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未来几十年，脱碳、碳捕获和太阳辐射管理将带来工作机遇。
IEEE SPECTRUM中文版《科技纵览》曾在7年前发表了一篇文章，题为《如何才能真正逆转气候变化》（What It Would Really Take to Reverse Climate Change）。在文中，我们介绍了谷歌工程师出于善意从事削减可再生能源成本工作，但最终以失败告终的经验教训。我们认为，渐进式改进的现有能源技术不足以逆转气候变化，我们倡导结合传统的、前沿的和看似疯狂的研发工作，找到真正的颠覆性解决方案。我们写道：“虽然人类目前正处于严峻的气候变化轨道上，但如果研究人员力争实现看似不可能的目标，这场灾难是能够避免的。我们充满希望，因为有时工程师和科学家确实能实现不可能的目标。”今天，仍在谷歌，我们仍然充满希望。我们很高兴地说，有些事我们搞错了。特别是，可再生能源系统的价格下降得比我们预期得要快，采用率也超过了我们在2014年的预测。在之前的文章中，我们提到“突破性”价格目标（与咨询公司麦肯锡合作建立的模型）可能有助于美国到2050年减少55%的温室气体排放。在那以后，风能和太阳能的价格已经达到了2020年的目标，而电池的价格则表现得更好，直降至2050年的预测范围。这些好于预期的价格趋势，加上廉价的天然气，使美国煤炭用量下降了一半。结果是：到2019年，美国的排放量已降至麦肯锡预测的2030年的水平，比预期提前了10年。借助电力生产脱碳的进步，工程师们正在寻找和发现更多机会，将目前基于燃烧化石燃料的系统转换为低碳电力。例如，电热泵正在经济高效地替代取暖燃料，电动汽车的价格正在下降，续航里程也在提升。
尽管取得了这些进展，但我们仍处在严峻的气候变化轨道上：到2100年，温度将上升3℃。许多国家没有实现在2015年《巴黎协定》中承诺的减排目标；即使每个国家都履行承诺，也不足以将全球变暖限制在1.5℃——大多数专家认为这是避免产生环境灾难的必要条件。今天要想实现承诺，就必须大幅削减排放量。如果没有这些大规模的减排，我们认为很有可能需要其他战略来控制温度。这里有一些重要数字：为了扭转（即使是部分扭转）气候变化的局面，我们也需要将大气中二氧化碳的含量降低到350ppm的安全阈值；在2021年地球日，这个数字为417ppm。我们估计，要实现这一目标，需要在下个世纪从大气中清除约20万亿吨二氧化碳。为了降低目前大气中的二氧化碳含量，以及向减碳社会（大气中碳的清除量大于碳排放量的社会）过渡过程中将要排放的二氧化碳量，大规模清除是必须的。我们要向气候变化“宣战”，需要工程师继续研究许多可大规模扩展的现有技术。正如风能、太阳能和电池所展示的那样，这种大规模扩展通常会带来成本的大幅下降。另外一些工业部门需要通过技术革命来减少排放。如果你使用En-ROADS交互式气候工具来体验减缓气候变化的技术组合，你将看到，想要改变我们当前的轨道，实现350ppm的二氧化碳水平和全球温升不超过1.5℃，必须全力以赴地做出多少选择。
那么，一个想拯救地球的工程师该做些什么呢？即使我们在努力转向无碳能源的社会，也必须认真对待碳封存，即将二氧化碳储存在森林、土壤、地质结构层和其他可保持原样的地方。这只是这个艰难过渡时期的权宜之计，我们还需要考虑太阳辐射管理技术，使一些入射阳光发生偏转，降低大气的温度。未来几年，这些战略领域需要进行真正的创新。要打赢气候变化之战，我们需要新技术。
