Quer ganhar um prêmio de um milhão de dólares de Elon Musk? A captura de carbono (CC) é um tópico muito popular atualmente. Dezenas de novas empresas estão lidando com a questão da remoção do excesso de CO 2 da atmosfera para estabilizar o clima.
Eu mesmo não sou um especialista em UC, mas periodicamente recebo perguntas sobre esse assunto. Portanto, estou oferecendo a você este artigo para ajudar a organizar nossos pensamentos e refinar nossa estratégia para desenvolver e avaliar uma ampla gama de sistemas de captura de carbono (CCS).
Nossa tecnologia CU vale alguma coisa? Vamos examinar nossa máquina VU hipotética de duas perspectivas: física e econômica.
Física
Nosso carro não é uma máquina oculta de movimento perpétuo?
Em uma vida passada, passei vários anos projetando sistemas maglev e muitas vezes me deparei com conceitos de outros designers cujo desempenho era muito ideal para o mundo real. Se a resistência do sistema for negativa, é uma máquina de movimento perpétuo .
Se o sistema gasta menos energia na concentração de CO 2 do que ao liberá-lo no ar, é uma máquina de movimento perpétuo. Se nossa máquina comprime um fluxo de gás sem consumir energia ou gerar calor parasita, ela viola as leis da termodinâmica. Obviamente, as máquinas de movimento perpétuo não existem - então verifique a matemática!
O que sabemos que todo mundo não sabe?
O que é esse fato contraditório não óbvio? Como nosso sistema usa isso?
Quanta energia nosso sistema realmente consome?
O FCS às vezes usa alternância de temperatura em leitos sorventes ou separação eletroquímica para aumentar a concentração de CO 2 dos usuais 420 ppm (0,042 vol.%) Para quase 100%. Nosso sistema requer muita energia elétrica ou térmica para funcionar? De onde isso vem?
Se for um sistema eletroquímico, ele usa mais ou menos energia por mol de CO 2 em comparação com a fundição de alumínio (1500 kJ / mol)? Existe uma grande corrente de baixa tensão usada lá? Temos um gerador unipolar disponível? Quanto cobre o sistema requer? Se na voltagem da célula Y, precisamos de X elétrons por molécula de CO 2, verifica-se X * Y * 95 kJ / mol. Quão próximos estamos dessa limitação?
Nosso sistema reduz a quantidade total de CO 2 no ar?
Se nosso sistema de recuperação de CO 2 libera óxido de cálcio (cal virgem) da calcinação térmica e da combustão de gás natural, ele emitirá mais CO 2 do que jamais irá capturar . Opa.
Uma pergunta mais geral: quantos anos ele tem que correr para exceder a quantidade de CO 2 liberada durante a operação?
Como abordamos a avaliação das restrições teóricas?
A entropia de Gibbs da dissolução do CO 2 na atmosfera é de aproximadamente 19,4 kJ / mol. Este é um valor pequeno - portanto, ninguém está envolvido na geração de energia a partir do gradiente osmótico de CO 2 concentrado na atmosfera. Nosso sistema está se aproximando desse parâmetro de alguma forma perceptível? Ela precisa disso? Ela pode se aproximar dele? Se usarmos a separação eletroquímica, como lidaremos com o aquecimento ôhmico e a viscosidade?
A eficiência elétrica é uma das principais limitações do nosso sistema? Precisa ser eficiente e quais são os custos de oportunidade para aumentar a eficiência em 1%? Se a eletricidade ficar mais barata em 1% ao ano, isso será equivalente a um aumento virtual em sua eficiência em 1%?
Nosso carro realmente concentra CO 2 na atmosfera ?
Nossa unidade pisca com luzes e CO 2 com uma concentração de 100% sai do tubo . Então está tudo bem? Na verdade. Conserva carbono? Estamos acidentalmente queimando peças de nosso carro? Exatamente?
Acho que, nesse caso, o padrão ideal seria a idade zero do radiocarbono do CO 2 obtido pela concentração na atmosfera - enquanto o CO 2 obtido, por exemplo, como resultado da eletrólise acidental do carbonato extraído da terra, será muito antigo e não radioativo. Um espectrômetro de massa é necessário para testar o carbono-14. Existem muitos laboratórios nos Estados Unidos que realizam esse teste por várias centenas de dólares, embora geralmente a amostra precise primeiro ser transformada em grafite.
No entanto, a datação por carbono tem suas desvantagens - fontes de carbono orgânico, como óleos vegetais, madeira ou carvão, são jovens em termos de datação por radiocarbono. Portanto, se nossa máquina usa, digamos, gordura de confeitaria para lubrificação, precisamos verificar minuciosamente a matemática e também pensar no que estamos fazendo.
Podemos confirmar nossos resultados?
Nós entendemos nosso sistema de teste? Quantificamos todos os aspectos da máquina? O vídeo vai confundir os investidores com a apresentação de seu trabalho? Os marcos principais estão claros? A pessoa que assistiu ao vídeo será capaz de construir essa máquina sozinha e realizar o mesmo teste? As informações e os resultados do teste estão bem descritos para um revisor independente? Temos um bom entendimento de como um experimento bem documentado deve se parecer e sentir, ou devemos ler um artigo ou dois sobre biologia?
