إزالة الكربون والوقود والمنتجات الحيوية والهيدروجين والاقتصاد الدائري.. استراتيجيات التخفيف من آثار تغير المناخ ومستقبل منخفض الكربون

تستمر مستويات ثاني أكسيد الكربون المسببة للاحتباس الحراري في الهواء في الارتفاع، يعد خفض الانبعاثات عن طريق الابتعاد عن الوقود الأحفوري أولوية- ولكن أيضًا إزالة الكربون المنبعث بالفعل، من بين العديد من التقنيات الناشئة المطروحة على الطاولة، أي منها سيكون أكثر فاعلية، وأين؟ ماذا عن التكاليف؟ ما هي أنواع الاستثمارات التي سيكون لها أكبر الأثر؟

يجيب العلماء في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) التابع لوزارة الطاقة (DOE) على هذه الأنواع من الأسئلة من خلال التحليل الاقتصادي التقني، وهي طريقة تعتمد على البيانات للتنبؤ بأفضل الطرق لإزالة الكربون.

مدير مختبر بيركلي مايك ويذرل، “يقوم مختبر بيركلي ببناء العديد من تقنيات الطاقة النظيفة التي يمكن أن يكون لها تأثير هائل على طريقنا إلى مستقبل منخفض الكربون، يساعدنا التحليل الاقتصادي التكنولوجي على تركيز أبحاثنا على تلك التقنيات التي من المرجح أن يتم تطويرها إلى منتجات ناجحة وبأسعار معقولة”.

جسر من الابتكار إلى التكنولوجيا الناضجة

يستخدم التحليل الاقتصادي التقني نماذج الكمبيوتر لتقييم الآثار المترتبة على التكلفة والآثار البيئية المحتملة للتقنيات الناشئة، يمكن لهذه النماذج أن تبني على نتائج البحث الأولية لتقنية ما وتحسب تكاليف توسيع نطاقها، يمكن استخدام هذا النوع من التحليل التنبئي لدعم اتخاذ القرار من قبل الباحثين وأصحاب المصلحة في الصناعة والمنظمين وصانعي السياسات.

أدى الجمع بين قوة الحوسبة القوية والأساليب الأكثر تطورًا إلى جعل التحليل الاقتصادي التقني نهجًا قويًا بشكل متزايد، وفقًا لذلك، توسع فريق Berkeley Lab، المتمركز في منطقة تقنيات الطاقة في المختبر مع موظفين في جميع أنحاء علوم الأرض والبيئة والعلوم البيولوجية، ليشمل 20 عالماً من مجموعة واسعة من التخصصات الذين يعملون في شراكة مع فرق عبر Berkeley Lab ومع مؤسسات أخرى.

غالبًا ما يتطلب البحث مزيجًا من التصميم الهندسي وتصميم العملية والمحاكاة وتحليل التدفق النقدي وتقييم دورة الحياة والتحليل الجغرافي المكاني.

قالت هانا بريونيج، عالمة الأبحاث في مختبر بيركلي: “باستخدام تقنية جديدة، لا يمكننا فقط أخذ تشابه مع صناعة وتخمين كيفية أدائها، نحن بحاجة حقًا إلى بناء أنظمة هندسية جديدة ونماذج العمليات من حولها”، “هذا يتطلب علم الفريق وأساليب حسابية جديدة لبدء توقع الأداء”.

نماذج حاسوبية مخصصة ومتعددة الطبقات

في حين اعتمدت مشاريع التحليل الاقتصادي التقني السابقة بشكل عام على البرامج الحالية ذات المدخلات والمخرجات المحدودة، يقوم باحثو Berkeley Lab اليوم بإنشاء نماذج حاسوبية مخصصة ومتعددة الطبقات للحصول على صورة أكثر اكتمالاً للتكنولوجيا. والأهم من ذلك، أن الفريق قد عزز هذه النماذج ببيانات من أبحاث المرحلة المبكرة في المختبر، يؤدي هذا إلى إنشاء حلقة تغذية مرتدة حيث تعمل البيانات على تقوية النماذج والعكس صحيح.

يثبت تاريخ تحليل مختبر بيركلي للاقتصاد التقني على مدى العقدين الماضيين فائدته في مجموعة متنوعة من استراتيجيات التخفيف من آثار تغير المناخ الرئيسية، يتضمن ذلك تقنيات الانبعاثات السلبية مثل الالتقاط المباشر للهواء والعوامل الجوية المحسنة، وهي عملية تسرع التفاعلات الكيميائية التي تزيل الكربون بشكل طبيعي.

