Udover fossilt kulstof? Grøn elektricitet åbner døre til lavemissionsalternativer til fremstilling af brændstoffer og kemikalier

Petroleum, kul og naturgas er ikke de eneste udgangspunkter for fremstilling af brændstoffer og kemikalier. Faktisk åbner voksende forsyninger af vedvarende elektricitet spændende nye døre til fremstilling af identiske produkter til potentielt en brøkdel af klimaomkostningerne.

Det begynder med en vindmølles eller et solpanels konstante drejning, der bager i eftermiddagssolen. En strøm løber gennem en elektrokemisk celle fyldt med kuldioxid (CO₂ ) – suget fra luften eller opsamlet fra et ethanolraffinaderi, cementfabrik eller anden industriel kilde.

Tilført af ioner og radikaler skabt af ladningen løsner carbonatomet i gassen sig fra sine iltnaboer og leder efter nye ledsagere at binde sig til. Det låser sig hurtigt til andet nyligt frigjort kulstof, såvel som brintatomer, der genereres i cellen.

Det nøjagtige molekyle, kulstoffet hjælper med at danne, afhænger af elektrokatalysatoren i cellen og den spænding, der blev påført i starten:

• Myresyre brugt som fødevaretilsætningsstof
• Kulmonoxid til fremstilling af adskillige andre kemikalier
• Ethylen – en forløber på det globale plastmarked
• Og mere.

Det er en elektrokemisk reaktion, en ny vej til opgradering af CO₂ og endda biomasse-afledte forbindelser til de mange plastik, rengøringsmidler, brændstoffer og forbindelser, der ligger til grund for den moderne økonomi.

Sammen med et bredere sæt af teknologier, der anvender vedvarende elektricitet til at syntetisere kemikalier og brændstoffer, giver teknologien et løfte om at hjælpe med at dekarbonisere tung industri. Men er de virkelig klar til markedet?

Om omkostningerne, risici og muligheder ved elektrificering af kemikalier og brændstofproduktion

"I bund og grund taler vi om et skæringspunkt mellem elektrificering og udnyttelse af kulstoffattige råvarer som kuldioxid og biomasse," sagde Joshua Schaidle, National Renewable Energy Laboratory (NREL) laboratorieprogramleder for det amerikanske energiministeriums kontor for fossil energi og Kulstofhåndtering. Schaidle leder også NRELs forskning i katalytisk kulstoftransformation og leder det amerikanske energiministeriums Chemical Catalysis for Bioenergy Consortium. "Der er drevet af vedvarende energi i stedet for fossil-baseret elektricitet, kan disse systemer tillade industrier at bevæge sig ud over fossilt kulstof."

Ifølge Schaidle og hans NREL-kollega Gary Grim kunne den alternative metode til fremstilling af brændstoffer og kemikalier være et kritisk værktøj til at dekarbonisere en økonomisk sektor, der ofte efterlader dybe kulstofaftryk i kølvandet.

I stedet for at opgrave "fossilt" kulstof, der er lagret under jorden, genbruger sådanne metoder "moderne" kulstof fundet i CO₂ eller biomasse. Og i stedet for at være afhængig af kulstofintensive energikilder, er de drevet af vedvarende, nul-emissionselektricitet. Resultatet kunne blive en brændstof- og kemikalieproduktionsproces, der er væsentligt mindre kulstofintensiv.

Alligevel er der stadig mange spørgsmål om omkostningerne, risici og tekniske udfordringer ved at fremstille kemikalier og brændstoffer fra grøn elektricitet og genanvendt kulstof. "Hvor er teknologierne i dag? Hvor kan de være i fremtiden? Og hvordan spiller det en rolle i de næste skridt og fremtidige forskningsbehov?" spurgte Schaidle.

I et par artikler udgivet i Energy and Environmental Science og ACS Energy Letters, Schaidle, Grim og kolleger udforsker disse spørgsmål og andre om det tekniske og økonomiske potentiale ved at elektrificere – og dekarbonisere – brændstof- og kemikalieproduktion.

Med masser af usikkerhed tilbage, håber de, at et sådant arbejde kan hjælpe med at markere vejen frem fra laboratoriebordet til den kommercielle verden.

Opgave 1:Økonomien ved kuldioxidudnyttelse

Undersøgelser tyder på, at der i dag findes teknologier til omdannelse af CO₂ ind i alle de mest verdenskendte kulstofbaserede kemikalier og produkter – et marked i øjeblikket domineret af fossile kulstofkilder.

