Sådan tager du petroen ud af den petrokemiske industri

Fossile brændstoffer er rygraden i den globale petrokemiske industri, som forsyner verdens voksende befolkning med brændstof, plastik, tøj, gødning og mere. Et nyt forskningspapir, offentliggjort i dag i Videnskab , udstikker et kursus for, hvordan en alternativ teknologi – vedvarende elektrosyntese – kunne indlede en mere bæredygtig kemisk industri, og i sidste ende gøre det muligt for os at efterlade meget mere olie og gas i jorden.

Phil De Luna er avisens hovedforfatter. Hans forskning ved University of Toronto Engineering involverede design og test af katalysatorer til elektrosyntese, og i november sidste år blev han udnævnt til Forbes 30 under 30-listen over innovatører i kategorien Energi. Han og hans vejleder professor Ted Sargent samarbejdede om papiret med et internationalt team af forskere fra Stanford University og TOTAL American Services, Inc.

U of T Engineering News satte sig ned med De Luna for at lære mere om, hvordan vedvarende elektrosyntese kunne tage "petroen" ud af petrokemikalier.

Kan du beskrive den udfordring, du forsøger at løse?

Vores samfund er afhængige af fossile brændstoffer – de er i alt fra plastikken i din telefon til de syntetiske fibre i dit tøj. En voksende verdensbefolkning og stigende levestandard øger efterspørgslen hvert år.

At ændre systemet kræver en massiv global transformation. I nogle områder, vi har alternativer – f.eks. elbiler kan erstatte forbrændingsmotorer. Vedvarende elektrosyntese kunne gøre noget lignende for den petrokemiske industri.

Hvad er vedvarende elektrosyntese?

Tænk på, hvad den petrokemiske industri gør:det kræver tungt, langkædede kulstofmolekyler og bruger høj varme og tryk til at nedbryde dem til grundlæggende kemiske byggesten. Derefter, disse byggeklodser samles igen til plastik, gødning, fibre, etc.

Forestil dig, at i stedet for at bruge fossile brændstoffer, du kunne bruge CO2 fra luften. Og i stedet for at udføre reaktionerne ved høje temperaturer og tryk, du kunne lave de kemiske byggesten ved stuetemperatur ved hjælp af innovative katalysatorer og elektricitet fra vedvarende kilder, såsom solenergi eller vandkraft. Det er vedvarende elektrosyntese.

Når vi først har lavet den indledende transformation, de kemiske byggesten passer ind i vores eksisterende infrastruktur, så der er ingen ændringer i kvaliteten af ​​produkterne. Hvis du gør det rigtigt, den overordnede proces er kulstofneutral eller endda kulstofnegativ, hvis den drives fuldstændig af vedvarende energi

Planter tager også CO2 fra luften og laver den til materialer som træ, papir og bomuld. Hvad er fordelen ved elektrosyntese?

Fordelene er hastighed og gennemløb. Planter er gode til at omdanne CO2 til materialer, men de bruger også deres energi til ting som stofskifte og reproduktion, så de er ikke særlig effektive. Det kan tage 10 til 15 år at dyrke et ton brugbart træ. Elektrosyntese ville være som at sætte CO2-opsamlings- og konverteringskraften på 50, 000 træer i en kasse på størrelse med et køleskab.

Hvorfor gør vi det ikke i dag?

Det kommer ned til omkostningerne; du skal bevise, at omkostningerne ved at lave en kemisk byggesten via elektrosyntese er på niveau med omkostningerne ved at fremstille den på den konventionelle måde.

Lige nu er der nogle begrænsede applikationer. For eksempel, det meste af den brint, der bruges til at opgradere svær olie, kommer fra naturgas, men omkring 4% produceres nu ved elektrolyse, det er, bruge elektricitet til at spalte vand til brint og ilt. I fremtiden, vi kunne gøre noget lignende for kulstofbaserede byggeklodser.

