Cómo los análisis tecnoeconómicos allanan el camino hacia un mínimo

Los niveles de dióxido de carbono en el aire, que calienta el planeta, siguen aumentando. Reducir las emisiones alejándose de los combustibles fósiles es una prioridad, pero también lo es eliminar el carbono que ya se ha emitido. De las muchas tecnologías emergentes sobre la mesa, ¿cuáles serán más efectivas y dónde? ¿Qué pasa con los costos? ¿Qué tipos de inversiones tendrán el mayor impacto?

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE) están respondiendo este tipo de preguntas con análisis tecnoeconómico, una forma basada en datos de predecir las mejores rutas hacia la descarbonización.

“Berkeley Lab está desarrollando muchas tecnologías de energía limpia que podrían tener un impacto enorme en nuestro camino hacia un futuro con bajas emisiones de carbono. El análisis tecnoeconómico nos ayuda a centrar nuestra investigación en aquellas tecnologías que tienen más probabilidades de convertirse en productos exitosos y asequibles”, dijo el director del laboratorio de Berkeley, Mike Witherell.

El análisis tecnoeconómico utiliza modelos informáticos para evaluar las implicaciones de costos y los posibles impactos ambientales de las tecnologías emergentes. Estos modelos pueden basarse en los resultados de la investigación inicial de una tecnología y calcular los costos de ampliarla. Este tipo de análisis predictivo se puede utilizar para respaldar la toma de decisiones por parte de investigadores, partes interesadas de la industria, reguladores y formuladores de políticas.

Una combinación de potencia informática robusta y técnicas más sofisticadas han hecho del análisis tecnoeconómico un enfoque cada vez más poderoso. En consecuencia, el equipo de Berkeley Lab, centrado en el Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio con personal en las Áreas de Biociencias y Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente, se ha ampliado para incluir a 20 científicos de una amplia gama de disciplinas que trabajan en asociación con equipos de Berkeley Lab y con otras instituciones. . La investigación a menudo requiere una combinación de diseño de ingeniería, diseño y simulación de procesos, análisis de flujo de efectivo, evaluación del ciclo de vida y análisis geoespacial.

“Con una tecnología novedosa, no podemos simplemente tomar una analogía con una industria y adivinar cómo se desempeña. Realmente necesitamos construir sistemas de ingeniería completamente nuevos y los modelos de proceso que los rodean”, dijo Hanna Breunig, científica investigadora del Laboratorio de Berkeley. "Esto requiere ciencia en equipo y nuevos enfoques computacionales para comenzar a predecir el rendimiento".

Mientras que los proyectos anteriores de análisis tecnoeconómico generalmente dependían de software existente con entradas y salidas limitadas, hoy los investigadores del Berkeley Lab están creando modelos informáticos de múltiples capas personalizados para obtener una imagen más completa de una tecnología. Aún más importante, el equipo ha estado reforzando estos modelos con datos de investigaciones en etapa inicial en el laboratorio. Esto crea un circuito de retroalimentación donde los datos fortalecen los modelos y viceversa.

“Con una tecnología novedosa, no podemos simplemente tomar una analogía con una industria y adivinar cómo se desempeña. Realmente necesitamos construir sistemas de ingeniería completamente nuevos y modelos de procesos a su alrededor. "Esto requiere ciencia en equipo y nuevos enfoques computacionales para comenzar a predecir el rendimiento".

– Hanna Breunig

La historia del análisis tecnoeconómico del Berkeley Lab durante las últimas dos décadas está resultando útil en una variedad de estrategias clave de mitigación del cambio climático. Esto incluye tecnologías de emisiones negativas como la captura directa de aire y la erosión mejorada, un proceso que acelera las reacciones químicas que eliminan el carbono de forma natural. También incluye la descarbonización de la fabricación; biocombustibles y bioproductos; producción y almacenamiento de hidrógeno; y métodos para apoyar una economía circular en la que se puedan reciclar más materiales, evitando la necesidad de fabricar otros nuevos.