我们乐观地认为，所需的技术将在几十年内出现。长久来看，工程师仅仅用了几十年的时间就设计出了战机引擎，建造了能够环绕地球的舰船，建立起无处不在的实时通信网络，将计算速度提高了1万亿倍，并将人类送上了太空和月球。20世纪90年代、21世纪初和10年代分别是风力发电、太阳能发电和电网级电池兴起并成为主流的年代。至于哪些技术将决定未来几十年，并使人们能够在一个气候稳定的星球上可持续并繁荣地生活，在一定程度上，这取决于每一个人。工程师要努力地做很多工作。你准备好了吗？在我们讨论需要关注的技术挑战之前，请允许我们先谈一下政策。气候政策对脱碳工程工作至关重要，因为它可以大幅降低新能源技术的成本，并将市场转向低碳替代品。例如，2005年，德国向太阳能生产商提供了极其慷慨的长期合同（大约是美国平均电价的5倍）。由于需求得到保障，全球太阳能光伏（PV）板市场就此开启，并自此之后呈指数级增长。简言之，德国的临时补贴帮助创造了一个可持续的全球太阳能电池板市场。人们常常低估在市场力量的推动下，能释放出多少人类创造力。
太阳能光伏的激增本该早出现十年。1995年，每一个基本流程都已准备就绪：工程师们已经掌握了制作硅圆、扩散二极管结、在太阳能电池表面应用金属网格、对半导体表面进行钝化处理以添加抗反射涂层，以及层压模块等技术步骤。唯一缺少的是政策支持。我们再也承受不起这些“失去的年代”了。我们希望工程师们着眼能源系统，并问自己：哪些技术已经具备了扩大规模和降低成本所需要的各项条件——政策和市场除外？经济学诺贝尔奖得主威廉•诺德豪斯（William Nordhaus）在他的代表作《气候赌场》（The Climate Casino，耶鲁大学出版社，2015）中提出，碳定价有助于阻止气候变化。如今，全球约22%的碳排放实施了碳定价。在欧盟庞大的碳市场，目前碳价高于每吨50欧元（61美元），这是其航空公司、钢铁制造商和其他行业正在制定长期脱碳计划的主要原因。但经济学家马克•杰卡德（Mark Jaccard）指出，虽然碳税在经济上是最有效的，但它们往往面临强大的政治阻力。因此，在加拿大、美国加利福尼亚等地，气候政策倡导者借助灵活（虽然很复杂）的管理规定，为各行各业实现脱碳目标提供多种选择。工程师们可能会欣赏碳定价的简单和优雅，但最简单的方法并不总是能够进步的方法。虽然我们工程师不从事制定政策，但我们有必要保持信息畅通，支持有助于行业繁荣的政策。雄心勃勃的工程师面对的严峻脱碳挑战比比皆是，这篇文章无法全部列举，所以仅挑选几个大家最感兴趣的。这里我们推荐评估气候工作影响的组织Project Drawdown，该组织有一个更加完整的清单。
首先来看航空旅行。它占全球碳排放量的2.5%，使其脱碳是一个有价值的目标。但你无法简单地捕获飞机排出的废气并用管道输送到地下，工程师也不可能在短期内开发出一种具有喷气发动机燃料能量密度的电池。因此有两种选择：要么直接从空气中抽取可抵消飞机排放量的二氧化碳，然后将其储存在某处，要么改用零碳燃料的飞机，例如生物燃料等。引人关注的一种可能性是使用氢气作为航空燃料。空客公司正在研究设计一种氢动力飞机，据说将于2035年投入商用。目前，大部分氢对气候是明显有害的，因为它由化石甲烷气体制成，制作过程会排放二氧化碳。但是，清洁制氢是一个热门的研究课题，已有200年历史的水电解技术正在受到全新的审视，用于将水分解成氧气和氢气。如果用低碳电力作为电解动力，产生的清洁氢气可以用来制造化学品、材料和合成燃料。政策，尤其是欧洲、日本和澳大利亚的政策，正在推动氢研究的发展。例如，欧盟推出一项宏大的战略，计划到2030年在欧洲及邻国实现80千兆瓦的产能。工程师可帮助价格下降；第一个目标是实现每公斤2美元（现在是每公斤3到6.50美元），届时清洁氢气将比天然气与碳捕获和封存加在一起都便宜。对气候友好的氢气还可能带来另一项重大成就：脱碳生产金属。发现了如何利用能量去除自然界金属矿石中的氧之后，人类才由石器时代进入铁器时代。