剑桥大学:实现碳中和,需要加紧研发哪些课题?

2021年8月31日
文章来源:E Small Data
剑桥大学学者发表文章指出实现净零排放的目标需要技术、社会和基于自然的解决方案的组合,提出了在未来10年需要优先研究的领域和课题,涉及电力系统、建筑、公路交通、航…
剑桥大学学者发表文章指出实现净零排放的目标需要技术、社会和基于自然的解决方案的组合,提出了在未来10年需要优先研究的领域和课题,涉及电力系统、建筑、公路交通、航空和海运、工业、土地/海洋/农业、垃圾、温室气体的移除。
A.电力系统
——发电
需要优先研究的内容:(i)新的形状和安装模式的薄膜太阳能电池材料;(ii)如何设计风力涡轮机,以在叶片、涡轮机、塔架等约束条件下提供灵活的电力输出;(iii)采用低成本的方式,为具有碳捕获和储存功能的天然气厂提供灵活性;(iv)如何降低海上漂浮风电的成本;(v)提高潮流涡轮机的稳健性,开发新技术,例如海上漂浮风电、波浪和潮汐发电;(vi)小型模块化核反应堆的可行性;(vii)(海洋)可再生能源对自然资本和生态系统服务的累积影响,以及监测和缓解这些影响的方案。
——储能
需要优先研究的内容:(i)高充放电循环效率的技术(>60%);(ii)降低电解槽成本和耗水量的方法;(iii)提高光催化制氢的效率;(iv)储氢;(v)高能量密度蓄热;(vi)电池的替代材料;(vii)确定储能容量需求的方法。
——系统规划和运行
需要优先研究的内容:(i)改进转换和控制系统,以提供稳定的电力系统运行;(ii)基于先进优化技术的新决策支持工具;(iii)气候变化对可再生能源发电的影响。
——电网
需要优先研究的内容:(i)如何增加高压直流(HVDC)变流器和电缆的容量,并促进覆盖全国和国际大面积的多端网络的运行(例如,跨越纬度的HVDC互连,以传输太阳能);(ii)气候变化对电网造成的压力。
B.建筑部门
——新建房屋
需要优先研究的内容:(i)如何确保所有社区都能负担得起低碳建筑,降低经济成本增加的风险;(ii)如何基于生命周期分析和考虑建筑内含碳,以最低成本创建零碳建筑;(iii)如何确保团队协作并交付满足设计目标的建筑;(iv)通过热泵和区域热网实现脱碳,使建筑物的能源需求与能源供应相匹配。
——现有建筑改造
需要优先研究的内容:(i)建筑节能改造是跨学科的任务,不能仅让工程技术占主导地位,需要考虑基础设施转型的社会和自然影响的系统方法;(ii)关于节能改造的影响和附带效益的数据库。
C.公路运输
——出行需求管理
需要优先研究的内容:(i)降低车辆拥有/使用需求相关政策的有效性;(ii)克服反弹效应(比如在家工作导致需要的快递更多)。
——轻型电动汽车
需要优先研究的内容:(i)公寓楼居民在家充电;(ii)充电的替代选项。
——重型货车
需要优先研究的内容:(i) 重型货车用氢燃料电池;(ii)基础设施提供商、车队运营商和政府的商务模式;(iii)货物运输和物流的运营绩效;(iv)自然资源消耗,包括材料(铂、钴)和土地使用变化。
D.工业
——碳捕集利用和封存(CCUS)
需要优先研究的内容:解决CCUS加快部署的瓶颈:实施系统方法,将集群级工程和环境/技术解决方案与经济、行为和政策相结合。
——能源效率
需要优先研究的内容:(i)产业厂址之间的整合,以优化能源/资源利用;(ii)产业协同的潜力,即产业集群层面的循环经济;(iii)关键材料和技术所需金属的供应。
——氟化气体
需要优先研究的内容:(i)自下而上和自上而下清单之间的差异,更好地监测和量化氟化气体排放;(ii)现有技术的改进(例如铝的生产用脱碳阳极、置换气体);(iii)探索气候缓解方案和替代方案,对新兴技术进行广泛的生命周期分析;(iv)将减排技术从半导体扩展到铝和稀土制造。
E. 土地/海洋用途和农业
需要优先研究的内容:(i)改变饮食建议和成本如何改变食品需求,以及这种改变的公平性;(ii)技术可行性评估基础上进行社会和经济研究;(iii)从地方到区域范围对陆地和海洋固碳方法的适用性进行评估,确保与其他土地和海洋利用需求(如粮食生产)保持平衡;(iv)作物和动物育种创新;(v) 饲料添加剂;(vi)土壤改良剂(如生物炭、增强风化);(vii)如何提高监测和报告技能;(viii)粮食生产和土地使用的变化如何影响其他部门(如水)以及下游沿海和海洋系统所需的资源;(ix)粮食生产系统(综合作物/牲畜)的循环性和恢复力;(x)土地和海洋利用决策的影响,包括生物能源作物生产,以及与其他生态系统服务的权衡。
E.航空和海运
——航空
需要优先研究的内容:(i)电池驱动飞机;(ii)氢燃料提供零碳排放,但容纳燃料箱所需的空间减少了有效载荷和里程;(iii)可持续航空燃料用于现有飞机上,但其生产成本过高,并且还受到生产所需能源和可持续原料来源的限制。
——海运
需要优先研究的内容:(i)短途海运用电池和混合动力船舶;(ii)基于绿氢/蓝氢生产的氨作为海运燃料。
F. 垃圾
需要优先研究的内容:(i)改进现有填埋场(甲烷收集/使用)、堆肥、厌氧消化、焚烧(捕获二氧化碳和毒素)、回收(分类/标记)和水处理工艺;(ii)研究新技术,如化学和生物回收以及废物转化为能源;(iii)安全拆卸和回收电子废物(如光伏和锂离子电池);(iv)消除浪费的战略(例如,新的商业模式,设计更符合循环经济的产品);(v)不同行为干预措施的权衡和效果,包括教育、政策、产品设计;(vi)将有机废物用于制造业。
G. 温室气体的移除
需要优先研究的内容:(i)如何平衡二氧化碳去除与实现其他可持续发展目标;(ii)可持续的生物量资源利用;(iii)改进二氧化碳捕获和储存的技术方法;(iv)非二氧化碳温室气体的捕集;(v)将碳封存与二氧化碳利用联系起来的创新方法。
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