I combustibili fossili sono la spina dorsale dell'industria petrolchimica globale, che fornisce combustibili alla crescente popolazione mondiale, plastica, capi di abbigliamento, fertilizzanti e altro. Un nuovo documento di ricerca, pubblicato oggi in Scienza , traccia un corso su come una tecnologia alternativa, l'elettrosintesi rinnovabile, potrebbe inaugurare un'industria chimica più sostenibile, e alla fine ci consentono di lasciare molto più petrolio e gas nel sottosuolo.

Phil De Luna è l'autore principale del giornale. La sua ricerca presso l'Università di Toronto Engineering ha riguardato la progettazione e il test di catalizzatori per l'elettrosintesi, e lo scorso novembre è stato inserito nell'elenco Forbes 30 under 30 degli innovatori nella categoria Energia. Lui e il suo supervisore, il professor Ted Sargent, hanno collaborato al documento con un team internazionale di ricercatori della Stanford University e TOTAL American Services, Inc.

U of T Engineering News ha incontrato De Luna per saperne di più su come l'elettrosintesi rinnovabile potrebbe eliminare il "petro" dai prodotti petrolchimici.

Puoi descrivere la sfida che stai cercando di risolvere?

La nostra società è dipendente dai combustibili fossili:sono presenti in qualsiasi cosa, dalla plastica del telefono alle fibre sintetiche dei vestiti. Una popolazione mondiale in crescita e l'aumento del tenore di vita fanno aumentare la domanda ogni anno.

Cambiare il sistema richiede una massiccia trasformazione globale. In alcune zone, abbiamo alternative, ad esempio i veicoli elettrici possono sostituire i motori a combustione interna. L'elettrosintesi rinnovabile potrebbe fare qualcosa di simile per l'industria petrolchimica.

Cos'è l'elettrosintesi rinnovabile?

Pensa a cosa fa l'industria petrolchimica:ci vuole pesante, molecole di carbonio a catena lunga e utilizza calore e pressione elevati per scomporle in blocchi chimici di base. Quindi, quei mattoni vengono riassemblati in plastica, fertilizzanti, fibre, eccetera.

Immagina che invece di usare combustibili fossili, potresti usare CO2 dall'aria. E invece di fare le reazioni ad alte temperature e pressioni, potresti realizzare gli elementi costitutivi chimici a temperatura ambiente utilizzando catalizzatori innovativi ed elettricità da fonti rinnovabili, come l'energia solare o idroelettrica. Questa è l'elettrosintesi rinnovabile.

Una volta che facciamo quella trasformazione iniziale, gli elementi costitutivi chimici si inseriscono nella nostra infrastruttura esistente, quindi non vi è alcun cambiamento nella qualità dei prodotti. Se lo fai bene, il processo complessivo è carbon neutral o addirittura carbon negative se alimentato completamente da energia rinnovabile

Le piante assorbono anche CO2 dall'aria e la trasformano in materiali come legno, carta e cotone. Qual è il vantaggio dell'elettrosintesi?

I vantaggi sono velocità e produttività. Le piante sono ottime nel trasformare la CO2 in materiali, ma usano anche la loro energia per cose come il metabolismo e la riproduzione, quindi non sono molto efficienti. Possono essere necessari dai 10 ai 15 anni per far crescere una tonnellata di legno utilizzabile. L'elettrosintesi sarebbe come mettere la capacità di cattura e conversione della CO2 di 50, 000 alberi in una scatola delle dimensioni di un frigorifero.

Perché non lo facciamo oggi?

Si riduce al costo; è necessario dimostrare che il costo per realizzare un elemento chimico tramite l'elettrosintesi è pari al costo della produzione in modo convenzionale.

In questo momento ci sono alcune applicazioni limitate. Per esempio, la maggior parte dell'idrogeno utilizzato per potenziare il petrolio pesante proviene dal gas naturale, ma circa il 4% è ora prodotto dall'elettrolisi, questo è, usando l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Nel futuro, potremmo fare qualcosa di simile per i mattoni a base di carbonio.

