Calcular el «máximo teórico» del impacto empresarial de la deep tech

Cuando pienso en ideas de negocio para startups de deep tech, creo que es importante fijar, antes del desarrollo, los límites teóricos superior e inferior para evaluar el impacto social y el potencial empresarial de la tecnología.

El máximo del impacto social es «insumo × eficiencia de conversión»

Básicamente, la magnitud del impacto social es proporcional a la cantidad de producto (output) que se puede generar. Si algo mejor para la sociedad (por ejemplo, con menor carga ambiental) se puede producir más barato y en mayor cantidad que antes, el impacto crece en la misma medida.

Y para generar un producto es necesario convertir, por algún medio, un insumo (input) en el producto deseado. Ese medio de conversión es lo que se llama «tecnología».

Si se simplifica bastante esta idea, el máximo teórico del impacto social queda determinado por la multiplicación

Cantidad de insumo × eficiencia de conversión = producto (impacto social)

Desarrollo tecnológico para elevar la «eficiencia de conversión»

Para aumentar esta eficiencia de conversión se desarrollan nuevas tecnologías, y las antiguas van siendo sustituidas por las nuevas. Por ejemplo, tecnologías que convierten más petróleo crudo en petróleo refinado, o que generan electricidad a partir de petróleo.

En algunos casos se desarrollan tecnologías que, incluso cambiando el tipo de insumo que se convierte, producen el resultado deseado y elevan así la eficiencia global.

Algunos ejemplos son el desarrollo de tecnologías que convierten petróleo crudo de mala calidad en petróleo refinado, tecnologías que generan electricidad quemando gas natural en lugar de petróleo, o tecnologías que convierten la luz solar en electricidad en lugar de usar petróleo o gas natural (metano).

El insumo y la eficiencia de conversión tienen límites

Sin embargo, mirar solo la tecnología no permite conocer el impacto total. Esto se debe a que en muchos casos la cantidad de insumo tiene un tope y, entonces, por mucho que se eleve la eficiencia de conversión, el impacto que se puede generar tiene un límite. Por ejemplo, las reservas de petróleo crudo son limitadas. Los paneles solares requieren superficie, de modo que el límite es la superficie de la Tierra (aunque existe la opción de colocarlos en el espacio).

Además, la eficiencia de conversión también tiene, casi siempre, un valor límite de principio.

Por lo tanto, considerar el límite teórico de «cantidad de insumo × eficiencia de conversión» permite determinar el techo del impacto. (※ A esto se deberían añadir, en ocasiones, restricciones regulatorias e institucionales, pero aquí hablaré de forma muy simplificada.)

El costo también cambia el impacto

Lo mismo puede pensarse en el plano económico:

Precio del insumo × precio de la conversión = precio del producto

Con este cálculo se determina el valor mínimo del precio del producto (la mercancía).

Para la difusión real, la clave es hasta qué punto puede bajar, en términos relativos, el precio del producto obtenido. Si es caro, no se difundirá y tampoco generará impacto. Si se puede fabricar barato, se extenderá ampliamente de forma natural y llevará a un gran impacto.

En ese sentido, al pensar en el impacto es importante considerar también el valor mínimo teórico del costo.

Es decir,

• El límite superior de la cantidad de insumo
• El límite superior de la eficiencia de conversión
• El límite inferior del costo

determinan casi por completo el límite superior del producto y, con ello, el límite superior del impacto máximo teórico.

Si se hace este tipo de cálculo, la llamada estimación de Fermi, en una etapa temprana, es posible estimar hasta cierto punto el impacto que se obtendrá cuando se desarrolle esa tecnología.

A continuación explicaré estas ideas con algunos ejemplos.

Ejemplo (1) El caso del SAF (UCO→HEFA): restricción por cantidad

Pensemos en el caso de convertir aceite de cocina usado (aceite residual, UCO) en SAF (combustible de aviación sostenible) mediante el proceso HEFA.

