Aardolie, kolen en aardgas zijn niet de enige uitgangspunten voor het maken van brandstoffen en chemicaliën. Sterker nog, een groeiend aanbod van hernieuwbare elektriciteit opent spannende nieuwe deuren voor het maken van identieke producten tegen mogelijk een fractie van de klimaatkosten.

Het begint met het gestadig draaien van een windturbine of een zonnepaneel dat in de middagzon bakt. Er vloeit een stroom door een elektrochemische cel gevuld met kooldioxide (CO₂ )—overgeheveld uit de lucht of gewonnen uit een ethanolraffinaderij, cementfabriek of andere industriële bron.

Bekrachtigd door ionen en radicalen gecreëerd door de lading, maakt het koolstofatoom in het gas zichzelf los van zijn zuurstofburen en zoekt naar nieuwe metgezellen om zich mee te binden. Het koppelt zichzelf snel aan andere nieuw vrijgekomen koolstof, evenals aan waterstofatomen die in de cel worden gegenereerd.

Het exacte molecuul dat de koolstof helpt vormen, hangt af van de elektrokatalysator in de cel en de spanning die in het begin wordt toegepast:

• Mierenzuur gebruikt als voedseladditief
• Koolmonoxide voor het maken van tal van andere chemicaliën
• Ethyleen:een voorloper op de wereldwijde plasticmarkt
• En meer.

Het is een elektrochemische reactie, een opkomend pad voor het upgraden van CO₂ en zelfs van biomassa afgeleide verbindingen in de vele kunststoffen, wasmiddelen, brandstoffen en verbindingen die de moderne economie ondersteunen.

Naast een bredere reeks technologieën die hernieuwbare elektriciteit gebruiken om chemicaliën en brandstoffen te synthetiseren, is de technologie veelbelovend om de zware industrie koolstofarm te maken. Maar zijn ze echt klaar voor de markt?

Over de kosten, risico's en kansen van het elektrificeren van de productie van chemicaliën en brandstoffen

"In wezen hebben we het over een kruising van elektrificatie en het gebruik van koolstofarme grondstoffen zoals koolstofdioxide en biomassa", zegt Joshua Schaidle, laboratoriumprogrammamanager van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) voor het Office of Fossil Energy van het Amerikaanse ministerie van energie en Koolstofbeheer. Schaidle leidt ook NREL's onderzoek naar katalytische koolstoftransformatie en geeft leiding aan het Chemical Catalysis for Bioenergy Consortium van het Amerikaanse Department of Energy. "Aangedreven door hernieuwbare energie in plaats van fossiele elektriciteit, zouden deze systemen industrieën in staat kunnen stellen verder te gaan dan fossiele koolstof."

Volgens Schaidle en zijn NREL-collega Gary Grim zou die alternatieve methode voor het maken van brandstoffen en chemicaliën een cruciaal hulpmiddel kunnen zijn bij het koolstofarm maken van een economische sector die vaak diepe CO2-voetafdrukken achterlaat.

In plaats van "fossiele" koolstof die ondergronds is opgeslagen op te baggeren, recyclen dergelijke methoden "moderne" koolstof gevonden in CO₂ of biomassa. En in plaats van te vertrouwen op koolstofintensieve energiebronnen, worden ze aangedreven door hernieuwbare, emissievrije elektriciteit. Het resultaat kan een brandstof- en chemisch productieproces zijn dat aanzienlijk minder koolstofintensief is.

Toch blijven er veel vragen over de kosten, risico's en technische uitdagingen van het maken van chemicaliën en brandstoffen uit groene stroom en gerecyclede koolstof. "Waar staan ​​de technologieën vandaag? Waar zouden ze in de toekomst kunnen zijn? En hoe speelt dat een rol bij volgende stappen en toekomstige onderzoeksbehoeften?" vroeg Schaidle.

In een paar artikelen gepubliceerd in Energy and Environmental Science en ACS Energy Letters, Schaidle, Grim en collega's onderzoeken die en andere vragen over het technische en economische potentieel van het elektrificeren en decarboniseren van brandstof- en chemische productie.

Nu er nog veel onzekerheid blijft, hopen ze dat het doen van dergelijk werk kan helpen de weg vooruit te markeren van de laboratoriumtafel naar de commerciële wereld.

Paper 1:De economie van het gebruik van kooldioxide

Studies suggereren dat er tegenwoordig technologieën bestaan ​​voor het omzetten van CO₂ in alle wereldwijd meest geconsumeerde op koolstof gebaseerde chemicaliën en producten - een markt die momenteel wordt gedomineerd door fossiele bronnen van koolstof.

