte.

Transport

Transporter och transporter, inklusive flyg och sjöfart, genererar 19 % av CO₂ utsläpp. För att nå nettonoll i USA måste 50 % av alla nya fordon ha nollutsläpp senast 2030. Det betyder att de måste vara elfordon (EV) som drivs av förnybar energi, eller vätebränslecellsfordon. Fler elbilar på vägen kommer att kräva utbyggnad av infrastrukturen för laddstationer för elbilar över hela landet samt utveckla bättre och billigare batterier. Förbättrad fordonsprestanda och bränsleeffektivitet är också viktiga för att minska utsläppen.

Alternativen för kollektivtrafik och järnvägsnätet måste byggas ut, liksom bildelningstjänster. För långdistanstransporter, som är svåra att elektrifiera, kan koldioxidsnåla bränslen som väte och syntetiska flytande bränslen användas. Aviation, som står för 2,1 % av den globala CO₂ utsläpp, anses vara den svåraste sektorn att koldioxidavskilja. Flygets utsläpp kan minskas genom förbättrad flygtrafikledning, som att använda mer direkta rutter, och flyga med optimala hastigheter och höjder, och så småningom genom införandet av alternativa bränslen som biobränslen och grönt väte. Sjötransporter går på tung eldningsolja, vilket ger 2,5 % av de globala utsläppen. Nya fartyg skulle kunna minska utsläppen genom tekniska förbättringar, såsom spillvärmeåtervinning och effektiviserad verksamhet. Eftersom den tunga eldningsoljan är mycket billigare än alternativa bränslen är det dock osannolikt att sjötransporter kommer att gå över till koldioxidsnåla bränslen inom en snar framtid.

Hur Columbia bidrar

• Climate School's Center for Sustainable Urban Development skapade en app för att hjälpa människor i Nairobi att komma åt ett informellt nätverk av minibussar, en viktig form av kollektivtrafik i den staden. Nyligen var de också medförfattare till en rapport om hur minibussar kunde göras elektriska i tre afrikanska städer.

Byggnader

Byggnader står för 6 % av CO₂ utsläpp. En del av dessa utsläpp finns i byggnaderna från gruvdrift, bearbetning, tillverkning, transport och installation av material de är gjorda av. Andra utsläpp genereras av byggnader genom driften av deras värme-, el- och kylsystem, matlagning och apparater.

För nybyggnation, effektivare tillverkning av byggmaterial och användning av grönare material som trä från hållbart skötta skogar, giftfria återvunna material eller betong som innehåller CO₂ kommer att minska utsläppen. Kolnegativa byggnader kan producera mer energi än de själva behöver med solpaneler och mata tillbaka den till elnätet.

Befintliga och äldre byggnader behöver byggas om för att öka energieffektiviteten genom att förbättra isoleringen, täta luckor, byta till elektrifierade värme- och kylsystem med värmepumpar som körs på förnybar energi, installera lysdioder, implementera smarta energiledningssystem och skapa incitament för energieffektiva apparater och elektriska spisar. Nationella effektivitetsstandarder för byggnader, värme- och kylutrustning och apparater behövs för att driva dessa förändringar.

Hur Columbia bidrar

• Mekanikingenjören Vijay Modi har undersökt hur man kan avkolna värmesystem, som ofta drivs på olja eller naturgas. Hans labb har funnit att användning av elektriska värmepumpar som drivs av förnybar energi kan dramatiskt minska utsläppen av växthusgaser och spara pengar för konsumenterna.
• Cementtillverkning står för 5 % av den globala CO₂ utsläpp. Alissa Park, chef för Lenfest Center for Sustainable Energy, arbetar på ett "grönare" cement tillverkat med infångade koldioxidutsläpp. Hennes metod reagerar aska från kraftverk med fångad CO₂ för att producera kalciumkarbonat. Detta material kan användas för att tillverka betong eller papper med ett lägre koldioxidavtryck. Park använder en liknande process för att sanera avfall från produktionen av stål, ett annat viktigt konstruktionsmaterial.
• Dan Esposito och Shih Kawashima från Columbia Engineering arbetar också med att avkola cementtillverkningsprocessen. Deras process extraherar råmaterial från havsvatten och använder rumstemperaturbearbetning för att omvandla dem till cement som är jämförbar i styrka med Portlandcement, dagens industriella standard. De uppskattar att deras cement kan absorbera mer än 100 kilo CO₂ per ton betong – snarare än att släppa ut 170 kilo per ton genom den vanliga processen.