Aquí tomamos como eje de la evaluación cuantitativa del impacto «hasta cuánto se reducen las emisiones de GEI». Se dice que en el mundo, alrededor de 2020, se emitían cada año 59 Gt de GEI (gases de efecto invernadero), e inversores que impulsan la descarbonización, como Breakthrough Energy, dan importancia a un umbral basado en el impacto: invertir solo en negocios que, a gran escala, reduzcan las emisiones anuales de GEI en 0,5 Gt, es decir, negocios capaces de reducir aproximadamente el 1 % de las emisiones de GEI.

Tomando este valor como referencia, calculemos con una estimación de Fermi cuánto nos acercamos a 0,5 Gt al usar UCO.

Supuestos

• Cantidad anual de UCO: se fija en 12,3 millones de t/año.
• Fracción de queroseno (jet): se supone un 50 % como «extremo superior del rango práctico».
• Diferencia de emisiones entre el jet fósil y el SAF: se fija en unos 75 gCO2e/MJ (= 0,075 kg/MJ) (se dice que el combustible fósil emite 89 gCO2e/MJ y que el combustible HEFA a base de aceite residual emite 14 gCO2e/MJ, según esta fuente).
• Poder calorífico (LHV) del combustible de aviación: unos 43 MJ/kg
• Poder calorífico (LHV) del UCO (aceite vegetal): unos 37 MJ/kg

En esta ocasión se evalúa de forma directa el límite del UCO por sí solo, y no se incluye en el cálculo la energía del hidrógeno (H₂) externo. Tampoco se consideran los subproductos ni los usos alternativos (por ejemplo, no se tiene en cuenta la posibilidad de que, al destinar el UCO al SAF, el diésel y otros vuelvan a depender de lo fósil).

1) Límite superior del rango realista (suma directa)

Explicito el procedimiento de cálculo.

• Paso A: masa de materia prima → masa de jet
  12,3 millones de t × 50 % ＝ 6,15 millones de t (= 6,15×10^6 t = 6,15×10^9 kg)
• Paso B: masa de jet → energía
  6,15×10^9 kg × 43 MJ/kg ＝ 2,6445×10^11 MJ
• Paso C: energía × diferencia de emisiones
  2,6445×10^11 MJ × 0,075 kg/MJ ＝ 1,983375×10^10 kgCO2e
  = 19,83 millones de tCO2e/año (≒0,0198 Gt)

Por lo tanto, solo con el insumo actual y una conversión en el límite práctico, el techo de reducción es de aproximadamente 0,02 Gt/año.

※ Se puede aumentar la fracción de jet, pero el rendimiento líquido total tiende a caer (compromiso de la optimización del reparto de productos), por lo que por ahora se deja en el 50 %.

2) Si se desarrolla tecnología para elevar la eficiencia de conversión

Aquí la objeción habitual es: «¿no aumentaría el impacto si se elevara aún más la eficiencia de conversión?». Pero, por la primera ley (conservación de la energía), la energía que se puede extraer como producto no puede superar la energía que contiene la materia prima (UCO).

• Energía total del UCO (máximo teórico)
  12,3 millones de t (= 1,23×10^7 t = 1,23×10^10 kg) × 37 MJ/kg
  ＝ 4,551×10^11 MJ

Aun suponiendo que toda esa energía máxima pudiera extraerse como jet (es decir, la hipótesis irreal de pérdida cero),

• Límite teórico de reducción (manteniendo la diferencia de emisiones en 0,075 kg/MJ)
  4,551×10^11 MJ × 0,075 kg/MJ ＝ 3,41325×10^10 kg
  ＝ 34,13 millones de tCO2e/año (≒0,034 Gt)

E incluso con el supuesto extremo de «emisiones cero en el lado del SAF»,

• Límite teórico de reducción (suponiendo una diferencia de emisiones = 0,089 kg/MJ)
  4,551×10^11 MJ × 0,089 kg/MJ ＝ 4,05039×10^10 kg
  ＝ 40,50 millones de tCO2e/año (≒0,0405 Gt)

Es decir, por mucho que se eleve la eficiencia de conversión, solo se pasa de 0,02 Gt/año a 0,03–0,04 Gt/año, y el orden de magnitud no cambia.

En este caso, lo que determina el máximo del impacto no es la eficiencia de conversión, sino el insumo.

