如何大规模地使世界脱碳

　　近年来，世界在很大程度上已经从遏制碳排放的必要性的争论转向更多地关注行动——制定、实施和部署技术、经济和政策措施，以刺激到本世纪中叶所需的减排规模。这是麻省理工学院能源倡议(MITEI)临时主任罗伯特·斯托纳在2023年MITEI年度研究会议上的开幕致辞中所传达的信息。

　　在为期两天的会议上，与会者包括教职员工、研究人员、行业和金融领袖、政府官员和学生，以及来自世界各地的50多名在线参与者。

　　“我们正处于一个非同寻常的转折点。美国能源部(DOE)贷款项目办公室首席策略师乔纳·瓦格纳(Jonah Wagner)在会议的主旨演讲中说:“我们只有很短的时间，可以通过改变我们的整个能源系统和经济来减轻气候变化的最坏影响。”

　　但他表示，解决方案是存在的。他说:“我们需要部署的大多数技术，以保持接近1.5摄氏度的国际目标，已经得到验证，并准备好了。”“到2030年，我们将拥有所需技术的80%以上，到2050年，我们至少拥有所需技术的一半。”

　　例如，瓦格纳指出，佐治亚州奥古斯塔附近新投入使用的先进核电站是美国一代人以来建造的第一座新核反应堆，部分资金来自美国能源部的贷款。“这将是美国最大的清洁能源来源，”他说。他说，尽管到本世纪中叶在美国实施所有所需的技术将耗资约10万亿美元，即每年约3000亿美元，但其中大部分资金将来自私营部门。

　　他说，美国正面临着他所说的“分布式能源生产的海啸”，这一战略的一个关键例子是鼓励发展虚拟发电厂(VPPs)。他说，美国电网正在增长，到2030年将增加200千兆瓦的峰值需求。但是，他说，不是建造新的大型发电厂来满足需求，而是可以通过vpp来满足大部分增长，vpp是“分布式能源的集合，比如带电池的屋顶太阳能，比如电动汽车和充电器，比如智能电器，电网上的商业和工业负荷，可以像传统发电厂一样一起使用，以帮助平衡供需。”例如，通过改变一些时间不重要的应用程序的需求时间，例如在深夜充电，而不是在需求可能达到峰值的时候下班回家，可以减轻对额外峰值功率的需求。

　　这些项目“提供了广泛的好处”，包括可负担性、可靠性和弹性、脱碳和减排。但他解释说，大规模实施这种系统需要一些前期帮助。他说，为消费者支付参加允许这种时间调整的计划的费用是建立vip的“大部分成本”，“这意味着花在vip上的大部分钱又回到了美国消费者的口袋里。”但要实现这一目标，就需要标准化VPP操作，“这样我们就不必每次部署试点或与公用事业公司合作时都要重新创建轮子。”

　　会议的另一位主讲人、麻省理工学院(MIT)副教务长兼研究行政副校长安妮·怀特(Anne White)列举了最近毁灭性的洪水、野火和世界各地许多其他与极端天气有关的危机，这些危机都因气候变化而加剧。她说:“我们从许多方面看到，能源问题和气候问题是一回事。“因此，我们必须紧急开发和推广低碳和零碳解决方案，以防止未来变暖。我们必须采取切实可行的、以系统为基础的方法，考虑效率、可负担性、公平性和可持续性，以满足世界对能源的需求。”

　　怀特补充说，在麻省理工学院，“我们正在动员一切。”她说，麻省理工学院的人对处理这些全球性问题有一种强烈的责任感，“我认为这是因为我们相信我们拥有能够真正发挥作用的工具。”

　　她指出，从麻省理工学院的实验室中涌现出来的具体有前途的技术之一，是核聚变技术的迅速发展，导致麻省理工学院的衍生公司联邦聚变系统公司(Commonwealth fusion Systems)成立，该公司的目标是在十年内建造一个实用核聚变动力反应堆的示范装置。她强调，这是几十年研究的结果——只有在政府资助的帮助下，学术实验室才能开展这种早期的高风险工作。