Hvad fandt din analyse frem?

Vi fandt ud af, at der er to hovedfaktorer:den første er prisen på selve elektriciteten, og den anden er den elektrisk-til-kemiske konverteringseffektivitet.

For at være konkurrencedygtig med konventionelle metoder, elektricitet skal koste mindre end fire cents per kilowatt-time, og den elektrisk-til-kemiske konverteringseffektivitet skal være 60 % eller mere.

Hvor tæt er vi?

Der er nogle steder i verden, hvor vedvarende energi fra solenergi kan koste så lidt som to eller tre cent per kilowatt-time. Selv på et sted som Quebec, som har rigelig vandkraft, der er tidspunkter på året, hvor elektricitet sælges til negative priser, fordi der ikke er nogen måde at opbevare det på. Så, fra et økonomisk potentialeperspektiv, Jeg tror, ​​vi nærmer os i en række vigtige jurisdiktioner.

Det er sværere at designe katalysatorer, der kan øge den elektrisk-til-kemiske konverteringseffektivitet, og det er det, jeg brugte mit speciale på. For ethylen, det bedste jeg har set er omkring 35 % effektivitet, men for nogle andre byggeklodser, såsom kulilte, vi nærmer os 50 %.

Selvfølgelig, alt dette er blevet gjort i laboratorier – det er meget sværere at skalere det op til en plante, der kan lave kilotons pr. dag. Men jeg tror, ​​der er nogle applikationer derude, som viser lovende.

Kan du give et eksempel på, hvordan vedvarende elektrosyntese ville se ud?

Lad os tage ethylen, som volumenmæssigt er verdens mest producerede petrokemikalie. Du kan i teorien lave ethylen ved hjælp af CO2 fra luften - eller fra et udstødningsrør - ved hjælp af vedvarende elektricitet og den rigtige katalysator. Du kunne sælge ethylenet til en plastikproducent, hvem ville gøre det til plastikposer eller plænestole eller hvad som helst.

I slutningen af ​​sit liv, du kan forbrænde denne plastik – eller enhver anden kulstofintensiv form for affald – opfange CO2, og start processen forfra. Med andre ord, du har lukket kulstofkredsløbet og elimineret behovet for fossile brændstoffer.

Hvad mener du, at fokus for fremtidig forskning bør være?

Jeg har faktisk lige taget stilling som programdirektør for Clean Energy Materials Challenge Program ved National Research Council of Canada. Jeg er ved at bygge et $21M samarbejdende forskningsprogram, så det er noget jeg tænker meget over!

Vi er i øjeblikket målrettet mod dele af den eksisterende petrokemiske forsyningskæde, der nemt kan omdannes til elektrosyntese. Der er eksemplet jeg nævnte ovenfor, som er produktion af brint til olie- og gasopgradering ved hjælp af elektrolyse.

En anden god byggesten at målrette mod ville være kulilte, som i dag primært produceres af afbrænding af kul. Vi ved, hvordan man laver det via elektrosyntese, så hvis vi kunne få effektiviteten op, det ville være en drop-in løsning.

Hvordan passer vedvarende elektrosyntese ind i det store landskab af strategier til at reducere emissioner og bekæmpe klimaændringer?

Jeg har altid sagt, at der ikke er nogen sølvkugle - i stedet tænker jeg, at det, vi har brug for, hvad jeg kalder en "sølvbøtte"-tilgang. Vi har brug for genbrugte byggematerialer, vi har brug for mere effektive lysdioder til belysning, vi har brug for bedre solceller og bedre batterier.

Men selvom emissionerne fra elnettet og transportnettet faldt til nul i morgen, det ville ikke gøre noget for at hjælpe den petrokemiske industri, der leverer så mange af de produkter, vi bruger hver dag. Hvis vi kan starte med at elektrificere dele af forsyningskæden, det er det første skridt til at bygge et alternativt system.