Jordbruk och markanvändning

Jordbrukets energianvändning och metoder genererar 1 % av CO₂ utsläpp och 38 % av metanutsläppen, det senare främst från animalieproduktion. Koldioxidutsläppen kan minskas genom mer hållbara jordbruksmetoder, såsom regenerativt jordbruk som förbättrar markens kollagring och skyddar den biologiska mångfalden. Det behövs starkare incitament för att uppmuntra bönder att ta till sig dessa hållbara tekniker, samt för att minska nötkreatursproduktionen med metan när de smälter genom att använda tillsatser i sin mat.

Konsumenter kan hjälpa till genom att minska sitt kött- och mejeriintag, eftersom skogar förstörs för att odla soja för djurfoder och för att skapa betesmarker för boskapsbete. Dessa förändringar i marktäcket är ansvariga för 14 % av CO₂ utsläpp och 5 % av metanutsläppen. Eftersom världens skogar avskogas och störs släpper de ut nästan 9 miljarder ton koldioxid till atmosfären varje år. Ny forskning visade att mängden kol som släpps ut på grund av avskogningen av tropiska skogar har fördubblats sedan 2001.

Incitament behövs för att uppmuntra beskogning, plantering av nya skogar och återplantering av förstörda skogar för att öka kolbindningen och för att stödja att kvarvarande skogar skyddas och intakta.

Hur Columbia bidrar

• En analys från Center on Global Energy Policy visade att omvandlingen av naturliga ekosystem till jordbruksgrödor eller betesmarker är den största källan till växthusutsläpp i hela livsmedelssystemet, och bidrar med nästan 3 miljarder ton per år.

Vissa länder är på väg

Vissa länder gör goda framsteg mot koldioxidutsläpp. Kina, Costa Rica, Danmark, Etiopien och Storbritannien är längre fram till nettonoll än många andra, främst på grund av de naturresurser de är välsignade med. Etiopien och Costa Rica får majoriteten av sin el från vattenkraft; Norge genererar 97 % och Paraguay 99 % av sin el från förnybar energi, mest vattenkraft. Kina,

Danmark och Storbritannien har mål för energieffektivitet tillsammans med policyer och investeringar för att stödja dem. USA och Kina installerade flest solceller från vind och sol 2019, och nästan 25 % av Kinas energi är elektricitet snarare än naturgas eller olja. Tyskland tillkännagav nyligen planer på att få all sin el från förnybara källor till 2035.

Utmaningar och begränsningar

Enligt Brookings Institution är det tekniskt och ekonomiskt möjligt att uppnå nettonoll år 2050 med nuvarande teknologier och de som är under utveckling, men det kommer att kräva enorma beteendeförändringar, rigorösa nya riktlinjer och internationellt samarbete.

En sak som gör avkolning utmanande är att även om det kommer att vara lönsamt på lång sikt, kommer det att kräva enorma investeringar på kort sikt. Det kommer sannolikt att ta 275 biljoner dollar mellan 2021 och 2050 att minska koldioxidutsläppen från sektorerna ovan, med kraftgenerering, transporter och byggnader som använder 75 % av utgifterna för fysiska tillgångar.

Forskning har förutspått att det skulle ta fyra till nio gånger så mycket koldioxidfri el för att helt ta bort koldioxidutsläppen som om vi inte gör något för att minska koldioxidutsläppen, så kostnaden för el förväntas stiga när förnybara resurser byggs ut och nätinfrastrukturen byggs ut. . Så småningom kommer priset på el från förnybara källor sannolikt att sjunka på grund av lägre driftskostnader, men konsumenterna kan initialt möta högre energikostnader.

