深度脱碳的创新议程：弥合联邦能源研发组合中的差距

信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面1脱碳：弥合联邦能源研发组合中的差距由科林CUNLIFF | 2018年11月将碳污染减少到零将需要一套涵盖所有经济部门的广泛技术，并且可以提供与化石燃料一样便宜和可靠的能源。世界还没有走上实现避免气候变化最严重影响所必需的碳排放量大幅减少的轨道。1虽然美国在2007年至2017年的10年间排放量略有下降 - 主要是由于天然气和可再生能源替代煤炭发电 - 但这一趋势可能即将结束。2在全球范围内，情况甚至不那么令人鼓舞，碳污染尚未达到峰值，去年排放量增加了2%。3需要大幅增加联邦能源研究，开发和示范（RD&D）并进行重大调整，以打破这一迫在眉睫的死胡同。过去10年的能源创新议程侧重于降低成本和扩大风能和太阳能资源的发电利用，并取得了相当大的成功。现在是时候将议程扩大到这个“唾手可得的果实”之外。将碳污染减少到零将需要一套更广泛的技术，涵盖所有经济部门，以便提供与化石燃料一样便宜和可靠的能源。这项工作应扩大到难以脱碳的行业，如航空旅行和航运，以及水泥和钢铁生产，目前没有好的零碳选择。本报告诊断了当前清洁能源创新议程的局限性，并确定了研发组合中代表性不足的部门和技术。它制定了一套六项“技术任务”来弥合这些差距，并向美国决策者提供了以下建议 - 尽管所有任务和许多建议都是所有发达国家都应该接受的。一个创新议程深 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面2任务1:先进的核能重新确定能源部（DOE）核能办公室（NE）的优先级，以专注于先进的核反应堆技术，并承诺展示至少一种先进的反应堆设计。扩大能源部基础能源科学办公室和国家科学基金会（NSF）的基础科学研究与NE和国防部（DOD）的应用研发之间的联系。致力于建造多功能测试反应堆，以便在快中子环境中测试材料和燃料设计。开发符合先进反应堆概念燃料要求的国内高测定、低浓缩铀（HA-LEU）供应。将研发扩展到核能的其他应用，例如提供工艺热或生产碳中和燃料。任务2:长时间网格Storage4以储能联合研究中心为蓝本，建立第二个创新中心，追求长续电网储能的科学技术。扩大能源部应用能源办公室和ARPA-E在电网存储研发方面的投资，并将其重点放在长期问题上。与其他利益相关者合作，扩大能源部对长期电网存储技术示范项目的资金。在国家科学技术委员会（NSTC）内建立一个关于长期网格存储的机构间工作组，以促进机构间的信息交流和协调。在国际使命创新框架内提出并领导长期网格存储的新创新挑战。任务3:无碳燃料建立一个创新中心，专注于不使用化石燃料作为原料的氢气和氨生产方法。 将研发扩展到氢和其他碳中和燃料在航空和长途航运等难以脱碳的运输部门的应用。建立一个研发计划，专注于碳中和燃料在工业领域的应用（例如，提供高温工艺热）。实施最近美国国家科学院关于碳利用的报告的建议，该报告侧重于将二氧化碳转化为燃料和化学品的化学和生物途径。5 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面3任务4：碳捕集、利用与封存（CCUS） 建立碳捕集示范计划，资助天然气、钢铁、混凝土和其他大型二氧化碳源碳捕集的首个示范项目。 扩大能源部第十七条贷款计划，以涵盖工业设施的碳捕获。 在煤炭项目办公室之外建立一个单一的碳捕集研发计划，其中包括包括水泥和钢铁在内的所有行业的碳源。扩大碳利用研发计划，以满足美国国家科学院碳利用报告中确定的研究需求。继续支持盐水层和枯竭油气田地质封存的研发，并扩大封存研发，包括玄武岩和其他吸碳矿物层。任务5:二氧化碳的去除技术 建立一个应用的研发计划，实施国家科学院关于负排放技术的报告的建议，并优先考虑直接空气捕获的试点规模示范。研究提高碳去除能力和减轻陆基方法对环境的影响的方法，包括加强土壤碳固存的方法。建立一个创新中心，满足碳去除途径的基础科学需求。