Cómo el análisis tecnoeconómico puede mejorar las tecnologías energéticas

En el caso de las nuevas tecnologías energéticas, el tiempo que transcurre desde que se logra un gran avance en las condiciones de laboratorio hasta su validación, escalado, prueba y luego comercialización generalizada puede ser de años o incluso décadas. Pero en la carrera por evitar los efectos más dañinos del calentamiento global, la necesidad de tecnología de carbono negativo es urgente.

Las tecnologías de emisión negativa o NET, también llamadas tecnologías de eliminación de dióxido de carbono, eliminan el dióxido de carbono del aire u otras fuentes o mejoran los sumideros de carbono naturales como los bosques y el suelo. Recientemente, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) concluyó que limitar el calentamiento global a 1,5 grados Celsius y evitar los efectos más catastróficos del cambio climático requerirá el uso de TNE a mediados de este siglo.

En el Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), científicos como Hanna Breunig, que se especializa en análisis tecnoeconómico, han estado colaborando durante años con científicos en tecnologías energéticas como el hidrógeno y los biocombustibles. Ahora se arremangaron para descender a la emergencia tecnologías de emisión negativaayudando a los científicos a aumentar la competitividad y el impacto de su innovación.

P. ¿Cuál es su experiencia y experiencia?

Mi doctorado es en Ingeniería Civil y Ambiental y mi doctorado. Miré CO la tesis₂ inyección subterránea y CO₂ uso industrial. He trabajado con [Berkeley Lab scientists] Thomas McKone, Jens Birkholzer y Curt Oldenburg para comprender la escala potencial, el costo y el impacto del CO₂ opciones de conversión y secuestro.

Hubo un impulso real en Berkeley Lab para conectar a los científicos de ciencias básicas con personas como yo que están familiarizadas con el análisis de mercado, la implementación de tecnología y el modelado de escenarios. La incorporación del análisis tecnoeconómico en la I + D no solo puede ayudar a la ciencia a ejercer una influencia competitiva, sino que también puede ayudarlo a comparar tecnologías y decidir en qué invertir. No solo pienso en el costo. También estoy pensando en las implicaciones para el ciclo de vida. Quiere saber que cada tecnología de emisión negativa utilizada puede reducir las emisiones de CO₂ concentración, sin causar efectos inaceptables en otras categorías, como la generación de contaminantes atmosféricos de criterio.

P. ¿Puede darme un ejemplo de cómo su análisis puede orientar la investigación y el desarrollo?

He trabajado con [Berkeley Lab materials scientist] Jeff Long sobre sus estructuras organometálicas o MOF para almacenamiento de hidrógeno. También se está analizando el MOF para la captura directa de aire (DAC) de dióxido de carbono de la atmósfera. De hecho, quería entender cómo combinar el descubrimiento y el diseño de materiales con principios de ingeniería muy prácticos para tener un impacto en los costos. Se necesita un análisis tecnoeconómico avanzado para combinar y traducir información entre disciplinas para guiar la investigación y el desarrollo.

Por ejemplo, cuando se trata de tecnología DAC, mi investigación puede determinar la importancia de tener un sistema que libere CO₂ muy fácilmente cuando se captura en condiciones suaves o con un sistema que puede adsorber toneladas de CO₂ en un ciclo. A menudo se realizan compensaciones entre la inversión de capital y los costos de funcionamiento, pero los MOF son conocidos por ser ajustables y quizás ambos desafíos del CAD se puedan superar.

