Para evitar que o planeta aqueça mais de 1,5°C acima dos níveis pré-industriais, a maioria dos países, incluindo os EUA, tem metas de atingir zero líquido até 2050. Zero líquido significa que todas as emissões de gases de efeito estufa produzidas são contrabalançadas por uma quantidade igual de emissões que são eliminados. Alcançar isso exigirá uma rápida descarbonização.
Há dois aspectos na descarbonização. A primeira envolve a redução das emissões de gases de efeito estufa produzidas pela queima de combustíveis fósseis. Isso pode ser feito prevenindo emissões por meio do uso de fontes de energia renovável de carbono zero, como eólica, solar, hidrelétrica, geotérmica e biomassa, que agora representam um terço da capacidade global de energia, e eletrificando o maior número possível de setores. A eficiência energética reduzirá a demanda por energia, mas o aumento da eletrificação a aumentará e, em 2050, espera-se que a demanda por energia seja mais que o dobro do que é hoje.

Consequentemente, a descarbonização também exigirá a absorção de carbono da atmosfera, capturando as emissões e aumentando o armazenamento de carbono em terras agrícolas e florestas.

Para alcançar a descarbonização, todos os aspectos da economia devem mudar – desde como a energia é gerada e como produzimos e entregamos bens e serviços, até como as terras são gerenciadas. As emissões de dióxido de carbono e metano que estão aquecendo o planeta vêm em grande parte dos setores de geração de energia, indústria, transporte, construção e agricultura e uso da terra da economia global, portanto, todos esses setores devem ser transformados. Veja como poderia ser a descarbonização em cada setor.

Geração de energia

Com a população global prevista para chegar a 10 bilhões em 2060 e a crescente eletrificação da sociedade, a demanda por eletricidade crescerá, portanto, diminuir as emissões por unidade de eletricidade produzida é essencial. A geração de energia, incluindo a produção de eletricidade e calor, é responsável por 30% do CO₂ global emissões por causa dos combustíveis fósseis envolvidos; eles precisam ser substituídos por energia renovável.

As fontes renováveis ​​são agora tão econômicas que compuseram a maior parte da nova capacidade de geração de energia em 2018. Os preços da energia solar caíram cerca de 80% nos últimos 10 anos, enquanto a energia eólica caiu 40%. Os custos de armazenamento de baterias em escala de concessionárias caíram 70% entre 2015 e 2018. No entanto, como as fontes de energia renovável são intermitentes, as concessionárias ainda dependem da energia de linha de base consistente que as usinas de combustível fóssil e nuclear podem fornecer.

Para os EUA atingirem sua meta líquida zero, devem passar de gerar cerca de 20% da eletricidade de fontes livres de carbono hoje para pelo menos 75% até 2030. Isso exigirá aumentar a geração de energia renovável e manter as fontes de energia nuclear se a energia nuclear plantas são seguras. As usinas de carvão devem ser aposentadas ou adaptadas para capturar 90% de suas emissões. A captura, utilização e armazenamento de carbono precisam ser expandidos para capturar CO₂ emissões de usinas de combustível fóssil remanescentes. Este CO₂ pode ser usado no local ou transportado para outro lugar para uso em combustíveis, produtos químicos ou materiais de construção, ou injetado em um reservatório subterrâneo para armazenamento permanente.

As usinas de energia também devem ser mais eficientes em termos energéticos. Dois terços da energia consumida para produzir eletricidade é perdida como calor residual; usar esse calor residual para aquecer a usina ou prédios próximos, por exemplo, pode aumentar a eficiência energética da geração de energia em 80%.

As linhas de transmissão devem ser construídas para levar a energia renovável de onde é gerada para todas as partes do país. À medida que as energias renováveis ​​são cada vez mais integradas à rede, é necessário melhorar o armazenamento de energia de baixo custo para ajudar a suavizar sua intermitência e garantir a confiabilidade, especialmente porque as mudanças climáticas trazem condições climáticas mais extremas. A geração distribuída – pequenos sistemas de geração de energia modulares descentralizados, como microrredes – pode usar energia renovável e adicionar resiliência à rede existente.

Os programas de incentivo também são importantes para incentivar os consumidores a reduzir o uso de energia em momentos de alto estresse na rede e gerenciar o consumo de energia doméstica por meio de aplicativos.