"Cuando las tecnologías son tan incipientes y se comercializan rápidamente, recibimos datos de todas direcciones", dijo Corinne Scown, científica del Laboratorio de Berkeley. “Por lo tanto, tenemos que comprender muy rápidamente cuáles son los principales factores que influyen en los costos, los balances energéticos y las emisiones. Eso requiere el tipo de experiencia y habilidades tecnológicas que hemos estado desarrollando”.

En un estudio reciente, Breunig y sus colegas presentaron un concepto para un sistema de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura que podría almacenar grandes cantidades de energía durante períodos de semanas a meses. Breunig y el coautor del estudio, Sean Lubner, afiliado del Berkeley Lab, plantearon la hipótesis de que se podrían diseñar nuevos materiales compuestos para satisfacer las necesidades de dicho sistema. El análisis de sistemas se utilizó para aplicar ingeniería inversa a los objetivos de parámetros clave del material, como la conductividad eléctrica, el precio del material y la durabilidad, a partir del objetivo de costo nivelado de un sistema. El resultado fue tanto una patente sobre el sistema integrado y los materiales candidatos, como un prototipo basado en el material más prometedor.

Otros trabajos recientes de análisis tecnoeconómico se han centrado en un plástico infinitamente reciclable llamado poli(dicetoenamina) o PDK. El material fue inventado en el Laboratorio de Berkeley hace unos años. Ahora investigadores, incluido Baishakhi Bose, investigador postdoctoral del Laboratorio de Berkeley, están realizando análisis para centrarse en las versiones más rentables del material, así como en dónde el material podría funcionar mejor (los colchones y las piezas de automóviles son dos candidatos).

"Con el análisis tecnoeconómico, podemos generar escenarios que nos ayuden a determinar si los compuestos PDK que se exploran en el laboratorio serían competitivos en costos con los compuestos plásticos actualmente en el mercado", dijo Bose. "Los estudios de análisis tecnoeconómico también nos ayudan a comprender qué etapas del proceso de producción de PDK necesitan mejoras".

Breunig y sus colegas del Área de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente están desarrollando una guía de mejores prácticas para una técnica llamada meteorización mejorada, donde se agregan rocas pulverizadas al suelo, para maximizar la eliminación de carbono y potencialmente mejorar la calidad del suelo y aumentar el rendimiento de los cultivos.

Investigadores del Laboratorio Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y varios otros laboratorios y universidades están colaborando en un próximo informe, Roads to Removal, que evaluará las perspectivas de métodos tanto diseñados como basados ​​en la naturaleza para eliminar el dióxido de carbono del aire. Dado que las concentraciones de dióxido de carbono han aumentado un 50% en menos de 200 años, el mundo necesita opciones viables de eliminación, como la captura directa de aire, la eliminación y almacenamiento de carbono de la biomasa (BiRCS) y mejores prácticas de gestión de bosques y tierras de cultivo.

"El informe tiene el potencial de tener un gran impacto, no sólo por nuestra capacidad de decir cuánto carbono creemos que podríamos eliminar hasta 2050, sino también por dónde serán más necesarias las inversiones en infraestructura, como los oleoductos de dióxido de carbono", dijo Scown.

En el trabajo en curso para el programa HyMARC del DOE, el científico investigador del laboratorio de Berkeley Peng Peng y Breunig están desarrollando un enfoque computacional para evaluar materiales absorbentes para aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno. Su trabajo ha sido utilizado por colegas en Ciencias de Materiales y en otros lugares para comenzar a codiseñar los sorbentes y el sistema de almacenamiento diseñado para aplicaciones específicas, como sistemas de energía de respaldo para reemplazar los generadores diésel.

En el caso de los biocombustibles, un análisis tecnoeconómico podría indicar el precio mínimo que un biocombustible en particular necesitaría para generar un sólido retorno de la inversión. O podría predecir cómo cambiarían el costo y el impacto de las emisiones en una biorrefinería de etanol si la instalación también produjera biogás a partir de estiércol y desechos de alimentos. La intensidad de carbono de los bioproductos y combustibles es la métrica más crítica para garantizar incentivos fiscales, pero requiere una evaluación cuidadosa del ciclo de vida y una contabilidad del carbono de las cadenas de suministro y los procesos que pueden ser muy heterogéneos espacial y temporalmente.