Den enskilt största utmaningen för avkarbonisering är hur mycket pengar som har investerats i nätet och infrastrukturen för fossila bränslen, säger Steve Cohen, professor i praktiken av offentliga angelägenheter vid Columbia Universitys School of International and Public Affairs, och chef för forskningsprogrammet på Hållbarhetspolicy och förvaltning. "Den genomsnittliga människan har också investerat mycket i fossila bränslen genom sina pannor och bensindrivna bilar. Så utmaningen kommer bara att övervinnas när förnybar energi blir så billig och bekväm att den kommer att driva ut fossila bränslen från marknaden."

Förnybar energi hotar också elnätets affärsmodell där människor betalar energi för sin kraft och fossilbränsleintressen trycker tillbaka, tillade Cohen. Till exempel överväger California Public Utilities Commission en "grid integration" skatt på människor som matar extra energi från sina solpaneler tillbaka till nätet.

Att nå 100 % avkolning beror också på ny teknik som fortfarande är kostsam och ännu inte i stor skala. Biobränslen är dyra och tillgångarna är begränsade eftersom de skulle kunna konkurrera med mat om mark. Avskiljning, användning och lagring av koldioxid är effektivt men kommer att kräva tekniska förbättringar och uppskalning för att minska kostnaderna. Bioenergiavskiljning och lagring av kol, där biomassa som träpellets eller jordbruksavfall förbränns för bränsle och utsläppen fångas upp och lagras, är en relativt ny teknik, och har ännu inte skalats upp. Grönt väte, producerat genom elektrolys av vatten med förnybar energi, kostar tre gånger så mycket som naturgas i USA.

"Regeringen måste göra massiva investeringar i vetenskap och i dessa nya teknologier för att påskynda avkolningsprocessen", sa Cohen. Privata investerare är ivriga att investera i grön teknik, men avsaknaden av konsekventa och långsiktiga policyer för att säkerställa fortsatta ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen gör investeringar riskfyllda.

Det är därför ett brett utbud av policyer som anger prestationsstandarder och mål och ger incitament att belöna CO₂ minskning behövs för att driva investeringar i teknik med låga koldioxidutsläpp. En global koldioxidskatt skulle också bidra till att driva ekonomier att minska koldioxidutsläppen även om det skulle höja energikostnaderna ytterligare. Den politik som behövs för att stimulera framsteg mot koldioxidutsläpp är dock svåra att genomföra på grund av politisk polarisering och lobbyinsatser från fossilbränsleindustrin.

Till exempel har 20 stater med republikanskt kontrollerade lagstiftande församlingar antagit förbudslagar som backas upp av fossilbränsleintressen som förbjuder staterna att förbjuda naturgas, vilket innebär att de hindrar dem från att övergå till elektrifiering av byggnader. Texas antog en lag som kräver att statliga pensionsfonder avyttrar företag som flyttar bort från fossila bränslen, och en lag i West Virginia skulle förhindra företag som bojkottar energiföretag från att få statliga kontrakt.

Den senaste rapporten från IPCC fann att klimatförändringarna sker så snabbt att människor kanske inte kan anpassa sig till dess effekter. Det som behövs för att hjälpa till att stoppa försöken att ytterligare hindra klimatåtgärder är en medborgare som är bättre utbildad om klimatpåverkan, det kritiska behovet av koldioxidutsläpp och vad det kommer att kräva. Dessutom är det viktigt att det finns åtgärder på plats, såsom subventioner för att kompensera för högre energipriser, för att lätta eventuella ekonomiska bördor, särskilt för missgynnade och låginkomstsamhällen.

Cohen är övertygad om att vi kommer att kunna minska koldioxidutsläppen i vår ekonomi i tid för att undvika katastrofala klimatpåverkan. Men snarare än att rama in frågan i termer av klimatförändringar, tror han att det skulle vara mer effektivt att lyfta fram något som alla kan enas om. "Vi bör fokusera på ett samförstånd som vi kan bygga vidare på:att modernisera vårt sårbara och föråldrade energinät. Ett modernt, billigare energisystem som är mindre förorenande är något som alla borde tycka är tilltalande eftersom vi alla är beroende av energi."