Atingir a meta de emissões líquidas zero com a qual os países e algumas indústrias se comprometeram não será possível sem grandes avanços na tecnologia climática que não são alcançáveis hoje. Mesmo os supercomputadores mais poderosos disponíveis atualmente não são capazes de resolver alguns desses problemas. A computação quântica pode ser um divisor de águas nessas áreas. Ao todo, achamos que a computação quântica poderia ajudar a desenvolver tecnologias climáticas capazes de reduzir o carbono na ordem de 7 gigatoneladas por ano de impacto adicional de CO 2 até 2035, com o potencial de alinhar o mundo com a meta de 1,5°C.
A computação quântica pode ajudar a reduzir as emissões em algumas das áreas mais desafiadoras ou intensivas em emissões, como agricultura ou captura direta de ar, e pode acelerar melhorias em tecnologias necessárias em grande escala, como painéis solares ou baterias. Este artigo oferece uma visão de alguns dos avanços que a tecnologia pode permitir e tenta quantificar o impacto de alavancar a tecnologia de computador quântico que se espera tornar-se disponível nesta década.
Resolvendo problemas até agora insolúveis
Quantum computing could bring about step changes throughout the economy that would have a huge impact on carbon abatement and carbon removal, including by helping to solve persistent sustainability problems such as curbing methane produced by agriculture, making the production of cement emissions-free, improving electric batteries for vehicles, developing significantly better renewable solar technology, finding a faster way to bring down the cost of hydrogen to make it a viable alternative to fossil fuels, and using green ammonia as a fuel and a fertilizer.
Abordando as cinco áreas designadas no Climate Math Report como chave para a descarbonização, identificamos casos de uso de computação quântica que podem abrir caminho para uma economia líquida zero. Projetamos que até 2035 os casos de uso listados abaixo poderiam permitir eliminar mais de 7 gigatoneladas de CO 2 equivalente (CO 2 e) da atmosfera por ano, em comparação com a trajetória atual, ou no total mais de 150 gigatoneladas ao longo do próximos 30 anos (Anexo 1).
Baterias
As baterias são um elemento crítico para alcançar a eletrificação com zero carbono. Eles são obrigados a reduzir as emissões de CO 2 do transporte e obter armazenamento de energia em escala de rede para fontes de energia intermitentes, como células solares ou eólica.
Melhorar a densidade de energia das baterias de íons de lítio (Li-ion) permite aplicações em veículos elétricos e armazenamento de energia a um custo acessível. Nos últimos dez anos, no entanto, a inovação estagnou – a densidade de energia da bateria melhorou 50% entre 2011 e 2016, mas apenas 25% entre 2016 e 2020, e espera-se que melhore apenas 17% entre 2020 e 2025.
Pesquisa recente3 mostrou que a computação quântica será capaz de simular a química das baterias de maneiras que não podem ser alcançadas agora. A computação quântica pode permitir avanços, fornecendo uma melhor compreensão da formação do complexo eletrolítico, ajudando a encontrar um material substituto para cátodo/ânodo com as mesmas propriedades e/ou eliminando o separador de bateria.
Como resultado, poderíamos criar baterias com densidade de energia 50% maior para uso em veículos elétricos de mercadorias pesadas, o que poderia antecipar substancialmente seu uso econômico. Os benefícios de carbono para os EVs de passageiros não seriam enormes, pois espera-se que esses veículos atinjam a paridade de custos em muitos países antes que a primeira geração de computadores quânticos esteja online, mas os consumidores ainda podem aproveitar a economia de custos.
Além disso, as baterias de energia de alta densidade podem servir como uma solução de armazenamento em escala de rede. O impacto nas redes do mundo pode ser transformador. Reduzir pela metade o custo do armazenamento em escala de rede pode permitir uma mudança radical no uso da energia solar, que está se tornando economicamente competitiva, mas é desafiada por seu perfil de geração. Nossa modelagem sugere que reduzir pela metade o custo dos painéis solares pode aumentar seu uso em 25% na Europa até 2050, mas reduzir pela metade a energia solar e as baterias pode aumentar o uso solar em 60% (Quadro 2). Geografias sem um preço de carbono tão alto terão impactos ainda maiores.
Cimento
Muitas partes da indústria produzem emissões que são extremamente caras ou logisticamente difíceis de reduzir.
O cimento é um caso a parte. Durante a calcinação no forno para o processo de fabricação do clínquer, um pó usado para fazer cimento, o CO 2 é liberado das matérias-primas. Este processo é responsável por aproximadamente dois terços das emissões de cimento.
Materiais alternativos de ligação ao cimento (ou “clínquer”) podem eliminar essas emissões, mas atualmente não há clínquer alternativo maduro que possa reduzir significativamente as emissões a um custo acessível.
Existem muitas permutações possíveis para tal produto, mas o teste por tentativa e erro é demorado e caro. A computação quântica pode ajudar a simular combinações teóricas de materiais para encontrar uma que supere os desafios atuais – durabilidade, disponibilidade de matérias-primas e eflorescência (no caso de ligantes ativados por álcali). Isso teria um impacto adicional estimado de 1 gigatonelada por ano até 2035.
