Petrolio, carbone e gas naturale non sono gli unici punti di partenza per la produzione di combustibili e prodotti chimici. In effetti, le crescenti forniture di elettricità rinnovabile aprono nuove entusiasmanti porte per realizzare prodotti identici potenzialmente a una frazione del costo climatico.

Inizia con il giro costante di una turbina eolica o di un pannello solare che cuoce nel sole di metà pomeriggio. Una corrente scorre attraverso una cella elettrochimica riempita di anidride carbonica (CO₂ )—risucchiato dall'aria o catturato da una raffineria di etanolo, da un cementificio o da un'altra fonte industriale.

Energizzato dagli ioni e dai radicali creati dalla carica, l'atomo di carbonio nel gas si scolla dai suoi vicini di ossigeno e cerca nuovi compagni con cui legarsi. Si aggancia rapidamente ad altro carbonio appena liberato, nonché agli atomi di idrogeno che vengono generati nella cellula.

L'esatta molecola che il carbonio aiuta a formare dipende dall'elettrocatalizzatore nella cella e dalla tensione applicata all'inizio:

• Acido formico utilizzato come additivo alimentare
• Monossido di carbonio per la produzione di numerosi altri prodotti chimici
• Etilene:un precursore nel mercato globale delle materie plastiche
• E altro ancora.

È una reazione elettrochimica, un percorso emergente per l'aggiornamento della CO₂ e persino composti derivati ​​dalla biomassa nelle molte materie plastiche, detergenti, combustibili e composti che stanno alla base dell'economia moderna.

Accanto a un insieme più ampio di tecnologie che utilizzano elettricità rinnovabile per sintetizzare sostanze chimiche e combustibili, la tecnologia promette di aiutare a decarbonizzare l'industria pesante. Ma sono davvero pronte per il mercato?

Sui costi, i rischi e le opportunità dell'elettrificazione della produzione di sostanze chimiche e combustibili

"In sostanza, stiamo parlando di un'intersezione tra elettrificazione e utilizzo di materie prime a basse emissioni di carbonio come l'anidride carbonica e la biomassa", ha affermato Joshua Schaidle, responsabile del programma di laboratorio del National Renewable Energy Laboratory (NREL) per l'Ufficio per l'energia fossile del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e Gestione del carbonio. Schaidle guida anche la ricerca sulla trasformazione catalitica del carbonio di NREL e dirige il Consorzio di catalisi chimica per la bioenergia del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. "Alimentati da energia rinnovabile invece che da elettricità di origine fossile, questi sistemi potrebbero consentire alle industrie di andare oltre il carbonio fossile."

Secondo Schaidle e il suo collega di NREL Gary Grim, quel metodo alternativo per produrre combustibili e prodotti chimici potrebbe essere uno strumento fondamentale per decarbonizzare un settore economico che spesso lascia profonde impronte di carbonio sulla sua scia.

Invece di dragare il carbonio "fossile" immagazzinato nel sottosuolo, tali metodi riciclano il carbonio "moderno" trovato nella CO₂ o biomassa. E invece di fare affidamento su fonti di energia ad alta intensità di carbonio, sono alimentati da elettricità rinnovabile a emissioni zero. Il risultato potrebbe essere un processo di produzione di carburanti e sostanze chimiche significativamente meno carbon intensive.

Tuttavia, rimangono molte domande sui costi, sui rischi e sulle sfide tecniche legate alla produzione di sostanze chimiche e combustibili da elettricità verde e carbonio riciclato. "Dove sono le tecnologie oggi? Dove potrebbero essere in futuro? E in che modo questo gioca un ruolo nei prossimi passi e nelle future esigenze di ricerca?" chiese Schaidle.

In un paio di articoli pubblicati su Energy and Environmental Science e Lettere sull'energia ACS, Schaidle, Grim e colleghi esplorano queste e altre domande sul potenziale tecnico ed economico dell'elettrificazione e della decarbonizzazione della produzione di combustibili e prodotti chimici.

Con molte incertezze residue, sperano che svolgere questo lavoro possa aiutare a segnare il percorso dal banco di lavoro al mondo commerciale.

