Fossiele brandstoffen vormen de ruggengraat van de wereldwijde petrochemische industrie, die de groeiende wereldbevolking van brandstoffen voorziet, kunststoffen, kleding, meststoffen en meer. Een nieuw onderzoeksrapport, vandaag gepubliceerd in Wetenschap , een koers uitstippelt voor hoe een alternatieve technologie - hernieuwbare elektrosynthese - een duurzamere chemische industrie zou kunnen inluiden, en ons uiteindelijk in staat stellen veel meer olie en gas in de grond achter te laten.

Phil De Luna is de hoofdauteur van de krant. Zijn onderzoek aan de Universiteit van Toronto Engineering omvatte het ontwerpen en testen van katalysatoren voor elektrosynthese, en afgelopen november werd hij genoemd op de Forbes 30 onder 30-lijst van innovators in de categorie Energie. Hij en zijn promotor, professor Ted Sargent, werkten aan de paper samen met een internationaal team van onderzoekers van Stanford University en TOTAL American Services, Inc.

U of T Engineering News ging zitten met De Luna om meer te weten te komen over hoe hernieuwbare elektrosynthese de "petro" uit petrochemicaliën zou kunnen halen.

Kun je de uitdaging beschrijven die je probeert op te lossen?

Onze samenleving is verslaafd aan fossiele brandstoffen - ze zitten overal in, van het plastic in je telefoon tot de synthetische vezels in je kleding. Door een groeiende wereldbevolking en een stijgende levensstandaard stijgt de vraag elk jaar.

Het veranderen van het systeem vereist een enorme wereldwijde transformatie. In sommige gebieden, we hebben alternatieven, bijvoorbeeld elektrische voertuigen kunnen verbrandingsmotoren vervangen. Hernieuwbare elektrosynthese zou iets soortgelijks kunnen doen voor de petrochemische industrie.

Wat is hernieuwbare elektrosynthese?

Denk eens aan wat de petrochemische industrie doet:het vergt zware, koolstofmoleculen met lange ketens en gebruikt hoge hitte en druk om ze af te breken tot chemische basisbouwstenen. Vervolgens, die bouwstenen worden weer in elkaar gezet tot plastic, meststoffen, vezels, enzovoort.

Stel je voor dat in plaats van fossiele brandstoffen te gebruiken, je zou CO2 uit de lucht kunnen gebruiken. En in plaats van de reacties uit te voeren bij hoge temperaturen en drukken, je zou de chemische bouwstenen op kamertemperatuur kunnen maken met behulp van innovatieve katalysatoren en elektriciteit uit hernieuwbare bronnen, zoals zonne- of waterkracht. Dat is hernieuwbare elektrosynthese.

Zodra we die eerste transformatie hebben gedaan, de chemische bouwstenen passen in onze bestaande infrastructuur, dus er is geen verandering in de kwaliteit van de producten. Als je het goed doet, het algehele proces is CO2-neutraal of zelfs CO2-negatief als het volledig wordt aangedreven door hernieuwbare energie

Planten halen ook CO2 uit de lucht en maken er materialen zoals hout, papier en katoen. Wat is het voordeel van elektrosynthese?

De voordelen zijn snelheid en doorvoer. Planten zijn geweldig in het omzetten van CO2 in materialen, maar ze gebruiken hun energie ook voor zaken als stofwisseling en voortplanting, dus ze zijn niet erg efficiënt. Het kan 10 tot 15 jaar duren om een ​​ton bruikbaar hout te kweken. Elektrosynthese zou hetzelfde zijn als het CO2-opvang- en conversievermogen van 50, 000 bomen in een doos ter grootte van een koelkast.

Waarom doen we dit niet vandaag?

Het komt neer op kosten; je moet bewijzen dat de kosten om een ​​chemische bouwsteen te maken via elektrosynthese vergelijkbaar zijn met de kosten om het op de conventionele manier te produceren.

Op dit moment zijn er enkele beperkte toepassingen. Bijvoorbeeld, het grootste deel van de waterstof die wordt gebruikt om zware olie op te waarderen, is afkomstig van aardgas, maar ongeveer 4% wordt nu geproduceerd door elektrolyse, dat is, met behulp van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof. In de toekomst, we zouden iets soortgelijks kunnen doen voor op koolstof gebaseerde bouwstenen.