Turno 3: Descarbonização de energia e combustível
Células solares
As células solares serão uma das principais fontes de geração de eletricidade em uma economia líquida zero. Mas mesmo que estejam ficando mais baratos, ainda estão longe de sua eficiência máxima teórica.
As células solares de hoje dependem de silício cristalino e têm uma eficiência da ordem de 20%. Células solares baseadas em estruturas cristalinas de perovskita, que têm uma eficiência teórica de até 40%, podem ser uma alternativa melhor. Eles apresentam desafios, no entanto, porque não têm estabilidade a longo prazo e podem, em algumas variedades, ser mais tóxicos. Além disso, a tecnologia ainda não foi produzida em massa.
A computação quântica pode ajudar a enfrentar esses desafios, permitindo a simulação precisa de estruturas de perovskita em todas as combinações usando diferentes átomos de base e dopagem, identificando assim maior eficiência, maior durabilidade e soluções não tóxicas. Se o aumento teórico da eficiência puder ser alcançado, o custo nivelado da eletricidade (LCOE) diminuirá em 50%.
Ao simular o impacto de painéis solares quânticos mais baratos e eficientes, vemos um aumento significativo no uso em áreas com preços de carbono mais baixos (China, por exemplo). Isso também vale para países da Europa com alta irradiância (Espanha, Grécia) ou más condições de energia eólica (Hungria). O impacto é ampliado quando combinado com armazenamento de bateria barato, conforme discutido acima.
Essa tecnologia pode reduzir 0,4 gigatoneladas adicionais de emissões de CO 2 até 2035.
Hidrogênio
O hidrogênio é amplamente considerado um substituto viável para os combustíveis fósseis em muitas partes da economia, especialmente na indústria onde a alta temperatura é necessária e a eletrificação não é possível ou suficiente, ou onde o hidrogênio é necessário como matéria-prima, como siderurgia ou etileno. Produção.
Antes dos picos de preço do gás em 2022, o hidrogênio verde era cerca de 60% mais caro que o gás natural. Mas melhorar a eletrólise pode diminuir significativamente o custo do hidrogênio.
Os eletrolisadores de membrana eletrolítica de polímero (PEM) dividem a água e são uma maneira de produzir hidrogênio verde. Eles melhoraram nos últimos tempos, mas ainda enfrentam dois grandes desafios.
Eles não são tão eficientes quanto poderiam ser. Sabemos que “pulsar” a corrente elétrica em vez de executá-la melhora constantemente a eficiência em ambientes de laboratório, mas não entendemos isso o suficiente para fazê-la funcionar em escala.
Os eletrolisadores têm membranas delicadas que permitem que o hidrogênio dividido passe do ânodo para o cátodo (mas mantém o oxigênio dividido fora). Além disso, eles têm catalisadores que aceleram o processo geral. Catalisadores e membranas ainda não interagem bem. Quanto mais eficiente formos o catalisador, mais ele desgastará a membrana. Isso não precisa ser o caso, mas não entendemos as interações bem o suficiente para projetar melhores membranas e catalisadores.
A computação quântica pode ajudar a modelar o estado de energia da eletrólise de pulso para otimizar o uso do catalisador, o que aumentaria a eficiência. A computação quântica também pode modelar a composição química de catalisadores e membranas para garantir as interações mais eficientes. E poderia aumentar a eficiência do processo de eletrólise em até 100% e reduzir o custo do hidrogênio em 35%. Se combinado com células solares mais baratas descobertas pela computação quântica (discutida acima), o custo do hidrogênio poderia ser reduzido em 60% (Quadro 3).
Amônia
A amônia é mais conhecida como fertilizante, mas também pode ser usada como combustível, potencialmente tornando-se uma das melhores soluções de descarbonização para os navios do mundo. Hoje, representa 2% do consumo global total de energia final.
No momento, a amônia é produzida através do processo Haber-Bosch de uso intensivo de energia usando gás natural. Existem várias opções para criar amônia verde, mas elas contam com processos semelhantes. Por exemplo, o hidrogênio verde pode ser usado como matéria-prima ou as emissões de dióxido de carbono causadas pelo processo podem ser capturadas e armazenadas.
No entanto, existem outras abordagens potenciais, como a bioeletrocatálise da nitrogenase, que é como a fixação do nitrogênio funciona naturalmente quando as plantas retiram o gás nitrogênio diretamente do ar e as enzimas nitrogenase catalisam sua conversão em amônia. Este método é atraente porque pode ser feito à temperatura ambiente e a 1 bar de pressão, em comparação com 500°C em alta pressão usando Haber-Bosch, que consome grandes quantidades de energia (na forma de gás natural) (Anexo 4).
A inovação atingiu um estágio em que pode ser possível replicar artificialmente a fixação de nitrogênio, mas somente se pudermos superar desafios como estabilidade enzimática, sensibilidade ao oxigênio e baixas taxas de produção de amônia pela nitrogenase. O conceito funciona no laboratório, mas não em escala.
