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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(guò)遠(yuǎn)離化石燃料來(lái)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(fèi)用呢?什么樣的投資會(huì)產(chǎn)生最大的影響?

能源部(DOE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BerkeleyLab)的科學(xué)家們正在通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)回答這類問(wèn)題，這是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)預(yù)測(cè)脫碳的最佳途徑。

“伯克利實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)許多清潔能源技術(shù)，這些技術(shù)可能對(duì)我們通往低碳未來(lái)的道路產(chǎn)生巨大影響。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析幫助我們將研究重點(diǎn)放在那些最有可能開(kāi)發(fā)成成功且負(fù)擔(dān)得起的產(chǎn)品的技術(shù)上，”說(shuō)伯克利實(shí)驗(yàn)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(jì)分析使用計(jì)算機(jī)模型來(lái)評(píng)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(xiàng)技術(shù)的初步研究結(jié)果之上，并計(jì)算擴(kuò)大它的成本。這種類型的預(yù)測(cè)分析可用于支持研究人員、行業(yè)利益相關(guān)者、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和政策制定者的決策制定。

強(qiáng)大的計(jì)算能力和更復(fù)雜的技術(shù)相結(jié)合，使技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析成為一種越來(lái)越強(qiáng)大的方法。因此，伯克利實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)以該實(shí)驗(yàn)室的能源技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橹行?，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(kuò)大到包括來(lái)自廣泛學(xué)科的20名科學(xué)家，他們與伯克利實(shí)驗(yàn)室和其他機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)合作.

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

伯克利實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家HannaBreunig說(shuō)：“對(duì)于一項(xiàng)新技術(shù)，我們不能只是對(duì)一個(gè)行業(yè)進(jìn)行類比并猜測(cè)它的表現(xiàn)。我們確實(shí)需要圍繞它們構(gòu)建全新的工程系統(tǒng)和過(guò)程模型”.“這需要團(tuán)隊(duì)科學(xué)和新的計(jì)算方法來(lái)開(kāi)始預(yù)測(cè)性能?！?/p>

早期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室的研究人員正在創(chuàng)建量身定制的多層計(jì)算機(jī)模型，以更全面地了解一項(xiàng)技術(shù)。更重要的是，該團(tuán)隊(duì)一直在使用實(shí)驗(yàn)室早期研究的數(shù)據(jù)來(lái)支持這些模型。這創(chuàng)建了一個(gè)反饋循環(huán)，其中數(shù)據(jù)加強(qiáng)了模型，反之亦然。

伯克利實(shí)驗(yàn)室在過(guò)去二十年的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(fù)排放技術(shù)，例如直接空氣捕獲和增強(qiáng)風(fēng)化，這是一種加速化學(xué)反應(yīng)的過(guò)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(chǔ)存;以及支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方法，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中可以回收更多材料，避免制造新材料。

伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家科琳·斯考恩(CorinneScown)說(shuō)：“當(dāng)技術(shù)剛剛起步并且正在迅速商業(yè)化時(shí)，我們正在從各個(gè)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(dòng)因素。這需要我們一直在構(gòu)建的技術(shù)專長(zhǎng)和能力?！?/p>

高溫?zé)崮軆?chǔ)存

在最近的研究中，Breunig及其同事提出了一種高溫?zé)崮軆?chǔ)存系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)可以在數(shù)周至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存大量能量。Breunig和該研究的共同作者、伯克利實(shí)驗(yàn)室附屬機(jī)構(gòu)SeanLubner假設(shè)可以設(shè)計(jì)新的復(fù)合材料來(lái)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(zhǔn)化成本目標(biāo)對(duì)關(guān)鍵材料參數(shù)(例如電導(dǎo)率、材料價(jià)格和耐用性)的目標(biāo)進(jìn)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(wú)限可回收塑料

最近的其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析工作集中在一種稱為聚(二酮烯胺)或PDK的無(wú)限可回收塑料上。這種材料是幾年前在伯克利實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的?，F(xiàn)在，包括伯克利實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者BaishakhiBose在內(nèi)的研究人員正在對(duì)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(jìn)行分析以將其歸零。