Wat leverde je analyse op?

We hebben vastgesteld dat er twee hoofdfactoren zijn:de eerste zijn de kosten van elektriciteit zelf, en de tweede is de elektrische-naar-chemische conversie-efficiëntie.

Om te kunnen concurreren met conventionele methoden, elektriciteit minder dan vier cent per kilowattuur hoeft te kosten, en de elektrische-naar-chemische conversie-efficiëntie moet 60% of meer zijn.

Hoe dichtbij zijn we?

Er zijn enkele plaatsen in de wereld waar hernieuwbare energie uit zonne-energie slechts twee of drie cent per kilowattuur kan kosten. Zelfs in een plaats als Quebec, die overvloedige waterkracht heeft, er zijn tijden van het jaar waarin elektriciteit tegen negatieve prijzen wordt verkocht, omdat er geen manier is om het op te slaan. Dus, vanuit een economisch potentieel perspectief, Ik denk dat we dichtbij komen in een aantal belangrijke jurisdicties.

Het ontwerpen van katalysatoren die de elektrische-naar-chemische conversie-efficiëntie kunnen verhogen, is moeilijker, en daar heb ik mijn scriptie aan besteed. Voor ethyleen, de beste die ik heb gezien is ongeveer 35% efficiëntie, maar voor sommige andere bouwstenen, zoals koolmonoxide, we naderen de 50%.

Natuurlijk, dit alles is gedaan in laboratoria - het is een stuk moeilijker om dat op te schalen tot een plant die kiloton per dag kan maken. Maar ik denk dat er enkele toepassingen zijn die veelbelovend zijn.

Kun je een voorbeeld geven van hoe hernieuwbare elektrosynthese eruit zou zien?

Laten we ethyleen nemen, wat qua volume de meest geproduceerde petrochemische stof ter wereld is. Je zou in theorie ethyleen kunnen maken met CO2 uit de lucht - of uit een uitlaatpijp - met hernieuwbare elektriciteit en de juiste katalysator. Je zou het ethyleen kunnen verkopen aan een plastic fabrikant, wie zou er plastic zakken of tuinstoelen van maken of wat dan ook.

Aan het einde van zijn leven, je zou dit plastic - of een andere koolstofintensieve vorm van afval - kunnen verbranden om de CO2 op te vangen, en start het proces helemaal opnieuw. Met andere woorden, je hebt de koolstofkringloop gesloten en de behoefte aan fossiele brandstoffen geëlimineerd.

Wat zou volgens jou de focus van toekomstig onderzoek moeten zijn?

Ik heb zojuist een functie aangenomen als programmadirecteur van het Clean Energy Materials Challenge-programma bij de National Research Council of Canada. Ik bouw een gezamenlijk onderzoeksprogramma van $ 21 miljoen, dus dit is iets waar ik veel over nadenk!

We richten ons momenteel op delen van de bestaande petrochemische toeleveringsketen die gemakkelijk kunnen worden omgezet in elektrosynthese. Daar het voorbeeld dat ik hierboven noemde, dat is de productie van waterstof voor het opwaarderen van olie en gas door middel van elektrolyse.

Een andere goede bouwsteen om op te richten is koolmonoxide, die tegenwoordig voornamelijk wordt geproduceerd door het verbranden van steenkool. We weten hoe het te maken via elektrosynthese, dus als we de efficiëntie kunnen verhogen, dat zou een instapoplossing zijn.

Hoe past hernieuwbare elektrosynthese in het grote landschap van strategieën om emissies te verminderen en klimaatverandering tegen te gaan?

Ik heb altijd gezegd dat er geen wondermiddel is - in plaats daarvan denk ik dat wat ik een 'zilveren hagel'-benadering nodig heb, nodig is. We hebben gerecyclede bouwmaterialen nodig, we hebben efficiëntere leds nodig voor verlichting, we hebben betere zonnecellen en betere batterijen nodig.

Maar zelfs als de uitstoot van het elektriciteitsnet en het transportnetwerk morgen tot nul zou dalen, het zou niets doen om de petrochemische industrie te helpen die zoveel van de producten levert die we elke dag gebruiken. Als we kunnen beginnen met het elektrificeren van delen van de toeleveringsketen, dat is de eerste stap naar het bouwen van een alternatief systeem.