Zo wordt er elk jaar meer dan 10 gigaton koolstof uitgestoten als CO₂ rond de wereld. Als die CO₂ . in plaats daarvan wordt opgevangen en door een elektrochemische cel wordt gestuurd, kan een grondstof worden - één die groot genoeg is om meer dan 40 keer de totale wereldwijde productie van ethyleen en propyleen te produceren.

In een Energie- en Milieuwetenschap paper, "The Economic Outlook for Converting CO₂ en elektronen naar moleculen", analyseren NREL-onderzoekers Zhe Huang, Schaidle, Grim en Ling Tao de economie van elektrochemische CO₂ gebruik vandaag en in de toekomst. De paper houdt rekening met tal van technologische factoren en kostenfactoren die van invloed kunnen zijn op de haalbaarheid van het produceren van chemicaliën, brandstoffen en materialen uit CO₂ en hernieuwbare elektriciteit op schaal.

"We kijken breed naar meerdere technologieën naar meerdere producten", zei Grim. "Het belangrijkste punt is dat we consistente economische veronderstellingen gebruiken voor onze analyse."

Volgens hun onderzoek zou het binnenkort net zo kosteneffectief kunnen zijn om enkele van de meest gebruikte chemicaliën uit CO₂ te maken. en groene elektriciteit zoals het is om ze te maken met behulp van de huidige op aardolie gebaseerde methoden. Met het huidige tempo van dalende elektriciteitsprijzen en verwachte verbeteringen in technologie, zou het in sommige gevallen zelfs goedkoper kunnen worden.

"De vooruitgang die we zien, de activiteit die we zien - we zullen de komende 5 tot 10 jaar een commercieel aanbod hebben", zei Schaidle. "Ik denk dat er mogelijkheden zijn om het concurrentievermogen op het gebied van kosten te verlagen, vooral als je begint na te denken over eventuele koolstofarme kredieten."

Om tot dergelijke conclusies te komen, gaat het onderzoek uit van een breed scala aan aannames. Het houdt rekening met energieprijzen en de kosten om nieuwe faciliteiten te bouwen of nieuwe apparatuur te installeren. Het houdt rekening met technische en chemische invloeden die de levensvatbaarheid van een technologie kunnen beïnvloeden, zoals de snelheid of efficiëntie van een bepaalde elektrochemische reactie.

Niet in de laatste plaats neemt de analyse de impact van CO₂ . onder de loep bron en concentratie op de prijs om een ​​bepaalde chemische stof te maken, of het nu koolmonoxide, ethyleen of een koolwaterstofbrandstof is. Waar CO₂ rechtstreeks uit de atmosfeer wordt overgeheveld, is relatief verdund, bijvoorbeeld het opvangen van een elektriciteitscentrale of bioraffinaderij levert hogere concentraties op.

Om het gemakkelijker te maken om de gegevens achter hun analyse te doorzoeken, hebben Schaidle, Grim en hun collega's een krachtige online visualisatietool gepubliceerd. Het bevat interactieve grafieken over de economische haalbaarheid en de belangrijkste kostenfactoren van de productie van chemische tussenproducten uit CO₂ en elektriciteit via vijf verschillende conversiepaden.

Op deze manier worden de take-aways uit de krant gemakkelijk toegankelijk voor een breed publiek. Hun analyse concludeert bijvoorbeeld dat koolmonoxide gemaakt van CO₂ en elektriciteit via elektrolyse bij hoge temperatuur - een specifiek soort elektrochemische technologie - zou volgens de huidige normen relatief duur zijn, namelijk $ 0,38 per kilogram. Ga echter naar de nabije toekomst en de economie draait om. Volgens de studie zal de prijs ver onder de huidige marktprijs dalen tot $ 0,15 per kilogram.

"Is dit een realiteit? Hoe dichtbij kunnen we komen op een kostenconcurrerende basis?" weerspiegelde Schaidle. "Wat zijn de artiesten of niet-performers?"

Met de nieuwe papier- en visualisatietool is het eenvoudiger dan ooit om tot antwoorden te komen.

Paper 2:De status van elektrochemische conversie van overvloedige biomassa

Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie zouden de biomassabronnen in de Verenigde Staten kunnen worden aangewend om elk jaar tot 50 miljard gallons biobrandstof te produceren, meer dan genoeg om de volledige vraag van de VS naar vliegtuigbrandstof te dekken.

