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空氣中導(dǎo)致地球變暖的二氧化碳含量繼續(xù)上升。通過遠離化石燃料來減少排放是當(dāng)務(wù)之急，但消除已經(jīng)排放的碳也是如此。在擺在桌面上的眾多新興技術(shù)中，哪些最有效，在哪里?費用呢?什么樣的投資會產(chǎn)生最大的影響?

能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室(BerkeleyLab)的科學(xué)家們正在通過技術(shù)經(jīng)濟分析來回答這類問題，這是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式來預(yù)測脫碳的最佳途徑。

“伯克利實驗室正在開發(fā)許多清潔能源技術(shù)，這些技術(shù)可能對我們通往低碳未來的道路產(chǎn)生巨大影響。技術(shù)經(jīng)濟分析幫助我們將研究重點放在那些最有可能開發(fā)成成功且負擔(dān)得起的產(chǎn)品的技術(shù)上，”說伯克利實驗室主任MikeWitherell。

(相關(guān)資料圖)

從創(chuàng)新到成熟技術(shù)的橋梁

技術(shù)經(jīng)濟分析使用計算機模型來評估新興技術(shù)的成本影響和潛在環(huán)境影響。這些模型可以建立在一項技術(shù)的初步研究結(jié)果之上，并計算擴大它的成本。這種類型的預(yù)測分析可用于支持研究人員、行業(yè)利益相關(guān)者、監(jiān)管機構(gòu)和政策制定者的決策制定。

強大的計算能力和更復(fù)雜的技術(shù)相結(jié)合，使技術(shù)經(jīng)濟分析成為一種越來越強大的方法。因此，伯克利實驗室的團隊以該實驗室的能源技術(shù)領(lǐng)域為中心，員工遍及地球與環(huán)境科學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)已擴大到包括來自廣泛學(xué)科的20名科學(xué)家，他們與伯克利實驗室和其他機構(gòu)的團隊合作.

研究通常需要結(jié)合工程設(shè)計、流程設(shè)計和模擬、現(xiàn)金流分析、生命周期評估和地理空間分析。

伯克利實驗室研究科學(xué)家HannaBreunig說：“對于一項新技術(shù)，我們不能只是對一個行業(yè)進行類比并猜測它的表現(xiàn)。我們確實需要圍繞它們構(gòu)建全新的工程系統(tǒng)和過程模型”.“這需要團隊科學(xué)和新的計算方法來開始預(yù)測性能?！?/p>

早期的技術(shù)經(jīng)濟分析項目通常依賴于輸入和輸出有限的現(xiàn)有軟件，而如今伯克利實驗室的研究人員正在創(chuàng)建量身定制的多層計算機模型，以更全面地了解一項技術(shù)。更重要的是，該團隊一直在使用實驗室早期研究的數(shù)據(jù)來支持這些模型。這創(chuàng)建了一個反饋循環(huán)，其中數(shù)據(jù)加強了模型，反之亦然。

伯克利實驗室在過去二十年的技術(shù)經(jīng)濟分析歷史現(xiàn)在證明在各種關(guān)鍵的氣候變化緩解戰(zhàn)略中是有用的。這包括負排放技術(shù)，例如直接空氣捕獲和增強風(fēng)化，這是一種加速化學(xué)反應(yīng)的過程，可以自然去除碳。它還包括脫碳制造;生物燃料和生物制品;制氫和儲存;以及支持循環(huán)經(jīng)濟的方法，在循環(huán)經(jīng)濟中可以回收更多材料，避免制造新材料。

伯克利實驗室的科學(xué)家科琳·斯考恩(CorinneScown)說：“當(dāng)技術(shù)剛剛起步并且正在迅速商業(yè)化時，我們正在從各個方向獲取數(shù)據(jù)?！薄耙虼?，我們必須真正快速地了解成本、能源平衡和排放的主要驅(qū)動因素。這需要我們一直在構(gòu)建的技術(shù)專長和能力。”

高溫?zé)崮軆Υ?/p>

在最近的研究中，Breunig及其同事提出了一種高溫?zé)崮軆Υ嫦到y(tǒng)的概念，該系統(tǒng)可以在數(shù)周至數(shù)月的時間內(nèi)儲存大量能量。Breunig和該研究的共同作者、伯克利實驗室附屬機構(gòu)SeanLubner假設(shè)可以設(shè)計新的復(fù)合材料來滿足此類系統(tǒng)的需求。

系統(tǒng)分析用于根據(jù)系統(tǒng)的平準化成本目標對關(guān)鍵材料參數(shù)(例如電導(dǎo)率、材料價格和耐用性)的目標進行逆向工程。結(jié)果是集成系統(tǒng)和候選材料的專利，以及基于最有前途的材料的原型。

無限可回收塑料

最近的其他技術(shù)經(jīng)濟分析工作集中在一種稱為聚(二酮烯胺)或PDK的無限可回收塑料上。這種材料是幾年前在伯克利實驗室發(fā)明的?，F(xiàn)在，包括伯克利實驗室的博士后學(xué)者BaishakhiBose在內(nèi)的研究人員正在對該材料的最具成本效益的版本以及材料可能最有效的地方(床墊和汽車零件是兩種候選材料)進行分析以將其歸零。

