Desenvolvido na EPFL, na Universidade Heriot-Watt e na ETH Zurique, o PrISMa é uma nova plataforma que usa simulações avançadas e aprendizado de máquina para otimizar tecnologias de captura de carbono, levando em consideração as perspectivas de diversas partes interessadas no início do processo de pesquisa.
Mitigar os efeitos das mudanças climáticas se tornou um foco importante no mundo todo, com países e organizações internacionais desenvolvendo várias estratégias para lidar com o problema. Reduzir as emissões de CO2 está no topo, com as tecnologias de captura de carbono sendo um caminho promissor a seguir.
No entanto, preencher a lacuna entre a pesquisa e a implementação prática de soluções de captura de carbono provou ser tão difícil que tem um nome real: “Vale da Morte”. O desafio é agravado pela necessidade de levar em conta as perspectivas e prioridades de diferentes partes interessadas ao longo do processo.
Tradicionalmente, o desenvolvimento de tecnologia de captura de carbono começa com químicos projetando materiais e engenheiros desenvolvendo processos, enquanto os impactos econômicos e ambientais são avaliados posteriormente. Os resultados são frequentemente subótimos e apenas atrasam a implementação de soluções do mundo real.
Em resposta a isso, cientistas liderados por Berend Smit na EPFL e Susana Garcia na Universidade Heriot-Watt desenvolveram a plataforma PrISMa (Process-Informed design of tailormade Sorbent Materials): uma ferramenta inovadora que conecta perfeitamente ciência de materiais, design de processos, tecnoeconomia e avaliação do ciclo de vida, levando em consideração múltiplas perspectivas das partes interessadas desde o início.
Usando simulações avançadas e aprendizado de máquina, o PrISMa pode identificar as soluções mais eficazes e sustentáveis e prever o desempenho de novos materiais, o que o diferencia como uma ferramenta poderosa na luta contra as mudanças climáticas.
Essa abordagem inovadora acelera a descoberta de materiais de alto desempenho para captura de carbono, superando os métodos tradicionais de tentativa e erro.
Professor Berend Smit, EPFL
Avaliando KPIs
O PrISMa avalia quatro Indicadores-Chave de Desempenho (KPIs), ou “camadas”, para avaliar a viabilidade de um material de captura de carbono desde seu desenvolvimento inicial até sua implementação em uma planta completa de captura de carbono.
- Camada de materiais: usando dados experimentais e simulações moleculares, a plataforma prevê as propriedades de adsorção de potenciais materiais sorventes.
- Camada de Processo: O PrISMa calcula parâmetros de desempenho do processo, como pureza, recuperação e requisitos de energia.
- Camada de Análise Tecnoeconômica: O PrISMa avalia a viabilidade econômica e técnica de uma planta de captura de carbono.
- Camada de Avaliação do Ciclo de Vida: O PrISMa avalia os impactos ambientais ao longo de todo o ciclo de vida da planta, garantindo sustentabilidade abrangente.
Testando PrISMa em estudos de caso
Os cientistas usaram o PrISMa para comparar mais de sessenta estudos de caso do mundo real, nos quais o CO2 é capturado de diferentes fontes em cinco regiões do mundo com diferentes tecnologias. Ao levar em conta múltiplas perspectivas de stakeholders, o PrISMa ajudou a identificar as soluções mais eficazes e sustentáveis.
“Um dos recursos exclusivos da plataforma PrISMa é sua capacidade de prever o desempenho de novos materiais usando simulações avançadas e aprendizado de máquina”, diz Berend Smit. “Essa abordagem inovadora acelera a descoberta de materiais de alto desempenho para captura de carbono, superando os métodos tradicionais de tentativa e erro.”
Simulações moleculares
A plataforma integra a teoria funcional da densidade (DFT) e a simulação molecular para prever as propriedades do material necessárias para o projeto do processo. A equipe testou essa abordagem em um CO2 planta de captura, observando as emissões indiretas ao longo de 30 anos de operação da planta, e associou isso a uma avaliação técnico-econômica, que avaliou o custo do processo.
“Conseguimos conectar o movimento de elétrons no nível DFT para calcular a quantidade total de CO2 capturado ao longo dos 30 anos de vida útil de uma planta de captura e a que custos”, diz Berend Smit.
O ponto de vista das partes interessadas
O PrISMa fornece insights inestimáveis para diversas partes interessadas, oferecendo aos engenheiros as ferramentas para projetar os processos de captura de carbono mais eficientes e econômicos e orientando os químicos sobre as características moleculares que melhoram o desempenho do material.
Os gestores ambientais ganham acesso a avaliações abrangentes de impactos ambientais, permitindo uma tomada de decisão mais informada, enquanto os investidores se beneficiam de análises econômicas detalhadas que reduzem os riscos e incertezas associados ao investimento em novas tecnologias.
Descobrindo novos materiais
O PrISMa pode acelerar a descoberta de materiais de alto desempenho para captura de carbono, superando métodos tradicionais de tentativa e erro. Suas ferramentas interativas permitem que os usuários explorem mais de 1.200 materiais, entendendo as compensações entre custo, impacto ambiental e desempenho técnico.
Essa abordagem abrangente garante que as soluções escolhidas capturem CO2 de forma eficiente, minimizando os impactos ambientais gerais.
Uma maneira que Smit prevê que o PrISMa seja usado é na descoberta de estruturas metal-orgânicas (MOFs), materiais porosos com uma ampla gama de aplicações, incluindo captura de carbono. “A ideia é que os químicos possam carregar as estruturas cristalinas de seus MOFs, e a plataforma classifica esses materiais para todos os tipos de processos de captura”, ele diz. “Então, mesmo os químicos que não têm conhecimento detalhado de tecnologias de captura de carbono podem obter feedback sobre qual MOF tem o melhor desempenho e por quê.”
O PrISMa pode acelerar o desenvolvimento de tecnologias de captura de carbono, ajudando a atingir emissões líquidas zero ao unir todas as partes interessadas relevantes no início do processo de pesquisa. Ao fornecer uma avaliação abrangente de materiais e processos, o PrISMa permite uma tomada de decisão mais informada, levando ao desenvolvimento de soluções de captura de carbono mais eficazes e sustentáveis.
Referências
Charithea Charalambous, Elias Moubarak, Johannes Schilling, Eva Sanchez Fernandez, Jin-Yu Wang, Laura Herraiz, Fergus McIlwaine, Shing Bo Peh, Matthew Garvin, Kevin Maik Jablonka, Seyed Mohamad Moosavi, Joren Van Herck, Aysu Yurdusen Ozturk, Alireza Pourghaderi, Ah-Young Song, Georges Mouchaham, Christian Serre, Jeffrey A. Reimer, André Bardow, Berend Smit e Susana Garcia. Esclarecendo as perspectivas das partes interessadas para a captura de carbono à base de sorventes. Natureza 17 de julho de 2024. DOI: 10.1038/s41586’024 -07683-8