Como a Columbia está contribuindo

• O Sabin Center for Climate Change Law da Colômbia oferece suporte jurídico pro bono para pessoas que desejam ver o desenvolvimento de energia renovável em suas comunidades, mas enfrentam oposição.
• Na natureza, CO₂ reage espontaneamente com certas rochas, prendendo o gás que aquece o planeta em uma forma mineral sólida. Peter Kelemen, do Observatório Terrestre Lamont-Doherty de Columbia, está encontrando maneiras de utilizar esse processo em larga escala para descarbonização. Duas empresas iniciantes já estão colocando suas inovações para funcionar.
• David Goldberg, professor de pesquisa do Observatório da Terra Lamont-Doherty da Universidade de Columbia, sugeriu emparelhar turbinas eólicas offshore com tecnologia que captura dióxido de carbono. Dessa forma, quando as turbinas geram mais eletricidade do que o necessário para atender à demanda do consumidor, a eletricidade extra pode ser usada para extrair CO₂ do ar.
• Baterias potentes são necessárias para armazenar energia renovável para momentos em que o sol não está brilhando e o vento não está soprando. Dan Steingart da Columbia Engineering está trabalhando para construir baterias melhores. Em um projeto em andamento, ele pretende simplificar bastante e reduzir o custo de fabricação de baterias de íons de lítio alterando sua estrutura interna.

Indústria

Processos industriais, como produção de aço, cimento e produtos químicos, bem como extração e refino de petróleo, carvão e gás, produzem 30% do CO global₂ emissões e 33% das emissões de metano. A indústria consome 32% da energia dos EUA.

Este setor é um dos mais difíceis de descarbonizar porque a produção de aço, cimento e produtos químicos pode exigir temperaturas de 1600°C ou mais, que são facilmente produzidas pela combustão de combustíveis fósseis, mas difíceis de alcançar por meio da eletrificação. Para eletrificar essa intensa geração de calor exigiria mudanças significativas nos fornos e tanta energia que provavelmente seria economicamente inviável.

Para descarbonizar verdadeiramente a indústria, os processos de produção precisarão ser redesenhados. A eficiência energética na indústria pode ser aumentada por meio da integração de processos, seja por meio de projeto inicial, modernização ou tornando as operações mais eficientes em termos de energia. A cogeração, onde o calor desperdiçado é usado para produzir calor ou eletricidade adicional para a própria usina, e o agrupamento de usinas em um local, que permite sinergia de operações ou recursos, são exemplos de integração de processos.

Os processos devem ser eletrificados com energia renovável sempre que possível. A biomassa produzida de forma sustentável pode ser usada como combustível em algumas fábricas de cimento e novas siderúrgicas, e para a produção de eteno e amônia. O aço também pode ser produzido através da combustão de carvão em vez de carvão; O carvão vegetal é considerado uma fonte de energia renovável, pois é proveniente de madeira que cresce com relativa rapidez. E a amônia, que é usada como fertilizante, pode ser feita com hidrogênio verde.

O uso da captura de carbono deve ser ampliado, pois é a única tecnologia que pode reduzir significativamente as emissões da produção de cimento.

Como a Columbia está contribuindo

• Quando se trata de descarbonizar a produção de aço, o Centro de Política Energética Global da Columbia identificou a biomassa neutra em carbono e a captura e armazenamento de carbono como duas das soluções de menor custo e tecnologicamente mais maduras.
• Em um projeto piloto baseado na Islândia chamado CarbFix, projetado e realizado com a liderança da Columbia, pesquisadores estão reagindo rocha basáltica com CO₂ capturado de uma usina. A equipe mistura gases gerados por uma usina geotérmica com água e reinjeta a solução no basalto vulcânico abaixo. Lá, o carbono precipita em minerais esbranquiçados e calcários – carbonatos. CarbFix atualmente injeta e armazena cerca de 10.000 toneladas de CO₂ por ano em minerais de carbonato sólido abaixo do solo.
• Embora o combustível de hidrogênio possa ser criado a partir do gás natural, Dan Esposito, professor associado de engenharia química da Universidade de Columbia, está testando tecnologias que usam energia solar para produzir hidrogênio "verde" sem carbono.

