Os combustíveis fósseis são a espinha dorsal da indústria petroquímica global, que fornece combustíveis à crescente população mundial, plásticos, confecções, fertilizantes e muito mais. Um novo artigo de pesquisa, publicado hoje em Ciência , traça um curso de como uma tecnologia alternativa - eletrossíntese renovável - poderia inaugurar uma indústria química mais sustentável, e, em última análise, nos permite deixar muito mais petróleo e gás no solo.

Phil De Luna é o autor principal do artigo. Sua pesquisa na University of Toronto Engineering envolveu o projeto e teste de catalisadores para eletrossíntese, e em novembro passado ele foi nomeado para a lista da Forbes 30 under 30 de inovadores na categoria de Energia. Ele e seu supervisor, o professor Ted Sargent, colaboraram no trabalho com uma equipe internacional de pesquisadores da Universidade de Stanford e da TOTAL American Services, Inc.

A U of T Engineering News conversou com De Luna para aprender mais sobre como a eletrossíntese renovável poderia tirar o "petro" da petroquímica.

Você pode descrever o desafio que está tentando resolver?

Nossa sociedade é viciada em combustíveis fósseis - eles estão em tudo, desde os plásticos em seu telefone às fibras sintéticas em suas roupas. O crescimento da população mundial e o aumento dos padrões de vida estão aumentando a demanda a cada ano.

Mudar o sistema requer uma transformação global massiva. Em algumas áreas, temos alternativas, por exemplo, os veículos elétricos podem substituir os motores de combustão interna. A eletrossíntese renovável poderia fazer algo semelhante para a indústria petroquímica.

O que é eletrossíntese renovável?

Pense no que a indústria petroquímica faz:pega pesado, moléculas de carbono de cadeia longa e usa alto calor e pressão para quebrá-las em blocos de construção químicos básicos. Então, esses blocos de construção são remontados em plásticos, fertilizantes, fibras, etc.

Imagine que, em vez de usar combustíveis fósseis, você poderia usar o CO2 do ar. E em vez de fazer as reações em altas temperaturas e pressões, você poderia fazer os blocos de construção químicos em temperatura ambiente usando catalisadores inovadores e eletricidade de fontes renováveis, como energia solar ou hidrelétrica. Isso é eletrossíntese renovável.

Depois de fazer essa transformação inicial, os blocos de construção químicos se encaixam em nossa infraestrutura existente, portanto, não há alteração na qualidade dos produtos. Se você fizer isso direito, o processo geral é neutro em carbono ou mesmo negativo em carbono se alimentado completamente por energia renovável

As plantas também retiram CO2 do ar e o transformam em materiais como madeira, papel e algodão. Qual é a vantagem da eletrossíntese?

As vantagens são velocidade e rendimento. As plantas são ótimas para transformar CO2 em materiais, mas também usam sua energia para coisas como metabolismo e reprodução, então eles não são muito eficientes. Pode levar de 10 a 15 anos para cultivar uma tonelada de madeira utilizável. A eletrossíntese seria como colocar o poder de captura e conversão de CO2 de 50, 000 árvores em uma caixa do tamanho de uma geladeira.

Por que não fazemos isso hoje?

Tudo se resume ao custo; você precisa provar que o custo de fazer um bloco de construção químico por meio da eletrossíntese é equivalente ao custo de produzi-lo da maneira convencional.

No momento, existem alguns aplicativos limitados. Por exemplo, a maior parte do hidrogênio usado para atualizar o petróleo pesado vem do gás natural, mas cerca de 4% é agora produzido por eletrólise, isso é, usando eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. No futuro, poderíamos fazer algo semelhante para os blocos de construção baseados em carbono.

O que sua análise encontrou?

Determinamos que existem dois fatores principais:o primeiro é o custo da eletricidade em si, e a segunda é a eficiência da conversão elétrica em química.

Para ser competitivo com os métodos convencionais, a eletricidade precisa custar menos de quatro centavos por quilowatt-hora, e a eficiência da conversão elétrica em química deve ser 60% ou mais.

Quão perto estamos?

Existem alguns lugares no mundo onde a energia renovável solar pode custar apenas dois ou três centavos por quilowatt-hora. Mesmo em um lugar como Quebec, que tem energia hídrica abundante, há épocas do ano em que a eletricidade é vendida a preços negativos, porque não há como armazená-lo. Então, de uma perspectiva de potencial econômico, Acho que estamos chegando perto em várias jurisdições importantes.

Projetar catalisadores que podem aumentar a eficiência de conversão elétrica em química é mais difícil, e foi o que passei minha tese fazendo. Para etileno, o melhor que vi é cerca de 35% de eficiência, mas para alguns outros blocos de construção, como monóxido de carbono, estamos nos aproximando de 50%.

Claro, tudo isso foi feito em laboratórios - é muito mais difícil escalar para uma planta que pode fazer quilotoneladas por dia. Mas acho que existem algumas aplicações por aí que se mostram promissoras.

Você pode dar um exemplo de como seria a eletrossíntese renovável?

Vamos pegar etileno, que é em volume a petroquímica mais produzida do mundo. Em teoria, você poderia fazer etileno usando CO2 do ar - ou de um tubo de escape - usando eletricidade renovável e o catalisador certo. Você poderia vender o etileno para um fabricante de plástico, quem iria transformá-lo em sacos plásticos ou cadeiras de jardim ou o que quer que seja.

No final de sua vida, você poderia incinerar este plástico - ou qualquer outra forma intensiva de carbono de resíduos - capturar o CO2, e reinicie o processo. Em outras palavras, você fechou o ciclo do carbono e eliminou a necessidade de combustíveis fósseis.

Qual você acha que deveria ser o foco de pesquisas futuras?

Na verdade, acabei de assumir o cargo de Diretor do Programa Desafio de Materiais de Energia Limpa do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá. Estou construindo um programa de pesquisa colaborativa de US $ 21 milhões, então isso é algo que eu penso muito!

Atualmente, estamos visando partes da cadeia de abastecimento petroquímica existente que poderiam ser facilmente convertidas em eletrossíntese. Aí está o exemplo que mencionei acima, que é a produção de hidrogênio para aproveitamento de óleo e gás usando eletrólise.

Outro bom bloco de construção para atingir seria o monóxido de carbono, que hoje é produzido principalmente a partir da queima de carvão. Nós sabemos como fazer isso por meio de eletrossíntese, então, se pudéssemos aumentar a eficiência, isso seria uma solução drop-in.

Como a eletrossíntese renovável se encaixa no amplo cenário de estratégias para reduzir as emissões e combater as mudanças climáticas?

Sempre disse que não há bala de prata - em vez disso, acho que precisamos do que chamo de abordagem de "chumbo grosso de prata". Precisamos de materiais de construção reciclados, precisamos de LEDs mais eficientes para iluminação, precisamos de melhores células solares e melhores baterias.

Mas mesmo se as emissões da rede elétrica e da rede de transporte caíssem para zero amanhã, não ajudaria em nada a indústria petroquímica, que fornece tantos dos produtos que usamos todos os dias. Se pudermos começar eletrificando partes da cadeia de abastecimento, esse é o primeiro passo para construir um sistema alternativo.