Wie technoökonomische Analysen den Weg zu einem Tief ebnen

Der Anteil von Kohlendioxid in der Luft, das den Planeten erwärmt, steigt weiter an. Die Reduzierung der Emissionen durch den Verzicht auf fossile Brennstoffe hat Priorität – aber auch die Entfernung des bereits emittierten Kohlenstoffs. Welche der vielen auf dem Tisch liegenden neuen Technologien werden am effektivsten sein und wo? Wie sieht es mit den Kosten aus? Welche Arten von Investitionen werden die größte Wirkung haben?

Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums (DOE) beantworten diese Art von Fragen mit technoökonomischer Analyse, einer datengesteuerten Methode zur Vorhersage der besten Wege zur Dekarbonisierung.

„Berkeley Lab entwickelt viele saubere Energietechnologien, die einen enormen Einfluss auf unseren Weg in eine kohlenstoffarme Zukunft haben könnten. Die technoökonomische Analyse hilft uns, unsere Forschung auf die Technologien zu konzentrieren, die sich am ehesten zu erfolgreichen und erschwinglichen Produkten entwickeln lassen“, sagte Mike Witherell, Direktor des Berkeley Lab.

Die technoökonomische Analyse verwendet Computermodelle, um die Kostenauswirkungen und potenziellen Umweltauswirkungen neuer Technologien zu bewerten. Diese Modelle können auf ersten Forschungsergebnissen zu einer Technologie aufbauen und die Kosten für deren Skalierung berechnen. Diese Art der prädiktiven Analyse kann verwendet werden, um die Entscheidungsfindung von Forschern, Interessenvertretern der Industrie, Regulierungsbehörden und politischen Entscheidungsträgern zu unterstützen.

Eine Kombination aus robuster Rechenleistung und ausgefeilteren Techniken hat die technoökonomische Analyse zu einem immer leistungsfähigeren Ansatz gemacht. Dementsprechend wurde das Team des Berkeley Lab, das sich auf den Energietechnologiebereich des Labors konzentriert und Mitarbeiter aus den Bereichen Erd- und Umweltwissenschaften sowie Biowissenschaften umfasst, auf 20 Wissenschaftler aus einem breiten Spektrum von Disziplinen erweitert, die mit Teams im gesamten Berkeley Lab und mit anderen Institutionen zusammenarbeiten . Die Forschung erfordert häufig eine Mischung aus technischem Design, Prozessdesign und -simulation, Cashflow-Analyse, Lebenszyklusanalyse und Geodatenanalyse.

„Mit einer neuartigen Technologie können wir nicht einfach eine Analogie für eine Branche nehmen und deren Leistung erraten. Wir müssen wirklich völlig neue technische Systeme und die sie umgebenden Prozessmodelle entwickeln“, sagte Hanna Breunig, Forschungswissenschaftlerin im Berkeley Lab. „Dies erfordert Teamwissenschaft und neue rechnerische Ansätze, um mit der Vorhersage der Leistung zu beginnen.“

Während frühere technoökonomische Analyseprojekte im Allgemeinen auf vorhandener Software mit begrenzten Ein- und Ausgängen beruhten, erstellen Forscher des Berkeley Lab heute maßgeschneiderte, mehrschichtige Computermodelle, um ein vollständigeres Bild einer Technologie zu erhalten. Noch wichtiger ist, dass das Team diese Modelle mit Daten aus frühen Forschungsstadien des Labors gestärkt hat. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, in der die Daten die Modelle stärken und umgekehrt.

„Mit einer neuartigen Technologie können wir nicht einfach eine Analogie für eine Branche nehmen und deren Leistung erraten. Wir müssen wirklich völlig neue technische Systeme und die sie umgebenden Prozessmodelle aufbauen. „Dies erfordert Teamwissenschaft und neue rechnerische Ansätze, um mit der Vorhersage der Leistung zu beginnen.“

– Hanna Breunig

Die Geschichte der technoökonomischen Analyse des Berkeley Lab in den letzten zwei Jahrzehnten erweist sich nun als nützlich für eine Vielzahl wichtiger Strategien zur Eindämmung des Klimawandels. Dazu gehören Technologien für negative Emissionen wie Direct Air Capture und Enhanced Weathering, ein Prozess, der chemische Reaktionen beschleunigt, die Kohlenstoff auf natürliche Weise entfernen. Dazu gehört auch die Dekarbonisierung der Fertigung; Biokraftstoffe und Bioprodukte; Wasserstoffproduktion und -speicherung; und Methoden zur Unterstützung einer Kreislaufwirtschaft, in der mehr Materialien recycelt werden können, sodass keine neuen Materialien hergestellt werden müssen.

