Los combustibles fósiles son la columna vertebral de la industria petroquímica mundial, que proporciona combustibles a la creciente población mundial, plástica, ropa, fertilizantes y más. Un nuevo trabajo de investigación, publicado hoy en Ciencias , traza un rumbo sobre cómo una tecnología alternativa, la electrosíntesis renovable, podría marcar el comienzo de una industria química más sostenible, y, en última instancia, permitirnos dejar mucho más petróleo y gas en el suelo.

Phil De Luna es el autor principal del artículo. Su investigación en la Universidad de Toronto Engineering involucró el diseño y prueba de catalizadores para electrosíntesis, y en noviembre pasado fue incluido en la lista Forbes 30 under 30 de innovadores en la categoría de Energía. Él y su supervisor, el profesor Ted Sargent, colaboraron en el artículo con un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Stanford y TOTAL American Services. C ª.

U of T Engineering News se sentó con De Luna para aprender más sobre cómo la electrosíntesis renovable podría eliminar el "petro" de los petroquímicos.

¿Puede describir el desafío que está tratando de resolver?

Nuestra sociedad es adicta a los combustibles fósiles; están presentes en todo, desde los plásticos de tu teléfono hasta las fibras sintéticas de tu ropa. Una población mundial en crecimiento y un nivel de vida en aumento están impulsando la demanda cada año.

Cambiar el sistema requiere una transformación global masiva. En algunas areas, tenemos alternativas, por ejemplo, Los vehículos eléctricos pueden sustituir a los motores de combustión interna. La electrosíntesis renovable podría hacer algo similar para la industria petroquímica.

¿Qué es la electrosíntesis renovable?

Piense en lo que hace la industria petroquímica:requiere moléculas de carbono de cadena larga y utiliza altas temperaturas y presión para descomponerlas en bloques de construcción químicos básicos. Luego, esos bloques de construcción se vuelven a ensamblar en plásticos, fertilizantes, fibras, etc.

Imagínese que en lugar de utilizar combustibles fósiles, podría utilizar CO2 del aire. Y en lugar de hacer las reacciones a altas temperaturas y presiones, podría fabricar los componentes químicos a temperatura ambiente utilizando catalizadores innovadores y electricidad de fuentes renovables, como la energía solar o hidroeléctrica. Eso es electrosíntesis renovable.

Una vez que hacemos esa transformación inicial, los componentes químicos encajan en nuestra infraestructura existente, por lo que no hay cambios en la calidad de los productos. Si lo haces bien, el proceso general es carbono neutral o incluso carbono negativo si se alimenta completamente con energía renovable

Las plantas también toman CO2 del aire y lo convierten en materiales como la madera, papel y algodón. ¿Cuál es la ventaja de la electrosíntesis?

Las ventajas son la velocidad y el rendimiento. Las plantas son excelentes para convertir CO2 en materiales, pero también usan su energía para cosas como el metabolismo y la reproducción, por lo que no son muy eficientes. Puede llevar de 10 a 15 años cultivar una tonelada de madera utilizable. La electrosíntesis sería como poner el poder de captura y conversión de CO2 de 50, 000 árboles en una caja del tamaño de un frigorífico.

¿Por qué no hacemos esto hoy?

Todo se reduce al costo; debe demostrar que el costo de fabricar un componente químico mediante electrosíntesis está a la par con el costo de producirlo de la forma convencional.

Ahora mismo hay algunas aplicaciones limitadas. Por ejemplo, la mayor parte del hidrógeno utilizado para mejorar el petróleo pesado proviene del gas natural, pero alrededor del 4% ahora se produce por electrólisis, es decir, utilizando electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. En el futuro, podríamos hacer algo similar con los bloques de construcción basados ​​en carbono.

¿Qué encontró su análisis?

Determinamos que hay dos factores principales:el primero es el costo de la electricidad en sí, y el segundo es la eficiencia de conversión eléctrica a química.

Para ser competitivo con los métodos convencionales, la electricidad debe costar menos de cuatro centavos por kilovatio-hora, y la eficiencia de conversión eléctrica a química debe ser del 60% o más.

¿Qué tan cerca estamos?

Hay algunos lugares en el mundo donde la energía renovable de la energía solar puede costar tan poco como dos o tres centavos por kilovatio-hora. Incluso en un lugar como Quebec, que tiene abundante energía hidroeléctrica, hay épocas del año en las que la electricidad se vende a precios negativos, porque no hay forma de almacenarlo. Entonces, desde una perspectiva de potencial económico, Creo que nos estamos acercando en varias jurisdicciones importantes.

Diseñar catalizadores que puedan aumentar la eficiencia de conversión eléctrica a química es más difícil, y es lo que me dediqué a hacer mi tesis. Para etileno, lo mejor que he visto es aproximadamente un 35% de eficiencia, pero para algunos otros componentes básicos, como el monóxido de carbono, nos acercamos al 50%.

Por supuesto, todo esto se ha hecho en laboratorios; es mucho más difícil escalar eso a una planta que puede producir kilotoneladas por día. Pero creo que hay algunas aplicaciones que son prometedoras.

¿Puede dar un ejemplo de cómo sería la electrosíntesis renovable?

Tomemos etileno que es por volumen el petroquímico más producido en el mundo. En teoría, podría producir etileno utilizando CO2 del aire, o de un tubo de escape, utilizando electricidad renovable y el catalizador adecuado. Podría vender el etileno a un fabricante de plástico, quién lo convertiría en bolsas de plástico o sillas de jardín o lo que sea.

Al final de su vida podría incinerar este plástico, o cualquier otra forma de desecho con alto contenido de carbono, capturar el CO2, y comience el proceso de nuevo. En otras palabras, ha cerrado el ciclo del carbono y eliminado la necesidad de combustibles fósiles.

¿Cuál cree que debería ser el enfoque de la investigación futura?

De hecho, acabo de asumir el cargo de Director del Programa del Desafío de Materiales de Energía Limpia en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. Estoy construyendo un programa de investigación colaborativa de 21 millones de dólares, ¡Así que esto es algo en lo que pienso mucho!

Actualmente estamos apuntando a partes de la cadena de suministro petroquímica existente que podrían convertirse fácilmente en electrosíntesis. Ahí el ejemplo que mencioné anteriormente, que es la producción de hidrógeno para la mejora de petróleo y gas mediante electrólisis.

Otro buen componente al que apuntar sería el monóxido de carbono, que hoy se produce principalmente a partir de la quema de carbón. Sabemos cómo hacerlo mediante electrosíntesis, así que si pudiéramos aumentar la eficiencia, esa sería una solución inmediata.

¿Cómo encaja la electrosíntesis renovable en el amplio panorama de estrategias para reducir las emisiones y combatir el cambio climático?

Siempre he dicho que no hay una solución mágica; en cambio, creo que lo que necesitamos es lo que yo llamo un enfoque de "perdigones de plata". Necesitamos materiales de construcción reciclados, necesitamos LED más eficientes para la iluminación, necesitamos mejores células solares y mejores baterías.

Pero incluso si las emisiones de la red eléctrica y la red de transporte cayeran a cero mañana, no haría nada para ayudar a la industria petroquímica que suministra tantos productos que usamos todos los días. Si podemos comenzar electrificando partes de la cadena de suministro, ese es el primer paso para construir un sistema alternativo.