在NSTC内建立一个机构间工作组，以协调联邦研究并促进机构间的信息交流。任务6:基本的能源研究将能源前沿研究中心 （EFRC） 的数量增加一倍，并确保与难以脱碳的技术任务保持一致。为下一代能源部用户设施提供全额资金，并对现有设施进行计划升级。 评估现有用户设施的容量是否足以容纳所有具有科学价值的研究应用，并制定计划，在必要时建造额外的用户设施。扩大NSF对能源相关研究的资助，以推进支撑清洁能源技术突破的科学。以下部分解释了为什么世界需要零碳能源。下一节研究了当前的全球和国内排放轨迹，发现如果没有进一步的创新，国内排放预计将趋于平稳，而全球排放量将在2050年之前继续增加。然后，该报告确定了当前美国的差距。 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面4在没有重视清洁能源无碳属性的市场的情况下，成本和性能竞争力将成为清洁能源采用的主要驱动力。能源研发组合，并概述了解决“难以消除”碳排放的创新议程。最后几节开发了弥合这些差距的技术任务。世界需要无碳能源气候变化正在发生，并且已经在危害社会。在上个世纪，化石燃料的燃烧、森林砍伐和土地利用的变化大大增加了大气中吸热温室气体的浓度。6结果，自1900年以来，全球平均地表温度上升了约1.8华氏度（1.0摄氏度），全球平均海平面上升了8英寸。7极端温度和严重风暴的频率和强度都在增加，自1980年代以来，与天气和气候有关的数十亿美元的灾害数量呈上升趋势。8曾经被认为是100年一遇的洪水或热浪现在发生的频率要高得多。应对气候变化需要在本世纪末之前恢复大气中碳的自然平衡，并将碳污染减少到零，甚至净负。最近的政府间气候变化专门委员会（IPCC）特别报告发现，到本世纪中叶，排放量必须降至零，才有合理的机会将平均变暖限制在2.7°F (1.5°C)。3.6甚至更放松的目标°F (2°C）要求在大多数情况下，年碳污染在2100年之前降至零。9实现低碳经济需要零碳能源。10天然气的碳含量约为煤炭的一半，经常被讨论为碳中和能源系统的“桥梁燃料”，并且已经成为当前减排的主要驱动力。但天然气本身并不是一个长期的解决方案。11实现净零排放将需要用零碳能源取代几乎所有未减排的化石燃料燃烧。深度脱碳（此处定义为碳排放量减少80%至100%）比更温和的减排更具挑战性，文献中强烈同意，多样化的选择组合 - 包括可再生能源，存储，核能和化石能源的碳捕获 - 提供了实现低碳能源系统的最佳机会。12但低碳能源需要更便宜、更好，才能实现广泛采用。能源在很大程度上是一种可替代的商品——如果来自燃煤电厂或风电场，从墙上插座出来的电力没有明显的区别。唯一直接的区别是成本和可靠性。在没有重视清洁能源无碳属性的市场的情况下，成本和性能竞争力将成为清洁能源采用的主要驱动力。13对于发展中经济体来说尤其如此，预计这些经济体将占新能源需求的最大份额，并且不太可能愿意为清洁能源支付溢价（直接或通过碳税）。 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面5没有创新:一个排放死胡同?发达国家部分地区的碳排放量有所下降，导致气候和能源政策界的许多人过早地感到胜利主义，即我们已经拥有阻止气候变化所需的所有技术。乍一看，似乎有理由感到乐观。澳大利亚、奥地利、加拿大、瑞士和美国等国家已经达到了排放峰值，现在的同比略有下降。例如，美国在2007年达到了排放峰值。从那时起，国内碳污染在过去十年中有七年下降，2017年比2007年的水平低14%。14但即使是这些适度的减排量也远低于实现零碳能源系统所需的速度本世纪中叶。15发展中国家的排放量继续增加。在过去10年中，全球排放量增长了18%，主要由中国（增长49%）和印度（增长76%）推动，因为它们经济增长并扩大了获得电力和其他能源服务的机会。在同一时间段内，世界其他地区的排放量增加了23%（图1）。