Fossila bränslen är ryggraden i den globala petrokemiska industrin, som förser världens växande befolkning med bränsle, plast, Kläder, konstgödsel med mera. En ny forskningsartikel, publiceras idag i Vetenskap , lägger ut en kurs för hur en alternativ teknik – förnybar elektrosyntes – skulle kunna inleda en mer hållbar kemisk industri, och i slutändan gör det möjligt för oss att lämna mycket mer olja och gas i marken.

Phil De Luna är tidningens huvudförfattare. Hans forskning vid University of Toronto Engineering involverade design och testning av katalysatorer för elektrosyntes, och i november förra året utsågs han till Forbes 30 under 30-listan över innovatörer i kategorin energi. Han och hans handledare professor Ted Sargent samarbetade på uppsatsen med ett internationellt team av forskare från Stanford University och TOTAL American Services, Inc.

U of T Engineering News slog sig ner med De Luna för att lära sig mer om hur förnybar elektrosyntes kunde ta "petro" ur petrokemikalier.

Kan du beskriva utmaningen du försöker lösa?

Vårt samhälle är beroende av fossila bränslen – de finns i allt från plasten i din telefon till de syntetiska fibrerna i dina kläder. En växande världsbefolkning och stigande levnadsstandard driver efterfrågan upp varje år.

Att förändra systemet kräver en massiv global omvandling. I vissa områden, vi har alternativ – t.ex. Elfordon kan ersätta förbränningsmotorer. Förnybar elektrosyntes skulle kunna göra något liknande för den petrokemiska industrin.

Vad är förnybar elektrosyntes?

Tänk på vad den petrokemiska industrin gör:det krävs tungt, långkedjiga kolmolekyler och använder hög värme och tryck för att bryta ner dem till grundläggande kemiska byggstenar. Sedan, dessa byggstenar sätts ihop till plast, gödselmedel, fibrer, etc.

Föreställ dig att istället för att använda fossila bränslen, du kan använda CO2 från luften. Och istället för att göra reaktionerna vid höga temperaturer och tryck, du kan göra de kemiska byggstenarna vid rumstemperatur med hjälp av innovativa katalysatorer och elektricitet från förnybara källor, som sol- eller vattenkraft. Det är förnybar elektrosyntes.

När vi väl har gjort den första omvandlingen, de kemiska byggstenarna passar in i vår befintliga infrastruktur, så det är ingen förändring i kvaliteten på produkterna. Om du gör det rätt, den övergripande processen är koldioxidneutral eller till och med koldioxidnegativ om den drivs helt av förnybar energi

Växter tar också CO2 från luften och gör den till material som trä, papper och bomull. Vad är fördelen med elektrosyntes?

Fördelarna är hastighet och genomströmning. Växter är bra på att omvandla CO2 till material, men de använder också sin energi till saker som ämnesomsättning och reproduktion, så de är inte särskilt effektiva. Det kan ta 10 till 15 år att odla ett ton användbart trä. Elektrosyntes skulle vara som att sätta CO2-avskiljnings- och omvandlingseffekten på 50, 000 träd i en låda lika stor som ett kylskåp.

Varför gör vi inte detta idag?

Det handlar om kostnaden; du måste bevisa att kostnaden för att tillverka en kemisk byggsten via elektrosyntes är i nivå med kostnaden för att tillverka den på konventionellt sätt.

Just nu finns det några begränsade applikationer. Till exempel, det mesta av vätet som används för att uppgradera tungolja kommer från naturgas, men cirka 4 % produceras nu genom elektrolys, det är, använder elektricitet för att dela upp vatten till väte och syre. I framtiden, vi skulle kunna göra något liknande för kolbaserade byggstenar.

Vad hittade din analys?

Vi fastställde att det finns två huvudfaktorer:den första är kostnaden för själva elen, och den andra är den elektriska-till-kemiska omvandlingseffektiviteten.

För att vara konkurrenskraftig med konventionella metoder, elen behöver kosta mindre än fyra cent per kilowattimme, och el-till-kemisk omvandlingseffektivitet måste vara 60 % eller högre.

Hur nära är vi?

Det finns vissa platser i världen där förnybar energi från solenergi kan kosta så lite som två eller tre cent per kilowattimme. Även på en plats som Quebec, som har riklig vattenkraft, det finns tider på året då el säljs till negativa priser, eftersom det inte finns något sätt att lagra det. Så, ur ett ekonomiskt potentiellt perspektiv, Jag tror att vi närmar oss i ett antal viktiga jurisdiktioner.

Det är svårare att designa katalysatorer som kan höja el-till-kemisk omvandlingseffektivitet, och det är vad jag ägnade mitt examensarbete åt. För eten, det bästa jag har sett är ungefär 35 % effektivitet, men för vissa andra byggstenar, som kolmonoxid, vi närmar oss 50%.

Självklart, allt detta har gjorts i laboratorier – det är mycket svårare att skala upp det till en växt som kan göra kiloton per dag. Men jag tror att det finns några applikationer där ute som visar lovande.

Kan du ge ett exempel på hur förnybar elektrosyntes skulle se ut?

Låt oss ta eten, som till volym är världens mest producerade petrokemikalier. Du kan i teorin göra eten med CO2 från luften – eller från ett avgasrör – med förnybar el och rätt katalysator. Du kan sälja eten till en plasttillverkare, vem skulle göra det till plastpåsar eller gräsmatta stolar eller vad som helst.

I slutet av sitt liv, du kan förbränna denna plast – eller någon annan kolintensiv form av avfall – fånga upp CO2, och starta processen om igen. Med andra ord, du har stängt kolslingan och eliminerat behovet av fossila bränslen.

Vad tycker du att fokus för framtida forskning bör ligga?

Jag har faktiskt precis tagit en position som programchef för Clean Energy Materials Challenge Program vid National Research Council of Canada. Jag bygger ett samarbetsforskningsprogram på 21 miljoner USD, så det här är något jag tänker mycket på!

Vi inriktar oss för närvarande på delar av den befintliga petrokemiska försörjningskedjan som lätt kan omvandlas till elektrosyntes. Där exemplet jag nämnde ovan, som är produktion av väte för olje- och gasuppgradering med hjälp av elektrolys.

En annan bra byggsten att sikta på skulle vara kolmonoxid, som idag främst tillverkas av förbränning av kol. Vi vet hur man gör det via elektrosyntes, så om vi kunde få upp effektiviteten, det skulle vara en drop-in lösning.

Hur passar förnybar elektrosyntes in i det stora landskapet av strategier för att minska utsläppen och bekämpa klimatförändringarna?

Jag har alltid sagt att det inte finns någon silverkula – istället tror jag att det vi behöver vad jag kallar en "silver buckshot"-strategi. Vi behöver återvunnet byggmaterial, vi behöver effektivare lysdioder för belysning, vi behöver bättre solceller och bättre batterier.

Men även om utsläppen från elnätet och transportnätet sjunkit till noll i morgon, det skulle inte hjälpa den petrokemiska industrin som levererar så många av de produkter vi använder varje dag. Om vi ​​kan börja med att elektrifiera delar av leveranskedjan, det är det första steget till att bygga ett alternativt system.