Existem muitas pessoas mal compreendidas na área de UC, e precisamos definir um alto nível de padrões de documentação. Não planejamos publicar os segredos de nossos empreendimentos, mas dificilmente se pode esperar que os investidores distribuam seu dinheiro em troca de promessas e esperanças.
Nosso projeto pode ser dimensionado?
Existem restrições físicas fundamentais na implementação do projeto? Se vamos coletar 10 Gt de CO 2 por ano com o plantio de árvores, quanta água será necessária para regá-las? A fotossíntese pode competir com a mineração de fósseis? Quais são as limitações fundamentais para dimensionar nosso projeto? Existe acesso ao capital? Retorno do investimento? Você precisa de reagentes raros? A empresa tem co-fundadores suspeitos? Há acesso a redes de energia com capacidade suficiente? Qual é o status legal dos impostos de carbono?
Nosso sistema de controle está pronto para sair do laboratório?
O sistema de potência do motor usado pela Tesla em seus primeiros dias era extremamente não confiável. Dezenas de amplificadores operacionais analógicos foram usados lá, girando um motor AC assíncrono. A história está cheia de projetos que não deram certo porque não tinham idade suficiente para entrar em produção.
Temos algum tipo de modelo de laboratório que possa ser mostrado às pessoas? Funciona? Está claro quais partes foram feitas às pressas e quais têm um significado real? É seguro estar na mesma sala que ela?
A tecnologia está pronta para produção? Podemos dar um protótipo para o engenheiro médio recém-formado na faculdade e dizer “faça-nos 10.000 desses” e ter a certeza de que você obterá instrumentos funcionais, confiáveis e razoavelmente eficientes? Eliminamos todos os erros antes de buscar grandes investimentos ou a máquina está no nível de um experimento científico?
Finança
Quanto custa o nosso CO 2 ?
Podemos produzir CO 2 a $ 1000 por tonelada, a $ 100 ou a $ 10? Quanto custa o nosso CO 2 ? Quanto queremos que valha? E quanto custa para custar? Como nos comparamos aos concorrentes? Quanto podemos confiar em nossos planos para melhorar o carro?
Qual é o preço do nosso SUU?
Qual é a estrutura das despesas de capital? Quantas toneladas de CO 2 a máquina precisa capturar para se pagar depois de deduzir os custos operacionais, custos de financiamento, depreciação e amortização? Quanto tempo vai demorar?
Se nossa máquina capturar um quilograma de CO 2por dia a um custo de US $ 100 por tonelada, ela ganhará US $ 36,5 por ano. Se o custo de construção de nosso carro fosse de $ 500, demoraria 15 anos para recuperar esse custo sozinho. Gastar US $ 500 em peças e mão de obra varia de um grande bolo a uma simples máquina de lavar louça em termos de escala e complexidade do projeto. Qualquer técnico mais ou menos habilidoso deve coletar saltos dessas máquinas por dia, ou seja, devemos produzir cerca de 1.500 carros por ano. E mesmo assim, o lucro será de apenas US $ 50 mil, o que não dá nem para estudar no instituto [nos EUA / aprox. por.].
Se as despesas de capital são amortizadas em 10-30 anos de operação, como estimar as despesas de capital? Contamos com empréstimos do governo com juros baixos? Seremos subscritores para nossos clientes que compram dispositivos de nós? Como diversificar os riscos nesta área, dada a sua forte correlação (tanto na área tecnológica como regulatória)?
Ou seremos capazes de recuperar os custos em alguns meses ou anos, e contar com um empréstimo de curto prazo ou mesmo com nossos próprios recursos?
Com que rapidez um carro se desgasta? Não deprecia mais rápido do que compensa?
Qual é o custo de funcionamento de um sistema de controle
Quais são as nossas despesas operacionais? Você precisa de trabalhadores para o serviço? Quais são os consumíveis que o carro tem - reagentes, válvulas, acessórios, bombas, eletrodos, software?
Como a despesa operacional se ajusta ao cronograma de amortização de despesas de capital? O carro gasta mais com trabalho do que com depreciação? A complexidade do projeto é justificada para reduzir os custos de funcionamento? Ou a máquina é tão confiável que pode ser ligada e esquecida - e a NASA pode usá-la para trabalhar com a atmosfera da Lua?
Estamos instalando o carro em nosso quintal ou em algum lugar do deserto? Como chegaremos aos clientes e aos equipamentos de suporte em locais remotos ou de difícil acesso?
De volta à energia
O custo da energia é importante para o plano financeiro? Há dez anos, o custo da eletricidade tornou o "hidrogênio verde" (feito da água por eletrólise) muito caro em comparação com o "azul" (feito do gás natural por reforma a vapor). Hoje, a energia solar é 10 vezes mais barata durante os horários de pico. Como nosso modelo de negócios e otimização do sistema mudarão se a eletricidade se tornar mais cara ou mais barata durante a vida útil de nossa máquina?