(De izquierda a derecha) Corinne Scown, adjunta de investigación: División de Análisis Energético e Impactos Ambientales, Área de Tecnologías Energéticas (ETA), Peng Peng, investigador/ingeniero de políticas energéticas/ambientales, y Hanna Breunig, adjunta: Departamento de Energía Sostenible y Sistemas Ambientales ETA. (Crédito: Thor Swift/Berkeley Lab)

Además de iluminar el camino hacia el desarrollo comercial de tecnologías emergentes, análisis como estos brindan información clave para los investigadores, los formuladores de políticas y la industria a medida que asignan recursos para desarrollar e implementar soluciones climáticas.

"No fue hasta que comenzaron a aparecer los análisis tecnoeconómicos que quedó claro que el hidrógeno tiene un papel importante que desempeñar en el apoyo a las redes eléctricas, los vehículos pesados ​​y el transporte marítimo", dijo Breunig. "Ese punto de vista surgió directamente al observar el rendimiento técnico y el costo en comparación con otras tecnologías como las baterías".

Las asociaciones público-privadas también son una forma importante de fortalecer el análisis tecnoeconómico y ayudar a hacer avanzar las tecnologías. "Funciona mejor si puedes asociarte con empresas y asegurarte de incorporar algunas de las lecciones aprendidas en el modelo", dijo Scown.

En un proyecto con Zero Waste Energy Development Company (ZWEDC), con sede en California, los investigadores del Berkeley Lab estudiaron los impactos de las emisiones de carbono y contaminantes del aire para diferentes formas de gestionar los residuos sólidos municipales orgánicos, como los vertederos, el compostaje y la digestión anaeróbica.

Como parte del proyecto, modelaron las operaciones de la instalación ZWEDC en San José y luego exploraron estrategias alternativas para esa instalación. Los resultados revelaron lo beneficioso que es desviar los desechos orgánicos de los vertederos desde el punto de vista climático, pero también algunos de los desafíos que puede presentar el compostaje en materia de calidad del aire. De cara al futuro, el equipo está explorando opciones para utilizar estiércol para generar energía y oportunidades para el secuestro de carbono.

Los análisis también pueden estimar efectos que son críticos para el bienestar de las comunidades locales, como la creación de empleo local, cambios en los contaminantes atmosféricos de criterio y efectos en los sistemas hídricos. Otros efectos capturados en los análisis incluyen riesgos para la cadena de suministro de materiales críticos, reciclabilidad de productos, entre muchos otros conocimientos.

El análisis tecnoeconómico ayuda a elaborar una hoja de ruta que abarque las oportunidades a corto y largo plazo. Los resultados pueden constituir un argumento sólido para seguir adelante con soluciones como la biomasa para la eliminación de carbono que están listas para implementarse hoy, dice Scown. En el otro extremo del espectro, el análisis tecnoeconómico puede desempeñar un papel central a la hora de trazar el camino a seguir para tecnologías en etapa inicial, como las de captura directa de aire y de hidrógeno.

“Este será un problema que deberá resolverse durante varias décadas”, dijo Breunig. "Es muy valioso tener las habilidades computacionales y la diversidad de miembros del equipo para respaldar un proceso de innovación".

Esta investigación fue financiada principalmente por la Oficina de Ciencias y la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, y la Comisión de Energía de California. Algunos proyectos fueron apoyados en parte por el Joint BioEnergy Institute, un centro de investigación de bioenergía del DOE administrado por Berkeley Lab.

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Fundado en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor mediante equipos, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. Hoy en día, los investigadores del Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y energéticas sostenibles, crean nuevos materiales útiles, avanzan las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para sus propios descubrimientos científicos. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.