3) Análisis de la posibilidad de aumentar más el insumo (aceite residual)

Se dice que el aceite residual que sirve de insumo, aun considerando la mejora en la tasa de recogida y el desarrollo económico, solo aumentaría unas 2 o 3 veces. Por mucho que cambie la cultura gastronómica, probablemente no ocurrirá que se multiplique por 10.

Es decir, no se puede aumentar el insumo de forma drástica.

Resumen del SAF a partir de aceite residual

De estos cálculos se desprende que, en el caso del SAF a partir de aceite residual, el margen de contribución a los 59 Gt es pequeño y que, en particular, aunque se desarrolle tecnología, existe una restricción del lado del insumo.

En la práctica, a esto se suman el costo de obtener el insumo (incluido el costo de la cadena de suministro) y el costo de convertirlo con la tecnología, y el «precio del producto fabricado» así calculado determina cuánta compra generará realmente. Aun así, por mucho que bajen esos costos, este camino no llega a un impacto tan grande.

Se puede hacer un cálculo similar con los paneles solares y otros casos. En el caso de la energía solar, el insumo es «la superficie y las horas de sol», y si se introduce como eficiencia de conversión el valor teórico de la eficiencia de los paneles solares, se puede calcular el valor teórico. El máximo cambia según se incluyan o no como insumo las tierras agrícolas, los terrenos residenciales y otros, pero se puede conocer el máximo en cada caso. (Y ese potencial es bastante grande.)

Ejemplo (2) El caso de la producción de hidrógeno por electrólisis del agua: restricción por eficiencia de conversión

El SAF a partir de aceite residual es un caso en que el insumo es la restricción, pero también hay casos en que la restricción es la eficiencia de conversión. Lo pensaremos con el ejemplo de la electrólisis del agua para producir hidrógeno verde.

Se usa el marco «insumo × eficiencia de conversión ＝ producto (＝ impacto social)».

Simplificando, los insumos aquí son el agua y la electricidad verde. Suponemos que el agua se obtiene casi gratis, y que la electricidad verde cuesta 0 yenes bajo el supuesto de usar el excedente de electricidad diurno. Así, el insumo no es un factor limitante, y el problema pasa a tener como factores limitantes la eficiencia de conversión y su costo.

Y como valor objetivo fijemos la meta del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), «hidrógeno limpio a $1/kg» (Hydrogen Shot: $1/1 kg).

Con estos supuestos, nos centraremos en la eficiencia de conversión.

1) Límite de principio de la electrólisis del agua

La electrólisis del agua descompone (electroliza) el agua con electricidad en hidrógeno y oxígeno. Esta reacción tiene un límite inferior de energía necesaria, por debajo del cual no se puede bajar.

• Energía eléctrica mínima teórica (derivada de la energía libre de Gibbs)… unos 32,7 kWh/kg (= el «límite reversible»)
• El punto en que el intercambio de calor es cero («termoneutro»)… unos 39,4 kWh/kg (= equivalente a 1,48 V)

Considerando que la tensión teórica es de 1,23 V (reversible) y 1,48 V (termoneutro), 1,23/1,48 ≈ 0,83, por lo que 39,4×0,83 ≈ 32,7. Es decir, por mucho que avance la tecnología, de 1 kWh no se pueden producir más de 30 g de hidrógeno. Este es el «muro de la eficiencia de conversión».

2) Insumo × eficiencia de conversión ＝ producto

Lo traslado a la fórmula básica de este blog, «insumo × eficiencia de conversión ＝ producto».

• 1 kWh → como máximo, unos 30 g de H₂ (= 0,030 kg)
• Si se opera un equipo de 1 kW durante 1 año (8760 kWh):
  • Límite ideal: 8760 × 0,030 ≈ unos 265 kg de H₂/año·kW (reversible)
  • En termoneutro, unos 222 kg de H₂/año·kW

Es decir, «de 200 a 260 kg al año por cada kW» es la referencia de la cantidad máxima que puede producir el equipo.