O nosso processo consome muita energia? É comparável à refrigeração ou purificação eletrolítica de magnésio? Vamos atrair a atenção das autoridades como uma plantação ilegal de ervas proibidas ou um data center?
Quão frágil é nossa cadeia de suprimentos?
Nosso carro depende de materiais raros? O que não podemos comprar de Materiais de Construção ou Alibaba? Ou no site do Silk Way? É fácil para nós mudar de fornecedor ou nosso projeto depende do estado dos negócios e da boa vontade de uma única empresa em algum lugar da Mongólia Exterior? Absorvemos CO 2 com amidas, zeólitas ou estruturas metal-orgânicas? Quão caros são esses materiais especiais? Nossos parentes ou cônjuge trabalham em um laboratório capaz de produzi-los? Eles podem escalar a produção tão rápido quanto somos uma empresa, e a que custo marginal? Quanto custam os andaimes orgânicos metálicos?
Existe algo em nossa lista de compras que seja mais tóxico do que o aceitável ou que exija um manuseio extremamente cuidadoso? Plutônio? Substâncias proibidas? Dioxifluoreto? Solução Piranha ? Precisamos de especialistas certificados? Vamos retirar o seguro de saúde deles? Estaremos interessados na Drug Enforcement Administration ou no Departamento de Segurança Interna?
Nosso processo depende da disponibilidade e boa vontade de um ou mais PhDs altamente especializados? Temos um plano de retenção de talentos? Quão exótico é nosso processo?
Precisamos de materiais mágicos?
Nosso sistema funciona apenas com substâncias puras 99,999999%? O que acontece em caso de contaminação - sem problemas, a eficiência cairá ou tudo pode explodir de repente? Nossos catalisadores irão estragar os poluentes comuns do ar - vapor d'água, oxigênio, odor de pad thai?
Os catalisadores são consumidos no sistema? Eles são consumíveis secretos? Temos um plano de abastecimento, manutenção e reposição do que não planejamos estragar? Quanto cobalto precisamos por tonelada de CO 2 ?
Precisamos da magia de escalar?
Todo mundo sabe que o relativo barato dos carros é possível devido a indústrias enormes e caras, graças às quais centenas de milhares de cópias absolutamente idênticas podem ser produzidas anualmente.
Nosso SUA tem o mesmo problema de que não podemos reduzir nossos custos de capital a níveis aceitáveis até que construamos uma fábrica totalmente automática de um milhão de metros quadrados? Por que não pode ser montado como o LEGO? Nós mesmos construímos uma enorme fábrica automática? Este conhecimento é bom para a causa? Talvez seja melhor oferecer às pessoas fábricas totalmente automáticas de um milhão de metros quadrados como um serviço?
Existe alguma escala crítica abaixo da qual nosso sistema não faz sentido? Podemos justificar economias de escala ou estamos apenas fantasiando que será mais caro construir nosso sistema do que ganhar em 20 anos, recebendo $ 1000 por tonelada?
Temos um fluxo de renda?
Ou precisamos contar com a ação coordenada de várias dezenas de governos para aprovar incentivos fiscais robustos ou pagamentos que criam um mercado de profundidade infinita com elasticidade zero para a venda de CO 2 ?
Para onde irá nosso CO 2 concentrado ? Vai se transformar em combustível? Plástico? Fuligem? Grafite? Cimento? Será que vai para o subsolo? Refrigerante? Qual é a capacidade anual desses mercados? Que porcentagem vamos pegar?
Se vendermos nosso CO 2 apenas para a PepsiCo, ele retornará à atmosfera muito rapidamente. Temos um plano para armazenar CO 2 com mais segurança ?
Quem vai comprar CO 2 de nós , em que forma, quanto e a que preço? Como será o nosso negócio se este mercado estiver saturado? Digamos que se vendemos 1000 toneladas por ano a $ 100 por tonelada, nossa receita de negócios é de $ 100 mil por ano. Isso é suficiente para a equipe funcionar?
Onde é criado valor nos negócios?
Se fizermos um SUU, que precisa ser amortizado em 20 anos, vendemos widgets caríssimos para os amantes de dívidas, e ficaria bom em grandes quantidades. Qual é a coisa mais cara em um carro? Onde podemos agregar valor?
Digamos que estejamos fazendo um sistema de controle em células de zeólita oscilantes, como as usadas na ISS. A maior parte de seu valor é composta de novas zeólitas. Para reduzir custos e melhorar o controle de qualidade, decidimos integrar a produção de zeólita ao processo, melhorando o custo em 20%. Uma vez que as zeólitas representavam cerca de 90% das despesas de capital da máquina, mais de 95% do valor da empresa agora está na produção de zeólitas. Somos uma fábrica de zeólita disfarçada agora?
E se, a longo prazo, a captura de CO 2a escala industrial dependerá fortemente da produção em massa de materiais exóticos, já que a indústria de computadores dependia da fotolitografia de cristais de silício incrivelmente puros, faz sentido verticalizar a indústria? Onde começamos nesta cadeia de valor e onde vamos parar? Produtos químicos como serviço?