„Wenn Technologien so jung sind und schnell kommerzialisiert werden, erhalten wir Daten aus allen Richtungen“, sagte Corinne Scown, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin des Berkeley Lab. „Wir müssen also sehr schnell herausfinden, was die Haupttreiber für Kosten, Energiebilanzen und Emissionen sind. Das erfordert die Art von technologischem Fachwissen und den Fähigkeiten, die wir aufgebaut haben.“

In einer aktuellen Studie stellten Breunig und Kollegen ein Konzept für ein Hochtemperatur-Wärmespeichersystem vor, das große Energiemengen über Wochen bis Monate speichern könnte. Breunig und der Co-Autor der Studie, Sean Lubner, ein Tochterunternehmen des Berkeley Lab, stellten die Hypothese auf, dass neue Verbundmaterialien entwickelt werden könnten, um die Anforderungen eines solchen Systems zu erfüllen. Die Systemanalyse wurde verwendet, um Ziele für wichtige Materialparameter wie elektrische Leitfähigkeit, Materialpreis und Haltbarkeit aus dem nivellierten Kostenziel eines Systems zurückzuentwickeln. Das Ergebnis war sowohl ein Patent auf das integrierte System und die Kandidatenmaterialien als auch ein Prototyp auf Basis des vielversprechendsten Materials.

Andere aktuelle technoökonomische Analysearbeiten konzentrierten sich auf einen unbegrenzt recycelbaren Kunststoff namens Poly(diketoenamin) oder PDK. Das Material wurde vor einigen Jahren im Berkeley Lab erfunden. Jetzt führen Forscher, darunter Baishakhi Bose, ein Postdoktorand am Berkeley Lab, Analysen durch, um herauszufinden, welche Versionen des Materials am kostengünstigsten sind und wo das Material am besten funktionieren könnte (Matratzen und Autoteile sind zwei Kandidaten).

„Mit technoökonomischen Analysen können wir Szenarien erstellen, die uns dabei helfen können festzustellen, ob PDK-Verbindungen, die im Labor untersucht werden, kostenmäßig mit derzeit auf dem Markt befindlichen Kunststoffverbindungen konkurrenzfähig wären“, sagte Bose. „Die technoökonomischen Analysestudien helfen uns auch zu verstehen, welche Phasen des PDK-Produktionsprozesses verbessert werden müssen.“

Breunig und Kollegen im Bereich Erd- und Umweltwissenschaften entwickeln Best-Practice-Anleitungen für eine Technik namens „Enhanced Weathering“, bei der pulverisiertes Gestein dem Boden zugesetzt wird, um die Kohlenstoffentfernung zu maximieren und möglicherweise die Bodenqualität zu verbessern und die Ernteerträge zu steigern.

Forscher des Berkeley Lab, des Lawrence Livermore National Laboratory und mehrerer anderer Labore und Universitäten arbeiten gemeinsam an einem bevorstehenden Bericht mit dem Titel „Roads to Removal“, in dem die Aussichten sowohl technischer als auch naturbasierter Methoden zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Luft bewertet werden. Angesichts der Tatsache, dass die Kohlendioxidkonzentration in weniger als 200 Jahren um 50 % gestiegen ist, braucht die Welt praktikable Optionen zur Entfernung von CO2, wie direkte Luftabscheidung, Biomasse-Kohlenstoffentfernung und -speicherung (BiRCS) sowie verbesserte Wald- und Ackerlandbewirtschaftungspraktiken.

„Der Bericht hat das Potenzial, wirklich wirkungsvoll zu sein, nicht nur weil wir sagen können, wie viel Kohlenstoff wir unserer Meinung nach bis 2050 entfernen können, sondern auch, wo Infrastrukturinvestitionen wie Kohlendioxid-Pipelines am dringendsten benötigt werden“, sagte Scown.

Im Rahmen der laufenden Arbeit für das HyMARC-Programm des DOE entwickeln die Berkeley Lab Research Scientist Peng Peng und Breunig einen rechnerischen Ansatz zur Bewertung von Sorptionsmaterialien für Wasserstoffspeicheranwendungen. Ihre Arbeit wurde von Kollegen in den Materialwissenschaften und anderswo genutzt, um mit der gemeinsamen Entwicklung der Sorptionsmittel und des technischen Speichersystems für Zielanwendungen wie Notstromsysteme als Ersatz für Dieselgeneratoren zu beginnen.

