Comment l’analyse technico-économique peut améliorer les technologies énergétiques

Comment l'analyse technico-économique peut améliorer les technologies énergétiques

Hanna Breunig, chercheuse au Berkeley Lab. Crédit: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Pour les nouvelles technologies énergétiques, le temps écoulé entre le moment où une percée est réalisée dans un laboratoire et le moment où elle est validée, mise à l’échelle, testée, puis largement commercialisée peut prendre des années, voire des décennies. Mais dans la course pour éviter les effets les plus dommageables du réchauffement climatique, le besoin de technologies à émissions négatives est urgent.

Les technologies d’émission négative, ou NET – également appelées technologies d’élimination du carbone – éliminent le dioxyde de carbone de l’air ou d’autres sources ou améliorent les puits de carbone naturels, tels que les forêts et le sol. Récemment, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) a conclu que limiter le réchauffement climatique à 1,5 degré Celsius et éviter les impacts les plus catastrophiques du changement climatique nécessiterait l’utilisation des TNE d’ici le milieu de ce siècle.

Au laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab), des chercheurs comme Hanna Breunig, spécialisée dans l’analyse technico-économique, travaillent avec des scientifiques depuis des années sur des technologies énergétiques telles que l’hydrogène et les biocarburants. Maintenant, ils ont retroussé leurs manches pour approfondir les nouvelles technologies d’émissions négatives, aidant les scientifiques à rendre leurs innovations plus compétitives et plus percutantes.

Q. Quelle est votre expérience et votre expertise?

Mon doctorat est en génie civil et environnemental et dans mon doctorat. thèse j’ai regardé CO2 injection souterraine et CO2 utilisation dans l’industrie. J’ai travaillé avec [Berkeley Lab scientists] Thomas McKone, Jens Birkholzer et Curt Oldenburg pour comprendre l’échelle, le coût et les impacts potentiels du CO2 options de conversion et de séquestration.

Au Berkeley Lab, il y a eu une réelle impulsion pour coupler les chercheurs travaillant sur la science fondamentale avec des personnes comme moi qui sont familières avec l’analyse de marché, le déploiement technologique et la modélisation de scénarios. L’intégration de l’analyse technico-économique dans la recherche et le développement peut non seulement aider la science à avoir un impact concurrentiel, mais elle peut aussi aider à comparer les technologies et à décider dans quoi investir. Je ne pense pas seulement aux coûts. Je pense également aux implications du cycle de vie. Vous voulez savoir que toute technologie d’émissions négatives déployée peut réduire le CO2 concentrations sans créer d’impacts inacceptables dans d’autres catégories, comme la production de polluants atmosphériques essentiels.

Q. Pouvez-vous me donner un exemple de la manière dont votre analyse pourrait guider la R&D?

J’ai travaillé avec [Berkeley Lab materials scientist] Jeff Long sur ses charpentes métalliques-organiques, ou MOF, pour le stockage de l’hydrogène. Il étudie également les MOF pour la capture directe dans l’air (DAC) du dioxyde de carbone de l’atmosphère. Ce qu’il voulait vraiment comprendre, c’est comment relier la découverte et la conception de matériaux à des principes d’ingénierie très pratiques pour avoir un impact sur les coûts. Il faut une analyse technico-économique sophistiquée pour connecter et traduire les informations entre ces différentes disciplines afin de guider la recherche et le développement.

Par exemple, sur la technologie DAC, mes recherches peuvent déterminer l’importance d’avoir un système qui libère le CO2 très facilement après capture dans des conditions douces, ou avec un système capable d’adsorber des tonnes et des tonnes de CO2 en un seul cycle. Il y a souvent des compromis entre les investissements en capital et les coûts d’exploitation, mais les MOF sont réputés pour leur adaptabilité, et peut-être que les deux défis auxquels est confronté le CAD peuvent être surmontés.

Q. Intéressant. Comment évalueriez-vous ces compromis? Quel genre d’analyses faites-vous?

Dans un premier temps, je crée des modèles de processus presque en boîte noire, où je commence à un niveau très élevé et modélise le nouveau composant technologique basé sur des propriétés de matériaux connues et des principes d’ingénierie fondamentaux. C’est un exercice précieux car nous avons rarement des prototypes ou des systèmes pilotes pour nous guider. À partir de ce modèle de boîte noire, nous pouvons comprendre le nombre d’unités remplies de MOF nécessaires pour une capture cible donnée de CO2, les besoins énergétiques et toutes les infrastructures nécessaires autour de lui – les compresseurs, les groupes frigorifiques. Ensuite, selon l’endroit où je suppose que les systèmes DAC sont déployés aux États-Unis, je peux estimer le coût de l’électricité ou de la source de chaleur et les émissions de gaz à effet de serre associées à cette énergie. La comparaison du coût et des émissions de la consommation d’énergie avec le coût en capital du système m’aide à tirer des conclusions préliminaires avant de plonger plus en profondeur sur les modèles de processus DAC.