图1:年度有限公司2按地区分列的化石燃料和工业排放1640,00035,00030,00025,00020,00015,00010,0005,0000196019701980199020002010世界其他地区 美国 欧盟 印度 中国持续增长的原因很简单：随着发展中国家将越来越多的公民带入中产阶级，随之而来的是人均能源消耗的增加，在化石燃料仍然是最廉价能源形式的地方，排放量将继续上升。去年，撒哈拉以南非洲只有43%的人口用上了电。同样，亚洲发展中国家只有55%的人口能够获得清洁的烹饪燃料。随着发展中国家扩大获得能源服务的机会，只要它们仍然比零碳能源便宜，它就会转向化石燃料。例如，2017年，能源需求增长的72%。公吨二氧化碳(百万) 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面6向低碳能源系统的过渡速度不够快，规模不足以应对气候挑战。化石燃料满足了需求，可再生能源和核电的无碳能源满足了其他28个。17有迹象表明，向清洁技术的过渡可能会停滞不前，而不是加速。在发达国家，推动当前适度减排的趋势（例如，天然气发电量的增加）可能会停滞不前，导致排放量趋于平稳而不是继续下降。如果不在清洁能源方面进行额外的创新和降低成本，发展中国家将继续转向更便宜的化石燃料来满足其不断增长的能源需求，从而导致全球排放量继续增加。简而言之，向低碳能源系统的过渡——无论是在国内还是在全球范围内——都不够快，规模也不足以应对气候挑战。美国碳排放：当前趋势和早期预警信号美国提供了一个说明性的例子，说明当前趋势和技术的局限性，以及深度脱碳的障碍。电力部门一直是减排的真正主力，从2005年到2017年，发电排放量下降了28%。美国其他部门的排放量并没有下降得那么快：运输和工业部门的排放量分别下降了4%，而商业和住宅建筑（与能源相关的碳排放的最小来源）的排放量下降了9%（图2）。18图2:美国能源有限公司2排放量sector192,5002,0001,5001,0005000199019952000200520102015电力运输行业 商业住宅推动电力部门减排的趋势包括电力需求增长缓慢和发电碳强度降低。低负荷增长是经济中电力生产率提高的结果，即经济产出（以国内生产总值的美元衡量）与电力消耗的比率。在美国经济中，电力生产率在过去10年中有8年有所提高，以应对能源效率的提高以及经济的结构性变化，包括转向电力密集度较低的制造业。20吨的CO2(百万) 信息技术与创新基金会 | 2018年11月页面的页面7发电碳强度的下降是由于发电结构的变化。燃煤电厂的电力份额从2007年的49%下降到2017年的30%，因为老旧、不经济的燃煤电厂已经退役。21与此同时，天然气发电的份额从2007年的22%上升到2017年的32%，而零碳来源的发电份额 - 包括核电，水电，生物质能，地热，太阳能和风能 - 从28%增加到37%。22根据美国能源信息署（EIA）的数据，自2005年以来发电累计减排量的61%归因于燃料从煤炭转向天然气，其余39%归因于零碳来源的电力份额增加（图3）。23图3：美国电力部门的减排量244504003503002502001501005002006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017转向天然气的节省 非碳发电的节省2016年，运输部门超过电力部门成为美国碳排放的最大来源。由于玉米乙醇等生物燃料含量的增加，燃料的碳强度略有下降，但燃料消耗 - 由车辆的燃油经济性（例如，乘用车的每加仑英里数）和车辆行驶总里程（VMT）决定 - 仍然是运输排放的主要驱动因素。由于经济衰退和高油价，燃油经济性提高和VMT减少，在经济衰退后的几年中降低了燃料消耗。但近年来，VMT的增加远远抵消了燃油经济性的提高，导致排放量略有增加。25根据交通部的数据，到2046年，VMT预计将每年增长0.9%。26在工业部门，直接碳排放（不包括购电的间接排放）近年来几乎没有变化。大部分直接排放是由于现场燃烧化石燃料用于热能和电力，而各种工业过程产生的排放量较少。27从煤炭到天然气的燃料转换导致工业部门的碳强度在2007年至2007年间降低了