欧洲砍伐的森林，有一部分是为了向金属工匠加热铁矿石的熔炉提供木炭，因此，18世纪，当他们从木炭转向煤炭时，被认为是一场环保的胜利。今天，由于欧盟碳市场，工程师正在试验令人激动的新方法，利用氢气和电弧炉去除金属矿石中的氧。在脱碳发电和清洁燃料生产方面还有很多工作要做。全球人类每年大约使用1 泽塔焦耳（ZJ）的能量，即每年1021焦耳。要在不影响气候变化的情况下满足这一需求，意味着我们必须大幅加快零碳能源的部署。例如，仅用太阳能光伏每年提供1ZJ能量，需要用太阳能电池板覆盖全球约1.6%的陆地面积。若是仅利用核能，就必须从现在起到2050年，每天建设3座1千兆瓦的核电站。很明显，我们需要一系列具有成本效益且环境友好的选择。在考虑各种选择的同时，我们还需要确保这些能源稳定且可靠。医院、数据中心、机场、火车和污水处理厂等关键基础设施需要全天候供电。（举例来说，谷歌在积极努力，争取到2030年，其数据中心实现全天候的无碳能源。）大多数大型工业生产工艺过程，如玻璃、化肥、氢气、合成燃料和水泥的生产，目前只有在工厂连续运行的情况下才具有成本效益，而且通常需要高温工艺用热。为了提供稳定的无碳电力和工艺用热，我们应该考虑新形式的核能。在美国和加拿大，新政策支持先进的核能开发和许可。几十家先进的核裂变公司向工程师提供了各种有意思的挑战，比如，制造在变热时反应会减弱的容错燃料。再比如，设计可以回收用过燃料的反应堆，减少废物和采矿需求，或者通过新的蜕变技术销毁长期难降解的废料成分。
渴望挑战真正艰巨任务的工程师应该考虑核聚变，这方面的挑战包括控制发生聚变的等离子体和实现净电力输出。这十年先进核能技术上的竞争可能会产生令投资者兴奋的优胜者，并且新一轮的政策可能会推动这些技术成本下降，避免先进核能陷入“失去的十年”。全球气候保护这个理念应该是工程师们喜爱的理念，因为它开辟了新的领域和新的职业机会。地球的气候已经以开环的形式持续了40多亿年；我们很幸运，在现代文明兴起和繁荣的这1万年里，地球剧烈波动的气候异常稳定。我们相信，人类不久将会开始围绕地球气候建立一个控制回路，设计并引入受控变化来保护我们的社会。
气候保护的基本原理是避免不可逆转的气候变化。格陵兰冰盖的融化可能会使海平面上升6米，永冻土层的失控融化会释放出足够多的温室气体，加剧全球变暖。科学家们一致认为，如果继续不受控制的排放将触发这些临界点，尽管尚不确定这种情况何时会发生。经济学家诺德豪斯将保守预防原则应用于气候变化，他认为，这种不确定性恰恰证明，要在确切知道的临界点阈值到来前更早地采取更大规模的气候保护措施。我们主张积极推进二氧化碳捕获与封存，因为其他方案太糟糕，太昂贵。有的二氧化碳捕获和封存方法在技术上是可行的，目前正在尝试。还有一些方法，如利用藻类和浮游生物进行海洋肥化，则在早期的试验中引起了争议，但我们也需要对它们进行更多了解。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议将全球变暖温升控制在不超过1.5℃，要求到2030年削减近一半的全球净排放量，到2050年达到净零排放，但各国并没有进行必要的减排。（净排放量是指实际的二氧化碳排放量减去从空气中提取并封存的二氧化碳量。）据IPCC估计，要实现1.5℃的峰值温度目标，并随着时间的推移将二氧化碳浓度降低到350 ppm，实际上需要在几十年内实现每年降低二氧化碳净排放量超过10吉吨（1吉吨为10亿吨），只要还有人继续向大气排放二氧化碳，这就可能需要继续下去。En-ROADS工具可用于模拟减缓气候变化战略的影响，该工具显示，要将变暖控制在1.5℃，需要最大化地利用所有碳封存的方法，包括再造林等生物手段和尚不具有成本效益的新兴技术。
