Innovation Amplifiers: Getting More Bang for the Buck on GHG reductions

InnovationAmplifiers:GettingMoreBangfortheBuckonGHGreductions ED权利人|2023年7月 温室气体减排的速度需要大大加快。最近的投资是一个很好的开始，但还不够。我们需要放大当前的投资，以实现清洁能源作为常态，提高竞争力。 KEYTKEAWAYS 全球温室气体减排的速度远远没有达到稳定气候所需的速度。与预期和承诺下降相比，排放量正在上升。 最近IRA立法中的税收优惠将扩大清洁能源的产生，分配和使用，但不足以推动降低低碳技术成本 ，支持基础设施和实施解决方案所需的研发。 对于当前的投资组合，DOE和其他机构需要通过采用具有目标导向的研究的知识和应用放大器 ，从他们投入的资源中获取更大的价值。 DOE应该发展高杠杆能力（例如，电化学，复合材料，储能）;追求科学和工程，以解决横切的限制;并聚集不同的合作者网络，专注于大胆的目标。 DOE还应鼓励溢出到相邻或看不见的应用程序和市场;增加外联和透明度，以吸引合作者的生态系统;并利用对氢和CCUS中心的投资来利用一系列放大器。 itif.org CONTENTS 主要收获1 执行摘要2 Introduction3 什么是放大器？4 改进的清晰度和更少的约束4 知识溢出5 应用程序溢出效应5 清除解决方案路径5 战略使用资源6 交叉思维6 支持网络6 目标导向研究7 我们如何培养放大器？7 DOE，DOD和其他机构如何使用放大器？9 放大器如何最大限度地提高近期资金的影响？11 结论和建议13 尾注15 执行摘要 世界在应对气候变化方面落后于潮流。我们需要扩大全球温室气体减排计划的影响。尽管美国最近进行了历史 性的投资来刺激清洁能源技术，但在全球投入有限的资源的情况下，我们根本无法足够快地减少温室气体，而且不太可能再提供大量资金。我们需要从已经承诺的资金中更大、更快地减少温室气体排放。但是怎么做呢？ 追寻放大器是一种未充分利用的方法，可以同时在多个区域级联减少温室气体。放大器利用资源和知识来极大地增加影响、消除约束或扩展应用。它们激发创造性思维，为棘手的问题提供创新的解决方案。诸如溢出效应之类的放大器增加了创新的影响。例如，为小型消费电子产品开发的锂离子电池正在为电动汽车和固定电池提供更大的冲击。展望未来，电化学等核心能力的创新可以放大电池，氢燃料电池和水电解器的GHG减少，并转化二氧化碳（CO。2)转化为增值产品。 就像在音乐会上增加放大器的功率一样，我们需要在减少温室气体方面“提高功率”。能源部（DOE）和研究合作伙伴可以通过在“EnergyEarthshots”中追求放大器来从最近的投资中获得更大的收益。1DOE应该 与多个合作伙伴建立不同的创新网络，以开发和应用具有高杠杆潜力的专业知识（例如，电化学，复合材料，分离，储能）。 快速减少温室气体排放量至关重要。使用放大器更快地实现更大的减排对于实现大胆的温室气体减排和可持续性目标至关重要。 INTRODUCTION 在避免气候变化最严重影响所需的温室气体减排方面，社会远远落后于步伐。2最近的投资为所需的转型提供了起点，但与目前所需的水平相去甚远。从有限的可用资源中获得更大影响的一种方法-“物有所值”-是通过识别和追求放大器来增加杠杆和市场吸引力。 能源系统、制造、建筑、运输、供应链和人们使用能源的方式所需的转型规模是巨大的。考虑到所需变更的规模 ，在非常压缩的时间窗口内致力于这一根本性变更的资源有限。这是一个全球性问题，所需的全球投资水平将是巨大的，但不进行转型的后果是不可想象的。 到2050.3，所需的全球投资估计将超过130万亿美元。在2021年至2025年之间，每年需要2.6万亿美元 -并且在2025年之后增加到4.5万亿美元/年。相比之下，授权用于清洁能源技术的350亿美元仅是一个亮点。