P. Interesante. ¿Cómo valora estos compromisos? ¿Qué análisis haces?

En el primer paso, creo modelos de proceso casi de caja negra donde comienzo en un nivel muy alto y modelo un componente tecnológico innovador basado en propiedades conocidas del material y principios básicos de ingeniería. Este es un ejercicio valioso ya que rara vez tenemos prototipos o sistemas piloto para guiarnos. A partir de este modelo de caja negra, podemos comprender la cantidad de unidades de MOF llenas necesarias para un objetivo de captura de CO específico₂, la demanda de energía y toda la infraestructura necesaria a su alrededor: compresores, enfriadores. Luego, dependiendo de dónde supongo que se implementan los sistemas DAC en los Estados Unidos, puedo estimar el costo de la electricidad o la fuente de calor y las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con esa energía. Comparar el costo y las emisiones del consumo de energía con el costo de capital del sistema me ayuda a llegar a algunas conclusiones preliminares antes de sumergirme en los modelos de proceso DAC con mayor detalle.

También hago un análisis de sensibilidad. Por ejemplo, podría mejorar cómo se comportaría en teoría este material si su adsorción fuera así; ¿Cómo afecta esto a los costos en comparación con cuando la cinética ha cambiado ligeramente? Los científicos me ayudarían con este análisis de sensibilidad para decir: OK, aquí hay una pequeña y gran cantidad de lo que vemos en nuestra investigación o incluso teóricamente posible. De esta manera, jugueteo con mi modelo de una manera muy sensata.

P. ¿En qué momento de su investigación comienza a trabajar con científicos?

Si conoce la escala de “nivel de preparación tecnológica”, donde TRL 1 es conceptual y TRL 9 es un sistema que se ha lanzado y tiene éxito en condiciones reales, puedo hacer un análisis tecnoeconómico para cada uno. Incluso en TRL 10 hay solución de problemas o está entrando en un nuevo panorama político y los desarrolladores quieren entender su próxima decisión. A nivel conceptual, esto puede simplemente ayudar a los investigadores a comenzar a evaluar la practicidad de diferentes proyectos, o a determinar con qué tecnologías existentes su sistema podría competir en absoluto. En esta etapa, es más como un análisis de mercado y un proyecto de ingeniería.

P. ¿Hay alguna consideración particular a la hora de realizar un análisis tecnoeconómico de tecnologías con emisiones negativas frente a otras tecnologías energéticas?

Sin un análisis del sistema que indique la implementación, la tecnología de emisiones negativas podría ser muy costosa o, peor aún, muy ineficaz. Hay muchas tecnologías diferentes de emisiones negativas más allá del DAC, pero me enfocaré en esto ya que lo usé como mi ejemplo. Si ejecuta un DAC en una red eléctrica de gas natural y carbón, se estima que en realidad está emitiendo más CO₂ lo que se captura. Pero si usa un DAC con electricidad renovable, emitirá menos CO₂ de lo que ha sido capturado. Entonces, si dices que cuesta $ 500 capturar una tonelada de CO₂pero se emite media tonelada por consumo de energía, realmente solo compensamos media tonelada. Entonces ahora son $ 1,000 la tonelada. Este es el tipo de discusión a la que puedo ayudar a agregar números reales.

En segundo lugar, ¿qué estás haciendo con ese CO capturado?₂ es importante. Convertirlo en otro producto químico o almacenarlo bajo tierra conlleva una penalización energética. Por tanto, hay muchos problemas del ciclo de vida que pueden ser específicos de cada caso y, por tanto, muy difíciles de comunicar.

Finalmente, tenemos que considerar la logística. Necesitamos saber dónde está el CO₂ Está capturado. Sin este elemento, es difícil modelar la cadena de suministro y responder preguntas sobre si vale la pena almacenarlo, convertirlo en el sitio o transportar CO.₂ a un lugar donde puedas hacer algo al respecto. No podemos asignar todos nuestros recursos limitados de energía renovable a tecnologías de emisiones negativas, por lo que tendremos que tener cuidado cuando se trata de implementar DAC basados ​​en estas energías renovables, así como en CO.₂ fuentes y CO₂ opciones de secuestro. Así que voy a ser muy crítico con el suministro y también con el acoplamiento de estos sistemas. Si bien muchas de estas tecnologías están aumentando en términos de preparación tecnológica, su combinación se encuentra en una etapa muy temprana.