我们需要封存二氧化碳，部分原因是为了弥补无法实现脱碳的活动。例如，水泥在所有人造材料中的碳足迹是最大的，约占全球排放量的8%。生产水泥的过程，就是通过加热石灰石（主要是方解石，即CaCO3）来生产石灰（CaO）。制造1吨水泥石灰会释放约1吨二氧化碳。如果将水泥生产过程中排放的二氧化碳全部捕获并泵入地下，价格是每吨80美元，我们估计，一袋50磅（约23公斤）的混凝土混合物（其中一种成分是水泥）将多花大约42美分。这样的价格变化不会阻止人们使用混凝土，也不会显著增加建筑成本。更重要的是，水泥厂烟囱排出的气体富含二氧化碳，与大气中稀薄的二氧化碳量相比，它们更容易捕获和储存。
捕获水泥排放将是一个很好的实践，因为我们准备在未来100年内直接从大气中去除2000吉吨的二氧化碳。这是科学家和工程师面临的一项最大的世纪挑战。《今日物理》最近发表的一篇文章估计，从大气中直接捕获二氧化碳的成本在每吨100到600美元之间。这个过程比较昂贵，因为它需要大量的能源：直接空气捕获需要迫使大量的空气穿过吸附剂，然后加热释放出浓缩的二氧化碳进行储存或使用。我们需要碳捕获和封存方面的价格突破，可与在风能、太阳能和电池方面我们所看到的相匹敌。我们估计，以每吨100美元的价格计算，去除2000吉吨二氧化碳的成本将是全球GDP的约2.8%，并持续80年。这项成本不菲，但想想看，万一达到气候临界点，那么无论多少支出都无法弥补我们需要付出的代价。原则上，有足够的地下岩层来储存数十亿吨甚至数万亿吨的二氧化碳。但无论是所需的封存规模，还是封存的紧迫性，都要求我们进行创新性的思考。例如，借助大自然对的帮助，有可能实现大规模、低成本的碳清除。在3.5亿年前地球的石炭纪时期，大自然封存了大量的碳，使大气中超过1000 ppm的二氧化碳含量有降低到了工业化以前的260 ppm（在这个过程中产生了煤）。其原理是：植物进化出了含碳纤维物质木质素的茎和树皮，这比其他生物进化消化木质素早了几百万年。现在考虑到海洋每年会吸收并几乎完全再排放出200吉吨的二氧化碳，如果能阻止10%的二氧化碳再排放，并保持这个力度100年，就能实现封存2000吉吨二氧化碳的目标。也许可以改变海洋食物链中的某些生物，排泄一种像木质素那样难以代谢的有机生物聚合物，沉淀到海底并封存碳。浮游植物繁殖迅速，为大规模扩展提供了一条快速的途径。如果我们解决气候变化的产物就是海洋底部几毫米厚的难消化的富碳排泄物，我们是不介意的。改变辐射，即迫使更多的阳光反射回太空中，可以作为一种限制气候变暖的权宜之计，直到在降低大气二氧化碳方面取得有效进展。这些努力可以避免气温上升对人体和经济的严重影响，一旦危机过去，这项工作就可以停止了。例如，可以减少形成飞机凝迹，它会吸收热量，使得屋顶和其他表面变白，反射更多的阳光。这两项措施可以将我们预期的全球变暖降低3%左右，有助于公众更好地认识到集体行动对气候的影响。
还有许多能反射更多阳光的激进方案，但对于这些行动的积极和消极效果，仍有许多争论。我们认为，最负责任的前行道路是工程师、化学家、生物学家和生态学家测试所有的方案，尤其是那些能够产生全球范围影响的方法。我们不知道哪种技术能阻止一颗反乌托邦星球温度升高超过2℃。但我们坚信，在未来的30到40年内，全球的工程师能够找到方法，提供数十太瓦的无碳能源，实现工业过程脱碳，封存大量的二氧化碳，并暂时偏转必要数量的太阳辐射。有效利用支持有价值创新的政策，有助于推动这些技术落实到位，让我们朝一个稳定宜居的星球前进。所以，各位工程师，我们开始工作吧。无论你是制造机器、设计算法，还是分析数字，无论你在研究生物、化学、物理、计算机还是电子工程，你都可以发挥作用。 作者：David Fork,Ross Koningstein－ The End －
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