“通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，我們可以生成場(chǎng)景，幫助我們確定實(shí)驗(yàn)室中正在探索的PDK化合物是否與目前市場(chǎng)上的塑料化合物具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，”Bose說(shuō)。“技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析研究還幫助我們了解PDK生產(chǎn)過(guò)程的哪些階段需要改進(jìn)?！?/p>

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(qiáng)風(fēng)化的技術(shù)制定最佳實(shí)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(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及其他幾家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的研究人員正在合作編寫(xiě)一份即將發(fā)布的報(bào)告《清除道路》，該報(bào)告將評(píng)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(shí)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(chǔ)存(BiRCS)以及改進(jìn)的森林和農(nóng)田管理實(shí)踐。

“這份報(bào)告有可能產(chǎn)生真正的影響，不僅僅是因?yàn)槲覀冇心芰φf(shuō)明我們認(rèn)為到2050年我們可以清除多少碳，而且還因?yàn)樽钚枰趸脊艿赖然A(chǔ)設(shè)施投資的地方，”斯考恩說(shuō)。

制氫與儲(chǔ)存

在美國(guó)能源部HyMARC計(jì)劃的持續(xù)工作中，伯克利實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家PengPeng和Breunig正在開(kāi)發(fā)一種計(jì)算方法，用于評(píng)估用于儲(chǔ)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(kāi)始共同設(shè)計(jì)吸附劑和工程存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于目標(biāo)應(yīng)用，例如替代柴油發(fā)電機(jī)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(jì)分析可以告訴您特定生物燃料實(shí)現(xiàn)可靠投資回報(bào)所需的最低價(jià)格?；蛘咚梢灶A(yù)測(cè)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(qiáng)度是確保稅收激勵(lì)的最關(guān)鍵指標(biāo)，但需要對(duì)可能在空間和時(shí)間上高度異質(zhì)的供應(yīng)鏈和流程進(jìn)行仔細(xì)的生命周期評(píng)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(kāi)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(kāi)發(fā)和部署氣候解決方案提供了關(guān)鍵信息。

Breunig說(shuō)：“直到技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析開(kāi)始出現(xiàn)，氫氣在支持電網(wǎng)、重型車輛和航運(yùn)方面發(fā)揮著重要作用才變得清晰起來(lái)?！薄斑@種觀點(diǎn)直接來(lái)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(qiáng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和幫助推動(dòng)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(yàn)教訓(xùn)重新納入建模，那么效果最好，”斯考恩說(shuō)。

在與總部位于加利福尼亞州的零廢物能源開(kāi)發(fā)公司(ZWEDC)合作的一個(gè)項(xiàng)目中，伯克利實(shí)驗(yàn)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(jī)固體廢物的方式對(duì)碳和空氣污染物排放的影響。

作為該項(xiàng)目的一部分，他們模擬了圣何塞ZWEDC設(shè)施的運(yùn)營(yíng)，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(lái)看，將有機(jī)廢物從垃圾填埋場(chǎng)轉(zhuǎn)移是多么有益，但也揭示了堆肥可能帶來(lái)的一些空氣質(zhì)量挑戰(zhàn)。展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)正在探索使用糞便產(chǎn)生能量的選擇和碳封存的機(jī)會(huì)。

分析還可以估計(jì)對(duì)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(jī)會(huì)、標(biāo)準(zhǔn)空氣污染物的變化以及對(duì)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(xiǎn)、產(chǎn)品可回收性以及許多其他見(jiàn)解。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析有助于構(gòu)建涵蓋近期和長(zhǎng)期機(jī)會(huì)的路線圖。Scown說(shuō)，這些結(jié)果可以為推進(jìn)“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(zhǔn)備就緒。另一方面，技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jìn)道路方面發(fā)揮核心作用。

“這將是一個(gè)需要數(shù)十年才能解決的問(wèn)題，”Breunig說(shuō)。“擁有計(jì)算技能和團(tuán)隊(duì)成員的多樣性來(lái)支持創(chuàng)新管道具有很大的價(jià)值。”