ويشمل أيضًا تصنيع إزالة الكربون؛ الوقود الحيوي والمنتجات الحيوية؛ إنتاج وتخزين الهيدروجين. وطرق دعم الاقتصاد الدائري حيث يمكن إعادة تدوير المزيد من المواد، وتجنب الحاجة إلى صنع مواد جديدة.

قالت كورين سكاون ، العالمة في مختبر بيركلي: “عندما تكون التقنيات وليدة جدًا ويتم تسويقها بسرعة، فإننا نحصل على البيانات من جميع الاتجاهات”، “لذلك علينا أن نتعامل مع الدوافع الرئيسية للتكاليف، وموازين الطاقة، والانبعاثات بسرعة كبيرة. وهذا يتطلب نوعًا من الخبرة والقدرات التكنولوجية التي نبنيها”.

تخزين الطاقة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية

في دراسة حديثة، قدم Breunig وزملاؤه مفهومًا لنظام تخزين طاقة حرارية عالي الحرارة يمكنه تخزين كميات كبيرة من الطاقة لفترات تتراوح من أسابيع إلى شهور، افترض Breunig ، والمؤلف المشارك في الدراسة Sean Lubner، وهو أحد فروع Berkeley Lab ، أنه يمكن تصميم مواد مركبة جديدة لتلبية احتياجات مثل هذا النظام.

تم استخدام تحليل الأنظمة لعكس أهداف الهندسة العكسية لمعلمات المواد الرئيسية مثل التوصيل الكهربائي وسعر المواد والمتانة من هدف التكلفة المستوي للنظام، وكانت النتيجة براءة اختراع على النظام المتكامل والمواد المرشحة، ونموذج أولي يعتمد على أكثر المواد الواعدة.

بلاستيك قابل لإعادة التدوير بلا حدود

ركزت أعمال التحليل الاقتصادي التقني الحديثة الأخرى على بلاستيك قابل لإعادة التدوير بلا حدود يسمى بولي (ديكيتوينامين)، أو PDK. تم اختراع المادة في مختبر بيركلي قبل بضع سنوات. يُجري الآن باحثون، بمن فيهم Baishakhi Bose ، باحث ما بعد الدكتوراه في Berkeley Lab، تحليلات للتركيز على أكثر إصدارات المواد فعالية من حيث التكلفة، بالإضافة إلى المكان الذي قد تعمل فيه المواد بشكل أفضل (المراتب وأجزاء السيارات هما مرشحان).

قال Bose: “من خلال التحليل الاقتصادي التقني، يمكننا إنشاء سيناريوهات يمكن أن تساعدنا في تحديد ما إذا كانت مركبات PDK التي يتم استكشافها في المختبر ستكون تنافسية من حيث التكلفة مع المركبات البلاستيكية الموجودة حاليًا في السوق”، “تساعدنا دراسات التحليل الاقتصادي التقني أيضًا في فهم مراحل عملية إنتاج PDK التي تحتاج إلى تحسين”.

إزالة الكربون من الهواء

يعمل Breunig وزملاؤه في مجال علوم الأرض والبيئة على تطوير إرشادات أفضل الممارسات لتقنية تسمى التجوية المحسنة، حيث يتم إضافة الصخور المسحوقة إلى التربة، لزيادة إزالة الكربون وتحسين جودة التربة وزيادة غلة المحاصيل.

يتعاون الباحثون في مختبر بيركلي، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني، والعديد من المعامل والجامعات الأخرى في تقرير قادم بعنوان طرق الإزالة، والذي سيقيم احتمالات كل من الأساليب الهندسية والقائمة على الطبيعة لإخراج ثاني أكسيد الكربون من الهواء.

بالنظر إلى أن تركيزات ثاني أكسيد الكربون ارتفعت بنسبة 50٪ في أقل من 200 عام، يحتاج العالم إلى خيارات إزالة قابلة للتطبيق مثل التقاط الهواء المباشر، وإزالة الكربون من الكتلة الحيوية وتخزينه (BiRCS)، وتحسين ممارسات إدارة الغابات والأراضي الزراعية.

وقال سكاون: “التقرير لديه القدرة على أن يكون مؤثرًا حقًا، ليس فقط بسبب قدرتنا على تحديد كمية الكربون التي نعتقد أنه يمكننا إزالتها حتى عام 2050، ولكن أيضًا حيث ستكون هناك حاجة ماسة إلى استثمارات البنية التحتية مثل خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون”.

إنتاج الهيدروجين وتخزينه

في العمل الجاري لبرنامج HyMARC التابع لوزارة الطاقة، يقوم عالم أبحاث Berkeley Lab Peng Peng و Breunig بتطوير نهج حسابي لتقييم المواد الماصة لتطبيقات تخزين الهيدروجين.