“通過技術(shù)經(jīng)濟分析，我們可以生成場景，幫助我們確定實驗室中正在探索的PDK化合物是否與目前市場上的塑料化合物具有成本競爭力，”Bose說?！凹夹g(shù)經(jīng)濟分析研究還幫助我們了解PDK生產(chǎn)過程的哪些階段需要改進。”

從空氣中去除碳

Breunig和地球與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的同事正在為一種稱為增強風(fēng)化的技術(shù)制定最佳實踐指南，在這種技術(shù)中，將粉碎的巖石添加到土壤中，以最大限度地去除碳，并有可能改善土壤質(zhì)量并提高作物產(chǎn)量。

伯克利實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室以及其他幾家實驗室和大學(xué)的研究人員正在合作編寫一份即將發(fā)布的報告《清除道路》，該報告將評估工程方法和基于自然的方法從空氣中去除二氧化碳的前景。鑒于二氧化碳濃度在不到200年的時間里上升了50%，世界需要可行的清除方案，例如直接空氣捕獲、生物質(zhì)碳清除和儲存(BiRCS)以及改進的森林和農(nóng)田管理實踐。

“這份報告有可能產(chǎn)生真正的影響，不僅僅是因為我們有能力說明我們認為到2050年我們可以清除多少碳，而且還因為最需要二氧化碳管道等基礎(chǔ)設(shè)施投資的地方，”斯考恩說。

制氫與儲存

在美國能源部HyMARC計劃的持續(xù)工作中，伯克利實驗室研究科學(xué)家PengPeng和Breunig正在開發(fā)一種計算方法，用于評估用于儲氫應(yīng)用的吸附劑材料。他們的工作已被材料科學(xué)和其他領(lǐng)域的同事用于開始共同設(shè)計吸附劑和工程存儲系統(tǒng)，用于目標應(yīng)用，例如替代柴油發(fā)電機的備用電源系統(tǒng)。

生物燃料和生物制品

就生物燃料而言，技術(shù)經(jīng)濟分析可以告訴您特定生物燃料實現(xiàn)可靠投資回報所需的最低價格。或者它可以預(yù)測如果設(shè)施也從糞便和食物垃圾中制造沼氣，成本和排放影響將如何改變乙醇生物精煉廠。生物基產(chǎn)品和燃料的碳強度是確保稅收激勵的最關(guān)鍵指標，但需要對可能在空間和時間上高度異質(zhì)的供應(yīng)鏈和流程進行仔細的生命周期評估和碳核算。

決策的科學(xué)依據(jù)

除了為新興技術(shù)的商業(yè)開發(fā)指明道路外，此類分析還為研究人員、決策者和行業(yè)分配資源以開發(fā)和部署氣候解決方案提供了關(guān)鍵信息。

Breunig說：“直到技術(shù)經(jīng)濟分析開始出現(xiàn)，氫氣在支持電網(wǎng)、重型車輛和航運方面發(fā)揮著重要作用才變得清晰起來?！薄斑@種觀點直接來自于與電池等其他技術(shù)相比的技術(shù)性能和成本?！?/p>

公私伙伴關(guān)系也是加強技術(shù)經(jīng)濟分析和幫助推動技術(shù)發(fā)展的重要途徑。“如果你能夠與公司合作并確保你將他們的一些經(jīng)驗教訓(xùn)重新納入建模，那么效果最好，”斯考恩說。

在與總部位于加利福尼亞州的零廢物能源開發(fā)公司(ZWEDC)合作的一個項目中，伯克利實驗室的研究人員研究了垃圾填埋、堆肥和厭氧消化等不同管理城市有機固體廢物的方式對碳和空氣污染物排放的影響。

作為該項目的一部分，他們模擬了圣何塞ZWEDC設(shè)施的運營，然后探索了該設(shè)施的替代策略。結(jié)果表明，從氣候的角度來看，將有機廢物從垃圾填埋場轉(zhuǎn)移是多么有益，但也揭示了堆肥可能帶來的一些空氣質(zhì)量挑戰(zhàn)。展望未來，該團隊正在探索使用糞便產(chǎn)生能量的選擇和碳封存的機會。

分析還可以估計對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)福祉至關(guān)重要的影響，例如創(chuàng)造當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)機會、標準空氣污染物的變化以及對水系統(tǒng)的影響。分析中捕獲的其他影響包括關(guān)鍵材料供應(yīng)鏈的風(fēng)險、產(chǎn)品可回收性以及許多其他見解。

技術(shù)經(jīng)濟分析有助于構(gòu)建涵蓋近期和長期機會的路線圖。Scown說，這些結(jié)果可以為推進“唾手可得的成果”提供有力的支持，例如生物質(zhì)能去除碳等解決方案，這些解決方案今天已準備就緒。另一方面，技術(shù)經(jīng)濟分析可以在為直接空氣捕獲和氫氣等早期技術(shù)規(guī)劃前進道路方面發(fā)揮核心作用。

“這將是一個需要數(shù)十年才能解決的問題，”Breunig說?！皳碛杏嬎慵寄芎蛨F隊成員的多樣性來支持創(chuàng)新管道具有很大的價值?！?/p>