Transporte

Transporte e transporte, incluindo aviação e marítimo, geram 19% de CO₂ emissões. Para chegar a zero líquido nos EUA, 50% de todos os veículos novos devem ter emissão zero até 2030. Isso significa que eles precisam ser veículos elétricos (EVs) movidos por energia renovável ou veículos de célula de combustível de hidrogênio. Mais VEs na estrada exigirão a expansão da infraestrutura da estação de carregamento de EV em todo o país, bem como o desenvolvimento de baterias melhores e mais baratas. O desempenho aprimorado do veículo e a eficiência de combustível também são importantes para reduzir as emissões.

As opções de transporte coletivo e a malha ferroviária precisam ser ampliadas, assim como os serviços de compartilhamento de carros. Para caminhões de longa distância, que são difíceis de eletrificar, podem ser usados ​​combustíveis de baixo carbono, como hidrogênio e combustíveis líquidos sintéticos. Aviação, que é responsável por 2,1% do CO global₂ emissões, é considerado o setor mais difícil de descarbonizar. As emissões da aviação podem ser reduzidas por meio de um melhor gerenciamento do tráfego aéreo, como o uso de rotas mais diretas e voos em velocidades e altitudes ideais e, eventualmente, pela adoção de combustíveis alternativos, como biocombustíveis e hidrogênio verde. O transporte marítimo funciona com óleo combustível pesado, produzindo 2,5% das emissões globais. Novas embarcações podem reduzir as emissões por meio de melhorias técnicas, como recuperação de calor residual e operações simplificadas. Como o óleo combustível pesado é muito mais barato que os combustíveis alternativos, é improvável que o transporte marítimo mude para combustíveis de baixo carbono em um futuro próximo.

Como a Columbia está contribuindo

• O Centro de Desenvolvimento Urbano Sustentável da Climate School criou um aplicativo para ajudar as pessoas em Nairóbi a acessar uma rede informal de microônibus, uma importante forma de transporte público naquela cidade. Recentemente, eles também foram coautores de um relatório sobre como os microônibus poderiam ser elétricos em três cidades africanas.

Edifícios

Os edifícios são responsáveis ​​por 6% do CO₂ emissões. Algumas dessas emissões estão incorporadas nos edifícios a partir da mineração, processamento, fabricação, transporte e instalação dos materiais de que são feitos. Outras emissões são geradas pelos edifícios por meio da operação de seus sistemas de aquecimento, eletricidade e refrigeração, cozinha e eletrodomésticos.

Para a construção de novos edifícios, fabricação mais eficiente de materiais de construção e uso de materiais mais ecológicos, como madeira de florestas manejadas de forma sustentável, materiais reciclados não tóxicos ou concreto que incorpore CO₂ reduzirá as emissões. Edifícios com carbono negativo podem produzir mais energia do que eles próprios precisam com painéis solares e alimentá-la de volta à rede.

Edifícios existentes e antigos precisam ser adaptados para aumentar a eficiência energética através da melhoria do isolamento, vedação de lacunas, mudança para sistemas eletrificados de aquecimento e refrigeração com bombas de calor que funcionam com energia renovável, instalação de LEDs, implementação de sistemas inteligentes de gerenciamento de energia e criação de incentivos para aparelhos energeticamente eficientes e fogões elétricos. Padrões nacionais de eficiência para edifícios, equipamentos de aquecimento e refrigeração e eletrodomésticos são necessários para impulsionar essas mudanças.

Como a Columbia está contribuindo

• O engenheiro mecânico Vijay Modi investigou como descarbonizar sistemas de aquecimento, que geralmente funcionam com petróleo ou gás natural. Seu laboratório descobriu que o uso de bombas de calor elétricas movidas a energia renovável pode reduzir drasticamente as emissões de gases do efeito estufa e economizar dinheiro para os consumidores.
• A fabricação de cimento é responsável por 5% do CO global₂ emissões. Alissa Park, diretora do Lenfest Center for Sustainable Energy, está trabalhando em um cimento "mais verde" feito com emissões de carbono capturadas. Seu método reage a cinzas de usinas de energia com CO₂ capturado para produzir carbonato de cálcio. Este material pode ser usado para fazer concreto ou papel com menor pegada de carbono. Park está usando um processo semelhante para limpar os resíduos da produção de aço, outro material de construção essencial.
• Dan Esposito e Shih Kawashima, da Columbia Engineering, também estão trabalhando para descarbonizar o processo de fabricação de cimento. Seu processo extrai matérias-primas da água do mar e usa processamento em temperatura ambiente para convertê-las em cimento que é comparável em força ao cimento Portland, o padrão industrial atual. Eles estimam que seu cimento pode absorver mais de 100 quilos de CO₂ por tonelada de concreto, em vez de liberar 170 kg por tonelada pelo processo normal.