3) Cálculo del costo (de electricidad a 0 yenes → a ○ yenes)

A partir de aquí hablaremos de dinero. Si lo ordenamos en una forma fácil de calcular, el costo de producción del hidrógeno (LCOH) es, a grandes rasgos,

(A) En un mundo ideal con electricidad a 0 yenes:

Solo queda el «costo atribuible al equipo». Con 1 kW de equipo = $1000, recuperado a una tasa anual del 10 % que absorbe intereses y depreciación, y si produce 265 kg/año,

Es decir, si el equipo cuesta $2000/kW, unos $0,75/kg; si cuesta $2500/kW, unos $0,93/kg (cerca del ideal reversible). Con termoneutro (unos 222 kg/año) sería algo más alto (por ejemplo: $1000/kW → alrededor de $0,45/kg).

(B) Si en la práctica también se paga la electricidad:

Por cada aumento de 1 ¢/kWh (=$0,01/kWh) en el precio unitario de la electricidad, se suma directamente

• en reversible (33 kWh/kg), unos $0,33/kg
• en termoneutro (39 kWh/kg), unos $0,39/kg

Por ejemplo, con 2 ¢/kWh, solo la electricidad cuesta entre $0,66 y $0,79/kg.

A esto se añaden además el mantenimiento, los servicios auxiliares, el tratamiento del agua, el secado y la compresión del gas, etc., que es lo realista (en este artículo se simplifica).

4) Efecto sobre los $1/kg

Calculemos a grandes rasgos, hacia atrás, las condiciones para lograr estos $1/kg (con una tasa anual del 10 %, mantenimiento cero y plena operación = 100 % de factor de utilización de las instalaciones, un supuesto optimista).

Si la electricidad cuesta 0:
El precio del equipo debe ser de $2,2k a $2,7k/kW o menos (de termoneutro a reversible). Si el factor de utilización cae al 50 %, el precio admisible del equipo también baja a la mitad.

Si la electricidad cuesta 2 ¢/kWh (suponiendo algo cercano a reversible):
Solo la electricidad consume $0,65/kg, por lo que el margen disponible para el equipo es de $0,35/kg. Para cumplirlo, el precio del equipo debe ser, como mucho, de ~$900/kW (suponiendo plena operación). Si el factor de utilización es del 50 %, el precio admisible del equipo se hunde a unos ~$450/kW, lo que resulta extremadamente difícil.

Es decir, la mejora de la eficiencia de la electrólisis del agua por sí sola no alcanza los $1/kg. Para lograr la meta se necesitan a la vez electricidad muy barata (≲1–2 ¢/kWh), alta utilización y un precio de equipo bastante bajo (de nivel $~1000/kW o menos).

5) Resumen

En resumen, queda así:

• El muro de la eficiencia de conversión: de 1 kWh se pueden producir como máximo unos 30 g de hidrógeno. Para 1 kg se necesitan de 33 a 40 kWh. Este es el valor límite físico.
• Límite de producción del equipo: el límite es de 200 a 260 kg por kW·año. La «ganancia» del equipo llega aquí a su tope.
• La clave del costo: la baratura del equipo ($/kW), 2) la baratura de la electricidad ($/kWh) y 3) el factor de utilización (%).
  Aunque la mejora de la eficiencia es importante, los protagonistas que cambian el orden de magnitud son estos tres.

Por lo tanto, no solo la mejora de la eficiencia de la electrólisis del agua: la clave está en la investigación y el desarrollo que abaraten el equipo y eleven su factor de utilización. O bien será necesario explorar vías de producción de hidrógeno verde mediante otro tipo de electrólisis distinto de la del agua, o moonshots como el hidrógeno subterráneo.

(Si algún cálculo es incorrecto, les ruego que me lo señalen…)

Cálculo del impacto empresarial

Hasta aquí, aproximando la cantidad de producto al impacto social, solo hemos considerado dos factores:

• Insumo
• Eficiencia de conversión

Para pensar en el éxito empresarial, es necesario considerar el aspecto económico de estos factores. También habrá que tener en cuenta las subidas y bajadas del margen de beneficio por la competencia. Es decir,

• Insumo: introducir algo que se obtenga más barato y en mayor cantidad,
• Eficiencia de conversión: convertirlo por un método más barato, con mayor eficiencia, en algo de mayor valor añadido,
• Margen de beneficio: y ofrecerlo de forma más monopólica,

con la multiplicación de estos 3 puntos se puede calcular el potencial aproximado del impacto empresarial.