Documento 1:L'economia dell'utilizzo dell'anidride carbonica

Gli studi suggeriscono che oggi esistono tecnologie per la conversione di CO₂ in tutti i prodotti chimici e prodotti a base di carbonio più consumati a livello globale, un mercato attualmente dominato da fonti fossili di carbonio.

Ad esempio, ogni anno oltre 10 gigatonnellate di carbonio vengono emesse come CO₂ Intorno al mondo. Se catturato e inviato invece attraverso una cella elettrochimica, quel CO₂ può diventare una fornitura di materia prima, abbastanza grande da produrre oltre 40 volte l'intera produzione globale di etilene e propilene.

In una Scienza Energetica e Ambientale documento, "The Economic Outlook for Converting CO₂ e dagli elettroni alle molecole", i ricercatori NREL Zhe Huang, Schaidle, Grim e Ling Tao analizzano l'economia della CO₂ elettrochimica utilizzo oggi e in futuro. Il documento prende in considerazione numerosi fattori tecnologici e fattori di costo che potrebbero influire sulla fattibilità della produzione di sostanze chimiche, combustibili e materiali da CO₂ ed elettricità rinnovabile su larga scala.

"Diamo uno sguardo ampio su più tecnologie a più prodotti", ha affermato Grim. "Il punto chiave è che stiamo utilizzando ipotesi economiche coerenti per la nostra analisi."

Secondo il loro studio, presto potrebbe essere altrettanto conveniente ricavare dalla CO₂ alcune delle sostanze chimiche più utilizzate ed elettricità verde com'è per produrli usando gli attuali metodi basati sul petrolio. Al ritmo attuale del calo dei prezzi dell'elettricità e dei previsti miglioramenti tecnologici, in alcuni casi potrebbe anche diventare più economico.

"The advancements we are seeing, the activity we are seeing—we will have commercial offerings in the next 5 to 10 years," Schaidle said. "I think there are opportunities to get down to cost competitiveness, especially as you start to consider any low-carbon credits that come along."

To arrive at such conclusions, the study incorporates a broad range of assumptions. It considers energy prices and the cost to build new facilities or install new equipment. It factors in technical and chemical influences that could impact the viability of a technology, such as the speed or efficiency of a certain electrochemical reaction.

Not least, the analysis takes a close look at the impact of CO₂ source and concentration on the price to make a given chemical, be it carbon monoxide, ethylene, or a hydrocarbon fuel. Where CO₂ siphoned directly from the atmosphere is relatively dilute, for example, capturing it from a power plant or biorefinery yields higher concentrations.

To make it easier to sift through the data behind their analysis, Schaidle, Grim, and their colleagues have published a powerful online visualization tool. It includes interactive charts on the economic feasibility and key cost drivers of producing chemical intermediates from CO₂ and electricity across five different conversion pathways.

In this way, the takeaways from the paper become easily accessible for a broad audience. For example, their analysis concludes that carbon monoxide made from CO₂ and electricity via high-temperature electrolysis—a specific kind of electrochemical technology—would be relatively expensive by today's standards, at $0.38 per kilogram. Move into the near future, however, and the economics flip. The study projects the price to fall well below today's market price to $0.15 per kilogram.

"Is this a reality? How close can we get on a cost-competitive basis?" reflected Schaidle. "What are the performers or non-performers?"

With the new paper and visualization tool, arriving at answers is easier than ever before.

Paper 2:The status of electrochemical conversion of plentiful biomass

According to the U.S. Department of Energy, biomass resources in the United States could be harnessed to produce up to 50 billion gallons of biofuel each year, more than enough to cover the entire U.S. demand for jet fuel.

But where the carbon in CO₂ forms a simple chemical configuration—a gas with one part carbon, two parts oxygen—the renewable carbon in that plentiful biomass is integrated into fibrous networks of lignin and carbohydrates. That makes the starting point for making chemicals with biomass fundamentally different.

Biomass—which includes energy crops, forestry waste, and other organic matter—must first be broken apart into chemical intermediates:polyols, furans, carboxylic acids, amino acids, lignin, and others. 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.