4未来几年的额外资金前景黯淡，因此充分利用有限的资金至关重要。 获得更大的收益很重要，因为实现技术变革所需的创新是巨大的，低碳技术需要快速获得与现有解决方案相当的价格和性能。6这将需要大量持久的研究，开发和示范(RD&D)投资面临着取代根深蒂固、成本较低的技术和流程的问题。工业、航空和海洋等行业非常异构，而集成(例如。Procedre，投入和产出之间的复杂联系)和实施风险很高。 实现净零排放的创新需求是深刻的。到2050年达到净零所需的近一半技术仍处于原型或示范阶段。5工业，航空和海洋等行业更加依赖新兴技术。加速采用将需要在多种配置、应用程序和区域环境中进行演示，因此实施创新也很重要。 转变能源使用的低碳方法，例如可再生氢气，转化CO2通过碳捕获利用和存储（CCUS），将制造过程电气化 ，并减少难以减少的过程中的剩余排放，比现有的解决方案要昂贵得多。这种价格差距将导致采用缓慢，这意味着在实现相同性能的同时达到价格平价是至关重要的。6鉴于资源有限，时间窗口短以及无数的采用挑战，迫切需要扩大我们的努力。 本报告探讨了如何识别和追求放大器以加速温室气体减排，强调了政策推动者和机构如何扩大通货膨胀减少法案（IRA）和两党基础设施法（BIL）提供的资金的影响。 什么是放大器？ 放大器是程序管理的方法，它利用资源和知识来大大增加输入的影响，消除约束或扩展应用范围。在温室气体减 排的背景下，放大器极大地扩大了可用资源的减排幅度。图1示出了几类放大器,随后是每个放大器的说明性示例。但是，由于可以创造性地应用放大器的方式很多，因此该列表并不意味着详尽无遗。 图1：放大器的类别 提高了清晰度 ，减少了约束 支持网络 知识溢出 目标导向研究 交叉思维 清除解决方案路 径 战略资源 改进的清晰度和更少的约束 有多种方法可以消除限制(资本、风险、技术问题等。)和提高的清晰度可以产生放大的影响。美国的“扭曲速度 行动”(OWS)成功地消除了研发和监管风险，以加速COVID-19疫苗的开发。7研发通常会在产品是否满足客户需求以及他们是否会购买开发的产品方面存在相关风险。政府在很大程度上消除了这些风险，保证购买疫苗并提供融资，而不管监管部门的批准。医疗产品的正常监管过程可能需要数年时间-云。 多个机构和私营公司合作加快开发和部署,同时有效解决障碍。 国防高级研究计划局（DARPA）通过看到mRNA技术在疫苗，支持开发，建立研究人员网络和降低技术风险方面的潜力而发挥了早期作用-在大流行前8年开始。示例包括互联网，小型化全球定位系统（GPS）设备，无人驾驶飞行器（无人机）和平面屏幕显示。 知识溢出 溢出效应提高了不是创新活动最初目标的领域的学习和应用率。10知识溢出效应将新原则纳入其他应用，提高 了新领域的创新率。如上所述,一个实例是采用半导体制造工艺和利用光伏(PV)电池的杠杆硅生产。这导致了2000年后PV（超过竞争薄膜）的主导地位，多晶硅成本下降到1975年水平的10％。9当研究人员在陌生领域进行创新时，这些溢出效应的另一个方面发生了，他们可以开发新的见解。这些闯入者可以是“异花传粉者”，有助于开发创新思想。11在领域，文化和经验的交叉点上思考的多样性可以产生独特的观点。例如，医院的急诊室（ER）工作人员正在寻求创新的，非传统的方法来最大程度地减少错误，他们观察到赛车维修站的工作人员在压力下-而不是其他医院的ER。 应用程序溢出 应用程序溢出涉及为一个应用程序开发的技术，该技术被另一个应用程序或相邻市场所接受。例如，最初开发和 应用于喷气发动机的燃气轮机后来被用于天然气涡轮机。13溢出效应可以共享共同的科学基础，制造技术和操作技能。NASA登月带来的众多应用溢出效应是最好的例子。14溢出效应的增加影响和加速速度对于快速准备第二次世界大战的材料也很重要，在这种情况下，它们使合作能够将失败转化为其他应用的成功，并在面对稀缺的投入时加速进步。 清除解决方案路径 放大器还可以揭示新知识，从而为解决方案提供更清晰的途径。