减少二氧化碳排放并将其从大气中清除对于全球应对气候变化的斗争至关重要。被称为脱碳，它是国家战略的重点之一，以确保我们的星球和所有生活在上面的人拥有光明的未来。
几十年来，美国能源部(DOE) 的阿贡国家实验室一直处于寻求美国经济脱碳的最前沿。
阿贡的科学家们正在开发新的电池材料，并研究节能运输和可持续燃料。他们正在扩大核能和可再生能源等无碳能源。阿贡研究人员还在探索从空气和工业来源中捕获二氧化碳的方法，将其用于生产化学品或将其储存在地下。
最终目标?减少在大气中捕获热量并使地球变暖的温室气体。
一项使命：减少排放
“创建一个无碳的全球经济将需要对一切照旧的做法进行重大改变，”阿贡国家系统评估中心燃料和产品小组负责人、阿贡国家高级科学家特洛伊霍金斯说。
“我们的目标是告知实现国家到 2050 年实现温室气体净零排放目标所需的变化，”他解释说。â� <“从交通运输到农业，整个经济都需要改变。Argonne 在所有这些领域都取得了长足的进步。”
“创建一个无碳的全球经济将需要对一切照旧的做法进行重大改变。”— Troy Hawkins，阿贡高级科学家
由于燃烧化石燃料的车辆是温室气体排放的最大来源，阿贡的科学家们正在努力让电动汽车大规模上路。
作为为当今电动汽车提供动力的电池技术的先驱，Argonne 引领着制造更好电池的竞赛，为未来的清洁能源铺平道路。该实验室的科学家们正在使用人工智能等先进技术来更好地了解未来的需求，并设计出更便宜、更高效、更灵活的电池。
另一种减少大气中二氧化碳含量的方法是对其进行回收利用。Argonne 在开发将二氧化碳转化为有用化学品的方法方面有着悠久的历史，这可能会导致温室气体排放量的大幅减少。但这个过程充满挑战。
2021 年，阿贡的科学家们开发出一种由铜和碳制成的催化剂，可将二氧化碳直接转化为乙醇。这种新的合成乙醇可用作可持续运输燃料的成分或广泛工业应用中的普通化学品。
转换过程发生在一个特殊的电解槽内，这是一个利用电力分解二氧化碳以形成化学物质的系统。该系统由阿贡高级化学家刘迪佳开发，低温低压运行，启动时间短。这意味着它可以由来自风能和太阳能等可再生能源的低成本但间歇性电力供电。
授予 Argonne 和三个合作伙伴的 200 万美元DOE拨款将资助下一步：在三年内开发该系统的原型。该团队还在研究将二氧化碳转化为不同化学物质的其他方法，包括乙烯，这是世界上最常用塑料的重要组成部分。
土壤碳储存研究进展
储存在土壤中的碳——占大气中碳含量的两到三倍——是阿贡科学家的另一个重点。他们正在研究土壤的成分和动态，以帮助预测土壤中有机碳含量的变化如何加速或减缓全球变暖的速度。
2021 年，阿贡的科学家和合作伙伴绘制了北半球永久冻土区土壤有机碳储存的第一张高分辨率地图。这些地图表明，更多的有机碳比以前认为的更接近地表，使其更容易受到变暖的影响。这些地区的融化可能会释放出大量的温室气体，可能会加速地球变暖。
“将冻土中的碳保持在地下对于减缓全球变暖的速度至关重要，”阿贡生态学家和土壤科学家 Julie Jastrow 说。â� <“但要做到这一点，我们必须在全球范围内减少温室气体排放。”
核能可以发挥重要作用
阿贡的科学家们也在核能方面取得进展，与任何其他清洁能源相比，核能在更少的土地上产生更多的电力。商业核反应堆，其中许多是从阿贡设计和实验演变而来的，供应美国总电力的近 20%。
核电不依赖于天气，93% 以上的时间都在运行，使其成为该国最可靠的能源。核能在美国电网脱碳方面具有巨大潜力，其他国家已经证明了这一情景。
Argonne 首席核工程师 Nicolas Stauff 建议，先进的小型反应堆与传统反应堆相比具有众多优势，是核能未来的关键。“传统反应堆的功率为 1,000 兆瓦，而工业界正在开发300 兆瓦范围内的小型反应堆和20 兆瓦范围内的微型反应堆，”他说。
Argonne 正在与美国能源部核能办公室和工业合作伙伴合作，对小型和微型反应堆进行设计、分析和建模，这些反应堆在民用和军事应用中具有清洁能源潜力。
例如，阿贡正在与反应堆设计公司 TerraPower 和 X-energy 合作建造两座可在七年内运行的先进核反应堆。美国能源部的先进反应堆示范计划为 Natrium 和 Xe-100 反应堆的建设提供资金，与工业界进行成本分摊安排。
钠是一种快反应堆，一种核反应堆，与传统反应堆相比，每单位燃料可提供多出 100 倍的能量，并且产生的废物量更少。
“阿贡开创了快堆技术，”斯塔夫说。â� <“该计划是在怀俄明州的一座前燃煤电厂的原址上建造 Natrium 反应堆，用清洁能源装置取代碳密集型装置。”
未来的电网
“将更多的可再生能源并入电网是脱碳的关键，”Argonne 固定存储项目负责人 Sue Babinec 说。
具有成本效益的长期储能将是减少太阳能和风能发生中断的关键。长期存储可容纳大量能量以供将来使用：10 多个小时的电力，而不是当今电池可以容纳的 4 到 5 小时。
今年通过美国能源部的能源地球计划启动，长期储能计划设定了降低电网储能成本的目标。在十年内，他们希望看到提供 10 多个小时电力的技术能够节省 90% 的成本。
Argonne 还在研究氢在长期储存中的作用。
Babinec 与首席系统工程师 Todd Levin 和 Audun Botterud 以及气候科学家 Rao Kotamarthi 合作，正在探索气候变化研究如何准确预测长期存储将在未来电网中发挥的作用。
“储能对于减少事故的危险影响至关重要，例如加利福尼亚州的野火和德克萨斯州的冻灾，这可能会中断能源供应链，”巴比内克说。
为了实现净零排放，国家需要一种多方面的方法，不浪费时间朝着关键目标迈进。通过越来越多的雄心勃勃的研究，Argonne 正在为创新者、研究人员和行业制定路线，以朝着更清洁、可持续、更环保的能源未来迈进。