Agricultura e uso da terra

O uso e as práticas de energia agrícola geram 1% de CO₂ e 38% das emissões de metano, este último principalmente da pecuária. As emissões de carbono podem ser reduzidas por meio de práticas agrícolas mais sustentáveis, como a agricultura regenerativa que aumenta o armazenamento de carbono no solo e protege a biodiversidade. Incentivos mais fortes são necessários para incentivar os agricultores a adotar essas técnicas sustentáveis, bem como para reduzir a produção de metano do gado à medida que digerem usando aditivos em seus alimentos.

Os consumidores podem ajudar reduzindo a ingestão de carne e laticínios, porque as florestas estão sendo destruídas para cultivar soja para ração animal e criar pastagens para o gado. Essas mudanças na cobertura da terra são responsáveis ​​por 14% do CO₂ emissões e 5% das emissões de metano. À medida que as florestas do mundo são desmatadas e perturbadas, elas emitem quase 9 bilhões de toneladas de dióxido de carbono na atmosfera a cada ano. Pesquisas recentes descobriram que a quantidade de carbono emitida devido ao desmatamento de florestas tropicais dobrou desde 2001.

São necessários incentivos para incentivar o florestamento, o plantio de novas florestas e o reflorestamento de florestas degradadas para aumentar o sequestro de carbono e apoiar a manutenção das florestas remanescentes protegidas e intactas.

Como a Columbia está contribuindo

• Uma análise do Center on Global Energy Policy descobriu que a conversão de ecossistemas naturais em terras agrícolas ou pastagens é a maior fonte de emissões de efeito estufa em todo o sistema alimentar, contribuindo com quase 3 bilhões de toneladas métricas por ano.

Alguns países estão a caminho

Alguns países estão fazendo bons progressos em direção à descarbonização. China, Costa Rica, Dinamarca, Etiópia e Reino Unido estão mais longe do zero líquido do que muitos outros, principalmente por causa dos recursos naturais com os quais são abençoados. A Etiópia e a Costa Rica obtêm a maior parte de sua eletricidade de hidrelétricas; A Noruega gera 97% e o Paraguai 99% de sua eletricidade a partir de energia renovável, principalmente hidrelétrica. China,

A Dinamarca e o Reino Unido têm metas de eficiência energética, juntamente com políticas e investimentos para apoiá-las. Os EUA e a China instalaram mais energia eólica e solar fotovoltaica em 2019, e quase 25% da energia da China é eletricidade, em vez de gás natural ou petróleo. A Alemanha anunciou recentemente planos para obter toda a sua eletricidade de fontes renováveis ​​até 2035.

Desafios e limitações

Segundo a Brookings Institution, atingir o zero líquido até 2050 é técnica e economicamente viável com as tecnologias atuais e em desenvolvimento, mas exigirá enormes mudanças comportamentais, novas políticas rigorosas e cooperação internacional.

Uma coisa que torna a descarbonização desafiadora é que, embora seja lucrativa no longo prazo, exigirá grandes investimentos no curto prazo. Provavelmente, serão necessários US$ 275 trilhões entre 2021 e 2050 para descarbonizar os setores acima, com geração de energia, transporte e edifícios usando 75% dos gastos em ativos físicos.

Pesquisas previram que para descarbonizar completamente a indústria levaria de quatro a nove vezes mais eletricidade com zero carbono do que se não fizermos nada para descarbonizar, portanto, espera-se que o custo da eletricidade aumente à medida que os recursos renováveis ​​são expandidos e a infraestrutura da rede é construída. . Eventualmente, o preço da eletricidade de fontes renováveis ​​provavelmente cairá devido aos custos operacionais mais baixos, mas os consumidores podem inicialmente enfrentar custos de energia mais altos.