For eksempel udledes der hvert år over 10 gigatons kulstof som CO₂ jorden rundt. Hvis det fanges og sendes gennem en elektrokemisk celle i stedet, vil CO₂ kan blive en råvareforsyning – en stor nok til at producere over 40 gange hele den globale produktion af ethylen og propylen.

I en Energi- og miljøvidenskab papir, "The Economic Outlook for Converting CO₂ and Electrons to Molecules," NREL-forskere Zhe Huang, Schaidle, Grim og Ling Tao analyserer økonomien ved elektrokemisk CO₂ udnyttelse i dag og i fremtiden. Artiklen overvejer adskillige teknologiske faktorer og omkostningsdrivere, der kan påvirke muligheden for at producere kemikalier, brændstoffer og materialer fra CO₂ og vedvarende elektricitet i stor skala.

"Vi ser bredt på tværs af flere teknologier til flere produkter," sagde Grim. "Nøglepunktet er, at vi bruger konsistente økonomiske antagelser til vores analyse."

Ifølge deres undersøgelse kan det snart være lige så omkostningseffektivt at lave nogle af de mest udbredte kemikalier ud af CO₂ og grøn elektricitet, som det er at lave dem ved hjælp af nuværende petroleumsbaserede metoder. Med den nuværende hastighed med faldende elpriser og forventede forbedringer i teknologien kan det endda blive billigere i nogle tilfælde.

"De fremskridt, vi ser, den aktivitet, vi ser - vi vil have kommercielle tilbud i de næste 5 til 10 år," sagde Schaidle. "Jeg tror, ​​der er muligheder for at komme ned til omkostningskonkurrenceevnen, især når man begynder at overveje eventuelle kulstoffattige kreditter, der følger med."

For at nå frem til sådanne konklusioner inkorporerer undersøgelsen en bred vifte af antagelser. Den tager hensyn til energipriserne og omkostningerne ved at bygge nye faciliteter eller installere nyt udstyr. Det tager hensyn til tekniske og kemiske påvirkninger, der kan påvirke en teknologis levedygtighed, såsom hastigheden eller effektiviteten af ​​en bestemt elektrokemisk reaktion.

Ikke mindst ser analysen nærmere på CO₂s påvirkning kilde og koncentration på prisen for at fremstille et givet kemikalie, det være sig kulilte, ethylen eller et kulbrintebrændstof. Hvor CO₂ hævert direkte fra atmosfæren er relativt fortyndet, f.eks. indfangning fra et kraftværk eller et bioraffinaderi giver højere koncentrationer.

For at gøre det nemmere at gennemsøge dataene bag deres analyse har Schaidle, Grim og deres kolleger udgivet et kraftfuldt online visualiseringsværktøj. Det inkluderer interaktive diagrammer over den økonomiske gennemførlighed og de vigtigste omkostningsdrivere ved at producere kemiske mellemprodukter fra CO₂ og elektricitet på tværs af fem forskellige konverteringsveje.

På den måde bliver takeaways fra avisen let tilgængelige for et bredt publikum. For eksempel konkluderer deres analyse, at kulilte er lavet af CO₂ og elektricitet via højtemperaturelektrolyse - en specifik form for elektrokemisk teknologi - ville være relativt dyrt efter nutidens standarder, til $0,38 pr. kilogram. Bevæg dig dog ind i den nærmeste fremtid, og økonomien vender. Undersøgelsen forudsiger, at prisen vil falde et godt stykke under dagens markedspris til $0,15 pr. kilogram.

"Er dette en realitet? Hvor tæt kan vi komme på et omkostningskonkurrencedygtigt grundlag?" reflekterede Schaidle. "Hvad er de udøvende eller ikke-optrædende?"

Med det nye papir- og visualiseringsværktøj er det nemmere end nogensinde før at nå frem til svar.

Opgave 2:Status for elektrokemisk omdannelse af rigelig biomasse

Ifølge det amerikanske energiministerium kan biomasseressourcer i USA udnyttes til at producere op til 50 milliarder gallons biobrændstof hvert år, mere end nok til at dække hele den amerikanske efterspørgsel efter flybrændstof.

Men hvor kulstoffet i CO₂ danner en simpel kemisk konfiguration - en gas med en del kulstof, to dele oxygen - det fornyelige kulstof i den rigelige biomasse er integreret i fibrøse netværk af lignin og kulhydrater. Det gør udgangspunktet for at lave kemikalier med biomasse fundamentalt anderledes.

Biomasse – som omfatter energiafgrøder, skovbrugsaffald og andet organisk materiale – skal først opdeles i kemiske mellemprodukter:polyoler, furaner, carboxylsyrer, aminosyrer, lignin og andre. 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.