　　例如，她指出，MITEI在两年时间里为200多个项目提供了15万美元的种子基金，迄今为止总计超过2800万美元。这种早期支持是“产生我们都需要的那种变革性创新的关键部分”。此外，麻省理工学院的“引擎”项目不仅帮助启动了联邦聚变系统，还帮助成立了Form Energy公司，该公司在西弗吉尼亚州建造了一家工厂，生产用于可再生能源储存的先进铁空气电池，以及其他许多项目。

　　在支持早期创新的主题之后，会议安排了两个小组讨论，重点介绍了学生和校友及其能源相关创业公司的工作。首先，由麻省理工学院创业交易所(MIT’s startup Exchange)主任卡塔琳娜·马德拉(Catarina Madeira)主持的创业公司展示会，介绍了七家最近剥离出来的公司，这些公司正在开发麻省理工学院研究成果中的尖端技术。这些包括:

　　Aeroshield，使用独特的气凝胶材料开发一种新型的高绝缘窗户;

　　Sublime正在开发一种低排放混凝土;

　　发现能源，开发一种使用回收铝作为燃料的方法;

　　Veir，开发超级公司感应电源线;

　　Emvolom，从废气中开发廉价的绿色燃料;

　　波士顿我另外，开发钢铁和其他产品的低排放生产工艺塔尔;

　　Transaera，拥有一种新型高效空调;和

　　国际碳回收公司，生产廉价的氢燃料和合成气。

　　在会议的后面，有一场“学生大满贯比赛”，由11名学生介绍了他们在去年夏天所从事的能源项目的成果。这些项目种类繁多，包括分析反对缅因州风力发电场的意见、如何最好地分配电动汽车充电站、优化生物能源生产、回收电池中的锂、鼓励采用热泵，以及能源项目选址的冲突分析。与会者对学生演讲的质量进行了投票，电气工程和计算机科学专业的学生Tori Hagenlocker因其关于热泵应用的演讲而被宣布为第一名。

　　学生们还首次参加了会议:由五名在校生或近期在校生组成的小组讨论，讨论他们对当今能源问题和优先事项的看法，以及他们如何努力做出改变。安德烈斯·阿尔瓦雷斯(Andres Alvarez)是核工程专业的应届毕业生，他描述了自己在一家初创公司的工作，该公司专注于识别和支持有潜力的早期创意。城市研究和规划研究生Dyanna Jaye谈到了她帮助发起一个名为“日出运动”的组织的工作，该组织试图推动气候变化成为国家的首要任务，以及她帮助制定绿色新政的工作。

　　正在研究绿色制氢的机械工程研究生彼得·斯科特(Peter Scott)表示，有必要“非常彻底和迅速地逐步淘汰现有的化石燃料”，并停止开发新能源。麻省理工学院斯隆管理学院的MBA候选人Amar Dayal谈到了技术和政策之间的相互作用，以及像《通货膨胀减少法案》这样的立法在使新能源技术走向商业化方面可以发挥的关键作用。数据、系统和社会研究所的博士生Shreyaa Raghavan谈到了多学科方法解决气候问题的重要性，包括计算机科学的重要作用。她补充说，与其他机构相比，麻省理工学院在这方面做得很好，“可持续性和脱碳是这里许多不同部门和项目的支柱。”

　　在由MITEI执行主任Martha Broad主持的小组讨论中，一些最近获得MITEI种子基金赠款的人报告了他们的进展情况。种子基金的接受者、化学工程教授阿里尔·弗斯特(Ariel Furst)指出，电力供应主要集中在全球北方，总体而言，全球十分之一的人用不上电，约25亿人“依靠肮脏的燃料来取暖和做饭”，这对健康和气候都有影响。她的项目正在开发的解决方案包括将DNA分子与催化剂结合，被动地将捕获的二氧化碳转化为乙烯，乙烯是一种广泛使用的化学原料和燃料。航空航天学教授Kerri Cahoy描述了她在一个系统上的工作，该系统使用基于卫星的传感器来监测甲烷排放和电力线状况。她和她的团队发现，电力线经常在实际故障之前很久就开始发射可探测到的宽带无线电频率，而这种故障可能会引发火灾。