O maior desafio para a descarbonização é quanto dinheiro foi investido na rede e na infraestrutura de combustíveis fósseis, disse Steve Cohen, professor na prática de relações públicas da Escola de Relações Internacionais e Públicas da Universidade de Columbia e diretor do Programa de Pesquisa em Política e Gestão de Sustentabilidade. "A pessoa média também investiu muito em combustíveis fósseis por meio de suas caldeiras e carros movidos a gasolina. Portanto, o desafio só será superado quando a energia renovável se tornar tão barata e conveniente que eliminará os combustíveis fósseis do mercado."

A energia renovável também ameaça o modelo de negócios da rede, onde as pessoas pagam serviços públicos por sua energia, e os interesses dos combustíveis fósseis estão recuando, acrescentou Cohen. Por exemplo, a Comissão de Serviços Públicos da Califórnia está considerando um imposto de "integração de rede" para pessoas que fornecem energia extra de seus painéis solares de volta à rede.

Alcançar 100% de descarbonização também depende de novas tecnologias que ainda são caras e ainda não estão em escala. Os biocombustíveis são caros e os suprimentos são limitados, pois podem competir com os alimentos por terra. A captura, utilização e armazenamento de carbono são eficazes, mas exigirão melhorias tecnológicas e ampliação para reduzir seu custo. A captura e armazenamento de carbono da bioenergia, onde biomassa como pellets de madeira ou resíduos agrícolas são queimados como combustível e as emissões são capturadas e armazenadas, é uma tecnologia relativamente nova e ainda não foi ampliada. O hidrogênio verde, produzido pela eletrólise da água usando energia renovável, custa três vezes mais que o gás natural nos EUA.

“O governo precisa fazer investimentos maciços em ciência e nessas novas tecnologias para acelerar o processo de descarbonização”, disse Cohen. Os investidores privados estão ansiosos para investir em tecnologia verde, mas a falta de políticas consistentes e de longo prazo para garantir os esforços contínuos de redução de carbono torna o investimento arriscado.

É por isso que uma ampla gama de políticas que definem padrões e metas de desempenho e fornecem incentivos para recompensar CO₂ são necessárias para impulsionar o investimento em tecnologias de baixo carbono. Um imposto global sobre o carbono também ajudaria a descarbonizar as economias, embora aumentasse ainda mais o custo da energia. As políticas necessárias para estimular o progresso em direção à descarbonização são difíceis de implementar, no entanto, devido à polarização política e aos esforços de lobby da indústria de combustíveis fósseis.

Por exemplo, 20 estados com legislaturas controladas pelos republicanos adotaram leis de preempção apoiadas por interesses de combustíveis fósseis que proíbem os estados de proibir o gás natural, o que significa impedi-los de mudar para a eletrificação de edifícios. O Texas aprovou uma lei exigindo que os fundos de pensão estaduais desinvestissem em empresas que se afastassem dos combustíveis fósseis, e uma lei da Virgínia Ocidental impediria que empresas que boicotassem empresas de energia recebessem contratos estaduais.

O último relatório do IPCC descobriu que as mudanças climáticas estão ocorrendo tão rapidamente que os humanos podem não ser capazes de se adaptar aos seus impactos. O que é necessário para ajudar a impedir as tentativas de impedir ainda mais a ação climática é uma cidadania mais bem informada sobre os impactos climáticos, a necessidade crítica de descarbonizar e o que isso exigirá. Além disso, é importante que existam medidas em vigor, como subsídios para compensar os preços mais altos da energia, para aliviar quaisquer encargos econômicos resultantes, principalmente para comunidades desfavorecidas e de baixa renda.

Cohen está confiante de que seremos capazes de descarbonizar nossa economia a tempo de evitar impactos climáticos catastróficos. No entanto, em vez de enquadrar a questão em termos de mudança climática, ele acredita que seria mais eficaz destacar algo com o qual todos possam concordar. "Devemos nos concentrar em um consenso sobre o qual podemos construir:modernizar nossa rede de energia vulnerável e antiquada. Um sistema de energia moderno, de baixo custo e menos poluente é algo que todos deveriam achar atraente porque todos dependemos de energia."