OWS对疫苗的开发使得能够为疫苗的快速制造 、运输和部署绘制供应链图。该映射是对大流行的快速反应的关键部分，因为它确定了漏洞，并与制造预测和投资一起使用，以缩小差距。7这也揭示了辉瑞和赛诺菲一样了解其供应链，但制造和分销所需的整个供应链的知识是未知的。这是在如何从端到端更有效地利用复杂的生产和交付过程方面找到清晰的示例。 还有一些例子，其中新的见解可以来自更清楚地看到如何在复杂，非线性或多变量系统中协调解决方案。对与复杂领域相关的专利的分析表明，科学揭示了以前未被认可的关系的不成比例的好处。科学既可以帮助发明家找到通往陌生地方的路，又可以使他人相信他们发现的东西是有价值的。 战略使用资源 当在多个组织中利用价值时，就会实现更大的影响。例如，拥有道路、桥梁或通信网络建设权利的公司可以更有 效地运输其货物或信息。然而，如果技术在连接更多生产者、销售者和最终消费者的多家公司之间共享，这种影响可能会更大。在另一个例子中，在与第二次世界大战相关的技术开发过程中，系统工程的挑战并不容易被分割 ，因此雷达的开发集中在麻省理工学院。 交叉思维 FransJohannsen，在美第奇效应,解释说，当具有不同背景和学科的人才合作时，创造力就会增加。11当具有不 同背景，文化，教育和价值观的人们合作时，创造力就会蓬勃发展。在这些思维交汇处，可能会出现新的方法和突破 。某个研究领域之外的人没有相同的假设，或者能够挑战已经存在的假设，并且可以以新的方式结合思想。 DARPA在他们建立的团队和网络之间的互动中促进了这种交叉性。能源高级研究计划局（ARPA-E）在其创新峰会上进行了推广，来自全球各地的技术开发人员致力于解决各种问题，有机会进行互动。7ARPA-E计划的成功包括宽带隙半导体和135家公司中用于甲烷泄漏检测的移动检测，1,000多项专利，以及300多项来自受支持程序的许可。 支持网络 支持网络能够快速交流知识，并激发重叠学科的研究人员之间的创造力，鼓励相互交流和创新。当这些网络 专注于共同目标时，合作者社区可以扩大专业知识并推动持久进步，从而加快进步。 例如，DARPA以建立专注于目标的强大合作者网络而闻名，该网络利用了广泛的专业知识和学科。7该网络的范围可以从学术界到缺乏国防承包商经验的新兴技术公司。在另一个例子中，美国政府刺激了公共-专用网络的发展，导致了许多光伏发明/创新在1970年代。类似的联邦计划鼓励公共-私人网络和创新生态系统来推动技术的应用，这在很大程度上是不存在的，这使得德国，日本和西班牙在人均安装方面占据了上风。 目标导向研究 如果针对这一事业，创造性创新将在解决气候稳定方面发挥最大的作用。这与先前的学习是一致的。目标导向研 究对于美国科学研究与发展办公室（OSRD）开发创新解决方案以应对第二次世界大战期间的挑战至关重要，例如曼哈顿项目。12经验还表明，在多个领域，非常快速的创新需求之间存在紧张关系领域，严重的时间限制 /紧迫性，有限的资源和高昂的成本。通过放大器发现不寻常的想法组合可能相对便宜，但是将这些突破商业化可能需要更多的时间来完全部署，因为这些独特的解决方案仍然相对较新并且未经测试。 HumanGenomeproject’ssuccessfulwithprivateRD&Ddirectedtowardsasocietalgoalchangedthewaybiomicresearchisstructuredd.18Theevolutionof“grandchallenchallenges”providesadditionalsteerch.19Theconceptedofchallengingresearchholershash 我们怎么能FOSTER放大器？ 有几种方法可以增强放大器。聚集来自不同研究领域的专家的项目和活动鼓励思想，学习和合作的交叉施肥， 从而导致解决方案的新组合。 聚集艺术、科学、文学等多个领域的创新者。回到美第奇家族，一个富有