Cosa ha trovato la tua analisi?

Abbiamo determinato che ci sono due fattori principali:il primo è il costo dell'elettricità stessa, e il secondo è l'efficienza di conversione da elettrico a chimico.

Per essere competitivi con i metodi convenzionali, l'elettricità deve costare meno di quattro centesimi per chilowattora, e l'efficienza di conversione da elettrico a chimico deve essere pari o superiore al 60%.

Quanto siamo vicini?

Ci sono alcuni posti nel mondo in cui l'energia rinnovabile dal solare può costare fino a due o tre centesimi per chilowattora. Anche in un posto come il Quebec, che ha un'abbondante energia idroelettrica, ci sono periodi dell'anno in cui l'elettricità viene venduta a prezzi negativi, perché non c'è modo di conservarlo. Così, dal punto di vista del potenziale economico, Penso che ci stiamo avvicinando in una serie di importanti giurisdizioni.

Progettare catalizzatori in grado di aumentare l'efficienza di conversione da elettrico a chimico è più difficile, ed è quello che ho passato a fare la mia tesi. Per l'etilene, il migliore che ho visto è circa il 35% di efficienza, ma per alcuni altri elementi costitutivi, come il monossido di carbonio, ci stiamo avvicinando al 50%.

Certo, tutto questo è stato fatto in laboratorio:è molto più difficile scalarlo fino a un impianto in grado di produrre kilotonnellate al giorno. Ma penso che ci siano alcune applicazioni là fuori che sembrano promettenti.

Puoi fare un esempio di come sarebbe l'elettrosintesi rinnovabile?

Prendiamo l'etilene, che è in volume il petrolchimico più prodotto al mondo. In teoria si potrebbe produrre etilene utilizzando la CO2 dall'aria o da un tubo di scarico, utilizzando elettricità rinnovabile e il catalizzatore giusto. Potresti vendere l'etilene a un produttore di plastica, chi lo farebbe in sacchetti di plastica o sedie da giardino o altro.

Alla fine della sua vita, potresti incenerire questa plastica, o qualsiasi altra forma di rifiuto ad alta intensità di carbonio, catturare la CO2, e ricominciare tutto da capo. In altre parole, hai chiuso il ciclo del carbonio ed eliminato la necessità di combustibili fossili.

Quale pensi che dovrebbe essere il focus della ricerca futura?

In realtà ho appena preso una posizione come direttore del programma Clean Energy Materials Challenge presso il National Research Council of Canada. Sto costruendo un programma di ricerca collaborativa da 21 milioni di dollari, quindi questo è qualcosa a cui penso molto!

Attualmente stiamo prendendo di mira parti della catena di approvvigionamento petrolchimica esistente che potrebbero essere facilmente convertite in elettrosintesi. C'è l'esempio che ho citato sopra, che è la produzione di idrogeno per l'upgrading di petrolio e gas mediante elettrolisi.

Un altro buon elemento da prendere di mira sarebbe il monossido di carbonio, che oggi è principalmente prodotto dalla combustione del carbone. Sappiamo come farlo tramite l'elettrosintesi, quindi se potessimo aumentare l'efficienza, sarebbe una soluzione da buttare.

Come si inserisce l'elettrosintesi rinnovabile nel vasto panorama delle strategie per ridurre le emissioni e combattere il cambiamento climatico?

Ho sempre detto che non esiste una pallottola d'argento, invece penso che ciò di cui abbiamo bisogno sia quello che io chiamo un approccio "a pallettoni d'argento". Abbiamo bisogno di materiali da costruzione riciclati, abbiamo bisogno di LED più efficienti per l'illuminazione, abbiamo bisogno di celle solari migliori e batterie migliori.

Ma anche se domani le emissioni della rete elettrica e della rete dei trasporti scendessero a zero, non farebbe nulla per aiutare l'industria petrolchimica che fornisce tanti dei prodotti che usiamo ogni giorno. Se possiamo iniziare elettrizzando porzioni della catena di approvvigionamento, questo è il primo passo per costruire un sistema alternativo.