Im Fall von Biokraftstoffen könnte eine technoökonomische Analyse Aufschluss über den Mindestpreis geben, den ein bestimmter Biokraftstoff benötigen würde, um eine solide Kapitalrendite zu erzielen. Oder es könnte vorhersagen, wie sich die Kosten- und Emissionsauswirkungen in einer Ethanol-Bioraffinerie ändern würden, wenn die Anlage auch Biogas aus Gülle und Lebensmittelabfällen erzeugen würde. Die Kohlenstoffintensität biobasierter Produkte und Kraftstoffe ist die wichtigste Messgröße für die Sicherung von Steueranreizen, erfordert jedoch eine sorgfältige Lebenszyklusbewertung und Kohlenstoffbilanzierung von Lieferketten und Prozessen, die räumlich und zeitlich sehr heterogen sein können.

(Von links nach rechts) Corinne Scown, Stellvertreterin für Forschung: Abteilung für Energieanalyse und Umweltauswirkungen, Bereich Energietechnologien (ETA), Peng Peng, Forschungswissenschaftlerin/Ingenieurin für Energie-/Umweltpolitik, und Hanna Breunig, Stellvertreterin: Abteilung für nachhaltige Energie- und Umweltsysteme , voraussichtliche Ankunftszeit. (Quelle: Thor Swift/Berkeley Lab)

Analysen wie diese ebnen nicht nur den Weg zur kommerziellen Entwicklung neuer Technologien, sondern liefern auch wichtige Informationen für Forscher, politische Entscheidungsträger und die Industrie bei der Bereitstellung von Ressourcen für die Entwicklung und Umsetzung von Klimalösungen.

„Erst als technoökonomische Analysen veröffentlicht wurden, wurde klar, dass Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Unterstützung von Stromnetzen, Schwerlastfahrzeugen und der Schifffahrt spielen kann“, sagte Breunig. „Diese Ansicht ergab sich direkt aus der Betrachtung der technischen Leistung und der Kosten im Vergleich zu anderen Technologien wie Batterien.“

Öffentlich-private Partnerschaften sind auch ein wichtiges Mittel zur Stärkung der technoökonomischen Analyse und zur Weiterentwicklung von Technologien. „Es funktioniert am besten, wenn Sie mit Unternehmen zusammenarbeiten und sicherstellen können, dass Sie einige ihrer gewonnenen Erkenntnisse wieder in die Modellierung einbeziehen“, sagte Scown.

In einem Projekt mit der in Kalifornien ansässigen Zero Waste Energy Development Company (ZWEDC) untersuchten Forscher des Berkeley Lab die Auswirkungen von Kohlenstoff- und Luftschadstoffemissionen für verschiedene Arten der Bewirtschaftung organischer fester Siedlungsabfälle wie Deponierung, Kompostierung und anaerobe Vergärung.

Im Rahmen des Projekts modellierten sie den Betrieb der ZWEDC-Anlage in San Jose und untersuchten anschließend alternative Strategien für diese Anlage. Die Ergebnisse zeigten, wie vorteilhaft es aus klimatischer Sicht ist, organische Abfälle von Deponien fernzuhalten, aber auch einige der Herausforderungen für die Luftqualität, die die Kompostierung mit sich bringen kann. Zukünftig untersucht das Team Möglichkeiten zur Nutzung von Gülle zur Energieerzeugung und Möglichkeiten zur Kohlenstoffbindung.

Analysen können auch Auswirkungen abschätzen, die für das Wohlergehen lokaler Gemeinschaften von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. die Schaffung lokaler Arbeitsplätze, Änderungen bei Luftschadstoffkriterien und Auswirkungen auf Wassersysteme. Weitere in den Analysen erfasste Auswirkungen umfassen Risiken für die Lieferkette für kritische Materialien, die Recyclingfähigkeit von Produkten und viele andere Erkenntnisse.

Die technoökonomische Analyse hilft bei der Erstellung einer Roadmap, die die kurz- und langfristigen Chancen abdeckt. Die Ergebnisse können ein starkes Argument dafür sein, mit den „niedrig hängenden Früchten“, sagt Scown, Lösungen wie Biomasse zur Kohlenstoffentfernung voranzutreiben, die heute einsatzbereit sind. Am anderen Ende des Spektrums kann die technoökonomische Analyse eine zentrale Rolle dabei spielen, den Weg für Frühphasentechnologien wie die direkte Luftabscheidung und Wasserstoff aufzuzeigen.

„Die Lösung dieses Problems wird mehrere Jahrzehnte dauern“, sagte Breunig. „Es ist von großem Wert, über die Rechenfähigkeiten und die Vielfalt der Teammitglieder zu verfügen, um eine Innovationspipeline zu unterstützen.“

Diese Forschung wurde hauptsächlich vom Office of Science und dem Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des DOE sowie der California Energy Commission finanziert. Einige Projekte wurden teilweise vom Joint BioEnergy Institute unterstützt, einem vom Berkeley Lab verwalteten DOE Bioenergy Research Center.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.