تم استخدام عملهم من قبل الزملاء في علوم المواد وأماكن أخرى لبدء التصميم المشترك للمواد الماصة ونظام التخزين الهندسي للتطبيقات المستهدفة مثل أنظمة الطاقة الاحتياطية لاستبدال مولدات الديزل.

الوقود الحيوي والمنتجات الحيوية

في حالة الوقود الحيوي، يمكن أن يخبرك التحليل الاقتصادي التقني عن الحد الأدنى للسعر الذي يحتاجه وقود حيوي معين لتحقيق عائد قوي على الاستثمار، أو يمكن أن يتنبأ بكيفية تغير التكلفة وتأثير الانبعاثات في معمل تكرير الإيثانول الحيوي إذا كان للمنشأة أيضًا إنتاج الغاز الحيوي من السماد الطبيعي ومخلفات الطعام.

تعد كثافة الكربون للمنتجات والوقود الحيوي المقياس الأكثر أهمية لتأمين الحوافز الضريبية، ولكنها تتطلب تقييمًا دقيقًا لدورة الحياة ومحاسبة الكربون لسلاسل التوريد والعمليات التي يمكن أن تكون غير متجانسة للغاية من الناحية المكانية والزمنية.

الأساس العلمي لقرارات السياسة

بالإضافة إلى إضاءة الطريق نحو التطوير التجاري للتكنولوجيات الناشئة، توفر تحليلات كهذه معلومات أساسية للباحثين وصانعي السياسات والصناعة أثناء تخصيصهم للموارد لتطوير حلول المناخ ونشرها.

قال بريونيج: “لم يكن الأمر كذلك حتى بدأ التحليل الاقتصادي التقني الذي أصبح واضحًا أن الهيدروجين يلعب دورًا قويًا في دعم شبكات الطاقة والمركبات الثقيلة والشحن”، “ظهرت هذه الرؤية مباشرة من النظر إلى الأداء الفني والتكلفة مقارنة بالتقنيات الأخرى مثل البطاريات”.

تعد الشراكات بين القطاعين العام والخاص أيضًا وسيلة مهمة لتعزيز التحليل الاقتصادي التقني والمساعدة في دفع التقنيات إلى الأمام، قال سكاون: “يعمل بشكل أفضل إذا كنت قادرًا على الدخول في شراكة مع الشركات والتأكد من أنك تقوم بدمج بعض الدروس المستفادة مرة أخرى في النمذجة”.

في مشروع مع شركة Zero Waste Energy Development Company (ZWEDC) ومقرها كاليفورنيا، درس باحثو Berkeley Lab آثار انبعاثات الكربون وملوثات الهواء لطرق مختلفة لإدارة النفايات الصلبة البلدية العضوية، مثل دفن النفايات، والتسميد ، والهضم اللاهوائي.

كجزء من المشروع، قاموا بنمذجة عمليات منشأة ZWEDC في سان خوسيه ثم استكشفوا استراتيجيات بديلة لتلك المنشأة، كشفت النتائج عن مدى فائدة تحويل النفايات العضوية من مدافن النفايات من وجهة نظر المناخ، ولكن أيضًا بعض تحديات جودة الهواء التي يمكن أن يمثلها السماد، للمضي قدمًا، يستكشف الفريق خيارات لاستخدام السماد الطبيعي لتوليد الطاقة وفرص عزل الكربون.

يمكن للتحليلات أيضًا تقدير التأثيرات الحاسمة لرفاهية المجتمعات المحلية مثل خلق فرص العمل المحلية، والتغيرات في معايير ملوثات الهواء، والتأثيرات على أنظمة المياه، تشمل التأثيرات الأخرى التي تم التقاطها في التحليلات المخاطر التي تتعرض لها سلسلة التوريد للمواد الهامة، وإعادة تدوير المنتج، من بين العديد من الرؤى الأخرى.

يساعد التحليل الاقتصادي التقني في تجميع خارطة طريق تغطي الفرص على المدى القريب والبعيد. يمكن للنتائج أن تبني حجة قوية للمضي قدمًا في “الثمار المتدلية المنخفضة”، كما يقول سكاون، لحلول مثل الكتلة الحيوية لإزالة الكربون جاهزة للنشر اليوم.

على الطرف الآخر من الطيف، يمكن أن يلعب التحليل الاقتصادي التقني دورًا رئيسيًا في رسم المسار إلى الأمام لتقنيات المرحلة المبكرة مثل تلك الخاصة بالتقاط الهواء المباشر والهيدروجين.

قال بريونيج: “ستكون هذه قضية لعدة عقود يجب حلها”، “هناك قيمة كبيرة في امتلاك المهارات الحسابية وتنوع أعضاء الفريق لدعم خط أنابيب الابتكار.”