Maar waar de koolstof in CO₂ vormt een eenvoudige chemische configuratie - een gas met een deel koolstof, twee delen zuurstof - de hernieuwbare koolstof doordat overvloedige biomassa is geïntegreerd in vezelachtige netwerken van lignine en koolhydraten. Dat maakt het uitgangspunt voor het maken van chemicaliën met biomassa fundamenteel anders.

Biomassa, waaronder energiegewassen, bosafval en ander organisch materiaal, moet eerst worden opgedeeld in chemische tussenproducten:polyolen, furanen, carbonzuren, aminozuren, lignine en andere. Once stored in a more basic form, that renewable carbon can then be more easily accessed, amended, and rearranged.

"You can convert these intermediate molecules thermochemically and biologically, but you can also look at electrochemistry," Schaidle explained. "Our review focuses on the latter piece, where you are looking at converting an intermediate into a product rather than starting with whole biomass."

In a second paper published in ACS Energy Letters , Schaidle, Grim, and a larger team of scientists—including Francisco W.S. Lucas and Adam Holewinski from the University of Colorado, Boulder—analyze over 82 reactions driven by the electrochemical synthesis of biomass intermediates. Those reactions have potential advantages, according to the paper.

"Conventional methods only have heat and pressure as their hammers," Grim explained. "With electrochemistry and biomass intermediates, we have the ability to target specific chemical bonds or groups that can be otherwise difficult to access."

Grim said that could give industries more latitude to invent chemistries otherwise hard to achieve—a potential advantage over conventional, petroleum-based refining. Still, the electrochemical synthesis of biomass intermediates is immature compared to CO₂ utilization.

"If you want this technology to get closer to becoming market competitive, you have to have an electrochemical process that is overall more efficient," Schaidle added. "It makes the best utilization of the carbon coming in and the best utilization of the electrons coming in. That is where a lot of the technology advancements need to happen."

By pulling together more than 500 publications on the field—articles often focused on specific reactions using electrochemistry—the paper serves as a roadmap for assessing the state of electrochemistry with biomass-derived intermediates and finding the best entry points for improving the technology. With this broad analysis, the team of scientists aims to foster more focus and intentionality in future research.

"This is cross-cutting analysis to help people move forward," Schaidle added. "We are synthesizing all the science to give a clear blueprint for strategic research."

Slow but steady:Steps to decarbonizing chemical manufacturing

Schaidle and Grim are honest about the challenges ahead. After all, should we even try to electrify biomass conversion? Why convert CO₂ and not just capture it and put it underground?

"The short answer is that there are a lot of challenges," Grim said. "Petroleum- and fossil-based processes have had nearly a century head-start on some of these emerging technologies. Those systems are highly optimized, very well studied—and hydrocarbons have a lot of energy already built in."

With no energy content whatsoever, CO₂ must be pumped with massive amounts of cheap, clean energy to successfully transform it into something usable. Many electrochemical technologies for converting biomass intermediates have yet to be scaled beyond the lab—an essential step for demonstrating the stability, efficiency, and affordability of any bioenergy technology. Not least, robust supply chains of renewable electrons, CO₂ , and biomass are only just emerging.

"The jury is still out:Is this the best use of that abundant future electricity?" Grim asked. "We are still working to understand if these technologies are the best solution for addressing a lot of our climate issues."

Despite the challenges, Schaidle and Grim remain optimistic that these technologies can play a critical role in decarbonizing fuel and chemical manufacturing.

Supported by the U.S. Department of Energy Bioenergy Technologies Office, ARPA-E, and other energy programs, a range of targeted research projects are already helping push down the cost and increase the efficacy of such technologies. One NREL-led team, for instance, is exploring how to use electrochemistry to enable biorefineries to recycle waste CO₂ —increasing fuel yields by as much as 40% and decarbonizing the production of ethanol, as well as lipids.

With a nudge in the right direction, more breakthrough projects could be on the horizon.

"How do we guide this field to collectively accelerate everyone's work?" Schaidle said. "That's what we wanted to do—to take this blob of an amoeba and turn it into a foundational first step for people to build off of."

By gathering all the available data—standardizing it, making it comprehensible, giving it form—they hope they can collapse the timeline for improving the technologies. And with deadlines looming for making meaningful progress to lower climate-warming emissions, accelerating R&D could be just what is needed to start eliminating the weighty carbon footprint of making fuels and chemicals.