Je fais également une analyse de sensibilité. Je pourrais modifier, par exemple, comment ce matériau se comporterait en théorie si son adsorption ressemblait à ceci; Comment cela affecte-t-il les coûts par rapport à si sa cinétique changeait un peu? Et les scientifiques m’aideraient à me guider dans cette analyse de sensibilité pour dire, d’accord, voici un nombre faible et élevé de ce que nous voyons dans nos recherches ou ce qui est même théoriquement possible. De cette façon, je bricoler mon modèle de manière très raisonnable.

Q. À quel stade de leurs recherches commencez-vous à travailler avec des scientifiques?

Si vous connaissez l’échelle de «niveau de préparation technologique», où TRL 1 est conceptuel et TRL 9 est un système lancé et réussi dans des conditions réelles, je peux faire une analyse technico-économique pour chacun d’entre eux. Même à TRL 10, il y a un dépannage, ou vous entrez dans un nouveau paysage de politiques et les développeurs veulent comprendre leur prochaine décision. Et au niveau du concept, cela peut simplement aider les scientifiques à commencer à évaluer le caractère pratique de différentes conceptions ou à déterminer avec quelles technologies existantes leur système serait même en concurrence. Donc, cela ressemble presque plus à une analyse de marché et à un exercice de conception technique à ce stade.

Q. Existe-t-il des considérations spéciales lors de l’analyse technico-économique des technologies à émissions négatives par rapport aux autres technologies énergétiques?

Sans analyse des systèmes pour guider le déploiement, une technologie à émissions négatives pourrait être très coûteuse ou pire, très inefficace. Il existe un certain nombre de technologies d’émissions négatives différentes au-delà du CAD, mais je me concentrerai sur cela puisque je l’ai utilisé comme exemple. Si vous utilisez DAC sur un réseau électrique alimenté au gaz naturel et au charbon, on estime que vous émettez en fait plus de CO2 c’est ce qui est capturé. Mais si vous utilisez DAC en utilisant de l’électricité renouvelable, vous émettrez moins de CO2 que ce qui est capturé. Donc, si vous dites que votre technologie coûte 500 $ pour capturer une tonne de CO2, mais une demi-tonne est émise en raison de la consommation d’énergie, nous ne compensons en fait qu’une demi-tonne. Alors maintenant, c’est 1 000 $ pour compenser une tonne. C’est le genre de discussions auxquelles je peux contribuer à ajouter des chiffres réels.

Deuxièmement, ce que vous faites avec ce CO capturé2 est important. Le convertir en un autre produit chimique ou le stocker sous terre est associé à une pénalité énergétique. Il y a donc une multitude de problèmes autour du cycle de vie qui peuvent être spécifiques à un cas et donc très difficiles à communiquer.

Enfin, nous devons considérer la logistique. Nous devons savoir où le CO2 est capturé. Sans cette pièce, il est difficile de modéliser la chaîne d’approvisionnement et de répondre aux questions sur l’opportunité de la stocker ou de la convertir sur place ou de transporter ce CO2 à un endroit où vous pouvez en faire quelque chose. Nous ne pouvons pas allouer toutes nos ressources d’énergie renouvelable limitées à des technologies à émissions négatives, nous devrons donc être prudents sur l’endroit où nous déployons le DAC basé sur ces ressources d’énergie renouvelable, ainsi que sur le CO2 sources et CO2 options de séquestration. Donc, je vais réfléchir de manière très critique à l’offre et aussi au couplage de ces systèmes. Alors que bon nombre de ces technologies sont en train de progresser au niveau de la disponibilité technologique, leur couplage est très précoce.


Une éponge pour absorber le dioxyde de carbone dans l’air


Fourni par Lawrence Berkeley National Laboratory

Citation: Comment l’analyse techno-économique peut améliorer les technologies énergétiques (2021, 23 avril) récupéré le 23 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-techno-economic-analysis-energy-technologies.html

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