　　土木与环境工程副教授Admir Masic描述了在海洋中开采用于碳捕获的氢氧化镁等矿物的工作。这一过程可以将二氧化碳转化为固体材料，这种材料在地质时期是稳定的，并且可能可用作建筑材料。机械工程教授克里帕·瓦拉纳西(Kripa Varanasi)说，多年来，MITEI的种子基金帮助了他的一些项目，这些项目“后来成为了初创公司，其中一些正在蓬勃发展”。他介绍了正在进行的一种用于绿色制氢的新型电解槽的工作。他开发了一种系统，利用气泡吸引表面来提高产生氢燃料的生物反应器的效率。

　　为期两天的一系列小组讨论涵盖了一系列与技术和政策相关的主题，这些主题可以在应对气候变化方面发挥作用。在技术方面，由MITEI未来能源系统中心执行主任兰德尔·菲尔德(Randall Field)领导的一个小组研究了大型、难以脱碳的工业过程。冶金学教授安托万?阿拉诺(Antoine Allanore)描述了在开发生产钢铁的创新工艺方面取得的进展。钢铁是世界上使用最广泛的大宗商品之一，这种工艺大大减少了温室气体排放。JERA Americas的格雷格·威尔逊(Greg Wilson)描述了用可再生能源生产氨来替代发电厂的天然气，从而大大减少排放的潜力。材料科学与工程教授Yet-Ming Chiang描述了使用一种新型低温工艺使水泥生产脱碳的方法。MITEI的研究科学家臧贵艳谈到了通过使用电化学过程来减少生产乙烯(一种主要的工业化学品)的碳足迹。

　　另一个由核科学与工程教授雅各布·布翁焦尔诺(Jacopo Buongiorno)领导的小组探讨了核能扩张的光明未来，包括最终进入商业示范的新型小型模块化反应堆。布昂乔诺说:“至少15年来，美国第一次真正对核能感到兴奋和关注。小组成员说，目前核电占全国无碳电力的45%至50%，随着几十年来第一座新核电站的投入运行，大幅增长的阶段已经准备好了。

　　碳捕获和封存是麻省理工学院气候大挑战项目执行主任大卫·巴布森领导的一个小组的主题。麻省理工学院教授Betar Gallant和Kripa Varanasi以及Equinor的行业代表Elisabeth Birkeland和Chevron Technology Ventures的Luc Huyse描述了从发电厂排放的二氧化碳、空气和海洋中回收二氧化碳并将其转化为燃料、建筑材料或其他有价值的商品的各种方法的重大进展。

　　一些小组讨论还讨论了气候问题的财政和政策方面。MITEI政策副主任Christopher Knittel主持了一个关于能源转型的地缘政治影响的小组讨论，他说:“能源一直是地缘政治的代名词。”他说，随着人们的关注点从哪里能找到石油和天然气转向哪里能找到钴、镍和其他需要的元素，“我们不仅担心自然资源的矿藏在哪里，而且我们将越来越担心政府如何激励这种转变”，以开发这种新的自然资源组合。小组成员、研究所教授苏珊娜·伯杰(Suzanne Berger)说，“我们现在正处于一个独特的开放时刻，有机会创造一种新的美国生产体系”，这种体系效率要高得多，碳排放量要少得多。

　　一个小组讨论了投资者对新兴能源技术的可能性和陷阱的看法。主持人杰奎琳·普莱斯(Jacqueline Pless)是麻省理工学院斯隆管理学院(MIT Sloan)的助理教授，她说:“现在在这个领域有很大的势头。这是一个非常成熟的投资时机，”但风险是真实的。“在一些非常大且不确定的技术上需要大量投资。”

　　另一个小组讨论了大型老牌企业在引领向清洁能源过渡方面所能发挥的作用。MITEI的会员服务主管、会议主持人J.J. Laukatis说:“这种转变的规模是巨大的，它也将与我们过去看到的任何事情都大不相同。我们必须以前所未有的速度，全面推广复杂的新技术和系统，从氢能源到电动汽车再到电网。”要做到这一点，需要工业界、政府和学术界的共同努力。