Dicho de forma extremadamente simplificada, se trata de

• más cantidad de algo barato (insumo)
• en más cantidad de algo caro (producto),
• «convertir» (tecnología)
• y de hasta qué punto se puede «monopolizar» eso

Es algo obvio, por otra parte.

El sentido de calcular primero el límite teórico del impacto

Tengo la impresión de que en Japón la investigación y el desarrollo suelen basarse en propuestas ascendentes (bottom-up) de investigadores e ingenieros. Por un lado, creo que eso está bien para las ciencias naturales y similares, pero en la ingeniería parece que con frecuencia se exige impacto social, y cuando se trata de la «comercialización» de la I+D, es aún más importante calcular de antemano ese impacto social.

En ese momento, creo que hay margen para reforzar la práctica de hacer un cálculo descendente (top-down), evaluar pronto «cuánto impacto podría traer esta tecnología como posibilidad» y reflejarlo en la asignación de recursos del presupuesto de I+D.

En particular, para que las startups de alto crecimiento que usan deep tech aspiren a un gran impacto, a veces basta con fijar primero el límite del insumo y la eficiencia de conversión (rango práctico y límite teórico) como se ha descrito y hacer un cálculo sencillo para ver si «realmente puede ser de alto retorno». Más bien, sin ese cálculo de la posibilidad de retorno, se corre el riesgo de acabar fácilmente en una inversión de alto riesgo y bajo retorno.

Viendo también la I+D financiada con subvenciones del Estado, parece que a veces se selecciona la «comercialización de tecnología» con un límite superior de impacto bajo por el hecho de que la I+D está avanzada. Podría decirse también que, al concentrarse demasiado en el desarrollo tecnológico, a veces se pierde la visión de conjunto. Puede haber casos en que se haya tenido en cuenta un valor distinto del impacto social o empresarial, pero aun así, también en el sentido de asumir riesgos (y retornos) que el sector privado no puede asumir, creo que hace falta más la perspectiva de calcular de antemano el máximo del impacto.

(Además, aunque la cantidad de producto no sea tan grande, cuando esa tecnología es muy demandada para un uso específico, el valor de mercado puede aumentar considerablemente.)

Verificación con IA generativa

Últimamente, con la IA generativa y servicios de literatura científica como Elicit, la tarea de hacerse una idea del máximo teórico se ha vuelto enormemente más fácil. Son muy útiles para el cribado inicial: exploración de información, análisis de sensibilidad de los rangos de supuestos, comprobación de la coherencia de las premisas, etc.

Por supuesto, la IA generativa también se equivoca, pero si se fijan en texto el procedimiento de cálculo y los supuestos siguiendo el molde de la estimación de Fermi (insumo × conversión) y se anota cada vez el fundamento de las cifras, creo que se puede trazar un esquema inicial en poco tiempo. Creo que, si se aprovechan esas herramientas para hacer la limpieza previa, el dinero fluirá hacia mejores proyectos.

※ Los cálculos de este artículo también se han hecho con GPT-5 Pro.

Para terminar

Este artículo presentó la idea de estimar el máximo teórico solo con «límite del insumo × límite de la conversión» y, a partir de ahí, verificar mediante cálculo si hay impacto.

La I+D de UCO→HEFA y de la electrólisis del agua que he mencionado aquí no carece de sentido en absoluto, y como son tecnologías que contribuyen a la descarbonización a corto y medio plazo, creo que hay aspectos de esas tecnologías que deben impulsarse. Por otro lado, considero que pensar «cuánto impacto es teóricamente posible» también es importante al considerar la orientación de las startups de deep tech que buscan altos retornos y del desarrollo tecnológico impulsado por el Estado, y las he citado para subrayarlo.

En resumen, el artículo sostenía que sería bueno, en una etapa temprana del desarrollo tecnológico o empresarial, hacer una verificación aproximada del límite superior del impacto de esa tecnología o negocio y, a partir de ahí, pensar en qué tecnología apostar capital y talento.

Cabe añadir que esta idea es eficaz en negocios en los que el riesgo recae en el lado de la oferta de tecnología y se sabe que existe cierta demanda, y que resulta difícil de usar en los que tienen riesgo del lado de la demanda, como el IT.