A computação quântica pode ajudar a simular o processo de aumentar a estabilidade da enzima, protegendo-a do oxigênio e melhorando a taxa de produção de amônia pela nitrogenase. Isso resultaria em uma redução de custo de 67% em relação à amônia verde de hoje produzida por eletrólise, o que tornaria a amônia verde ainda mais barata do que a amônia produzida tradicionalmente. Tal redução de custos poderia não apenas diminuir os impactos de CO 2 da produção de amônia para uso agrícola, mas também poderia antecipar o equilíbrio da amônia no transporte – onde se espera que seja uma importante opção de descarbonização – em dez anos.
O uso da computação quântica para facilitar a amônia verde mais barata como combustível de transporte poderia reduzir um CO 2 adicional em 0,4 gigatoneladas até 2035.
Turno 4: Aumentar a captura de carbono e a atividade de sequestro de carbono
A captura de carbono é necessária para atingir o zero líquido. Ambos os tipos de captura de carbono – fonte pontual e direta – podem ser auxiliados pela computação quântica.
Captura de fonte pontual
A captura de carbono de fonte pontual permite que o CO 2 seja capturado diretamente de fontes industriais, como um alto-forno de cimento ou aço. Mas a grande maioria da captura de CO 2 é muito cara para ser viável por enquanto, principalmente porque é intensa em energia.
Uma solução possível: novos solventes, como solventes sem água e multifásicos, que podem oferecer requisitos de energia mais baixos, mas é difícil prever as propriedades do material potencial em nível molecular.
A computação quântica promete permitir uma modelagem mais precisa da estrutura molecular para projetar solventes novos e eficazes para uma variedade de fontes de CO 2 , o que pode reduzir o custo do processo em 30 a 50 por cento.
Acreditamos que isso tenha um potencial significativo para descarbonizar processos industriais, o que pode levar a uma descarbonização adicional de até 1,5 gigatoneladas por ano, incluindo cimento. Se a abordagem de clínquer de cimento descrita acima for bem-sucedida, isso ainda teria um efeito de 0,5 gigatoneladas por ano, devido às emissões de combustível. Além disso, clínquer alternativo pode não estar disponível em algumas regiões.
Captura de ar direto
A captura direta de ar, que envolve a sucção de CO 2 do ar, é uma forma de abordar as remoções de carbono. Embora o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas diga que essa abordagem é necessária para atingir o zero líquido, é muito caro (variando de US$ 250 a US$ 600 por tonelada por dia hoje) e ainda mais intensivo em energia do que a captura de fonte pontual.
Os adsorventes são mais adequados para a captura direta de ar eficaz e novas abordagens, como estruturas orgânicas metálicas, ou MOFs, têm o potencial de reduzir bastante os requisitos de energia e o custo de capital da infraestrutura. MOFs agem como uma esponja gigante – tão pouco quanto um grama pode ter uma área de superfície maior que um campo de futebol – e pode absorver e liberar CO 2 em mudanças de temperatura muito mais baixas do que a tecnologia convencional.
A computação quântica pode ajudar a avançar na pesquisa sobre novos adsorventes, como MOFs, e resolver desafios4 decorrentes da sensibilidade à oxidação, água e degradação causada pelo CO 2 .
Novos adsorventes que têm uma taxa de adsorção mais alta podem reduzir o custo da tecnologia para US$ 100 por tonelada de CO 2 e capturada. Esse pode ser um limite crítico para a aceitação, uma vez que os líderes climáticos corporativos, como a Microsoft5 anunciaram publicamente uma expectativa de pagar US$ 100 por tonelada a longo prazo pelas remoções de carbono da mais alta qualidade. Isso levaria a uma redução adicional de CO 2 de 0,7 gigatoneladas por ano até 2035.
Turno 5: Reformar alimentos e silvicultura
Vinte por cento das emissões anuais de gases de efeito estufa vêm da agricultura – e o metano emitido pelo gado e laticínios é o principal contribuinte (7,9 gigatoneladas de CO 2 e, com base no potencial de aquecimento global de 20 anos).
A pesquisa estabeleceu que os aditivos alimentares com baixo teor de metano podem efetivamente interromper até 90% das emissões de metano. No entanto, a aplicação desses aditivos para gado ao ar livre é particularmente difícil.
Uma solução alternativa é uma vacina antimetano que produz anticorpos direcionados ao metanogênio. Esse método teve algum sucesso em condições de laboratório, mas no intestino de uma vaca – agitado com sucos gástricos e comida – os anticorpos lutam para se prender aos micróbios certos. A computação quântica pode acelerar a pesquisa para encontrar os anticorpos certos por meio de simulação precisa de moléculas, em vez de um método caro e longo de tentativa e erro. Com a absorção estimada determinada de acordo com dados da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, chegamos a uma redução de carbono de até 1 gigatonelada adicional por ano até 2035.
Outro caso de uso proeminente na agricultura é a amônia verde discutida acima como combustível, onde o processo Haber-Bosch de hoje usa grandes quantidades de gás natural. O uso de tal processo alternativo poderia ter um impacto adicional de até 0,25 gigatoneladas por ano até 2035, substituindo os atuais fertilizantes produzidos convencionalmente.
Consultado a: 20\05\2022
https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet
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