Overtollig industrieel kooldioxide creëert een kans om afval om te zetten in een waardevolle grondstof. Overtollig CO2 kan een grondstof zijn voor chemicaliën die doorgaans zijn afgeleid van fossiele brandstoffen, maar het proces is energie-intensief en duur. Chemische ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben de technische en economische haalbaarheid beoordeeld van een nieuwe elektrolysetechnologie die een goedkoop bijproduct van biobrandstof gebruikt om het energieverbruik van het waste-to-valueproces met 53 procent te verminderen.

De nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Energie .

Omzetting van CO2 in chemicaliën zoals ethyleen voor kunststoffen is mogelijk via een proces dat elektrochemische reductie wordt genoemd. Typisch, een stroom CO2-gas en een vloeibaar elektrolyt bewegen door een elektrolysecel die de CO2 op de kathode afbreekt in moleculen zoals ethyleen, maar het produceert ook zuurstof uit water op de anode, aldus de onderzoekers.

"Ongeveer 90 procent van de energie die nodig is voor conventionele CO2-reductie wordt verbruikt door de zuurstofproducerende, anodezijde van een elektrolysecel, " zei Paul Kenis, een professor in de chemische en biomoleculaire techniek, afdelingsvoorzitter en co-auteur van de studie. "Maar er is geen grote markt voor de overtollige zuurstof, dus 90 procent van de energie wordt in wezen verspild."

Het vinden van een toevoermateriaal dat de energie vermindert om de anodereactie aan te drijven, zou een strategie kunnen zijn om de energiebehoefte van de CO2-omzetting radicaal te verminderen, volgens een recent National Academies Report waarvan Kenis co-auteur was.

De nieuwe studie stelt glycerol voor - een organisch bijproduct van de productie van biobrandstof uit suikerriet dat minder energie nodig heeft om te oxideren - als alternatief voor de energie-intensieve zuurstofproducerende stap.

Om te testen of de nieuwe elektrolysetechniek het potentieel heeft om het volledige CO2-conversieproces naar een CO2-neutraal of negatief budget te duwen, de onderzoekers onderzochten de kosten en het energieverbruik voor de productiecyclus van het waste-to-value-proces. De cyclus van vier stappen omvat het afvangen van industrieel CO2-afvalgas, de invoer van elektriciteit, de nieuwe

"Ons model gebruikt de huidige opzet van het elektriciteitsnet als de bron van elektriciteit om het scenario realistischer te maken, "Zei Kenis. "In staat zijn om CO2-conversie te stimuleren met reeds aanwezige infrastructuur - en niet te vertrouwen op de hoop dat het toekomstige netwerk wordt aangedreven door 100 procent hernieuwbare energiebronnen - terwijl het bereiken van koolstofneutraliteit of negativiteit een heilige graalscenario zou kunnen zijn."

De analyse omvat best- en worstcasescenario's voor CO2-emissies en energieverbruik en concludeert dat de vooruitzichten op CO2-reductie, in termen van CO2-uitstoot en economie, kan drastisch verbeteren door verder te kijken dan conventionele anodereacties.

"De op glycerol gebaseerde elektrolysereactie is veelbelovend. we zullen andere organische afvalstoffen blijven onderzoeken, want zelfs wanneer de productie stijgt als gevolg van de toegenomen productie van biobrandstoffen, het zal nog steeds niet voldoende zijn om de behoefte volledig te ondersteunen, " zei Kenis. "Het goede nieuws is dat de betrokken chemie flexibel is en dat er veel organische afvalproducten zijn die het werk kunnen doen."

Veel onderzoekers richten zich op het verbeteren van de selectiviteit en activiteit van chemische katalysatoren voor CO2-reductiereacties, en dat werk moet worden voortgezet, zei Sumit Verma, een voormalige afgestudeerde student chemische en biomoleculaire engineering en co-auteur van de studie. "Verder kijken dan de zuurstofevolutie aan de anode lijkt een win-winsituatie, omdat we niet alleen het energieverbruik van de processen verminderen, maar ook een tweede waardevolle productstroom produceren, " hij zei.