Petróleo, carvão e gás natural não são os únicos pontos de partida para a fabricação de combustíveis e produtos químicos. De fato, o fornecimento crescente de eletricidade renovável abre novas e empolgantes portas para a fabricação de produtos idênticos potencialmente por uma fração do custo climático.
Começa com o giro constante de uma turbina eólica ou um painel solar assando no sol do meio da tarde. Uma corrente flui através de uma célula eletroquímica cheia de dióxido de carbono (CO₂ )—sifão do ar ou capturado de uma refinaria de etanol, fábrica de cimento ou outra fonte industrial.

Energizado por íons e radicais criados pela carga, o átomo de carbono no gás se descola de seus vizinhos de oxigênio e procura novos companheiros para se unir. Ele rapidamente se prende a outro carbono recém-liberado, bem como a átomos de hidrogênio que são gerados na célula.

A molécula exata que o carbono ajuda a formar depende do eletrocatalisador na célula e da voltagem aplicada no início:

• Ácido fórmico usado como aditivo alimentar
• Monóxido de carbono para fazer vários outros produtos químicos
• Etileno—um precursor no mercado global de plásticos
• E muito mais.

É uma reação eletroquímica, um caminho emergente para atualizar CO₂ e até mesmo compostos derivados de biomassa em muitos plásticos, detergentes, combustíveis e compostos que sustentam a economia moderna.

Juntamente com um conjunto mais amplo de tecnologias que utilizam eletricidade renovável para sintetizar produtos químicos e combustíveis, a tecnologia promete ajudar a descarbonizar a indústria pesada. Mas eles estão realmente prontos para o mercado?

Sobre os custos, riscos e oportunidades da produção de produtos químicos e combustíveis eletrificantes

“Essencialmente, estamos falando de uma interseção de eletrificação e utilização de matérias-primas de baixo carbono, como dióxido de carbono e biomassa”, disse Joshua Schaidle, gerente do programa de laboratório do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Escritório de Energia Fóssil e Energia Fóssil do Departamento de Energia dos EUA. Gestão de Carbono. Schaidle também lidera a pesquisa de transformação catalítica de carbono do NREL e dirige o Consórcio de Catálise Química para Bioenergia do Departamento de Energia dos EUA. “Abastecidos por energia renovável em vez de eletricidade baseada em fósseis, esses sistemas podem permitir que as indústrias ultrapassem o carbono fóssil”.

De acordo com Schaidle e seu colega do NREL, Gary Grim, esse método alternativo de fabricação de combustíveis e produtos químicos pode ser uma ferramenta crítica na descarbonização de um setor econômico que muitas vezes deixa profundas pegadas de carbono em seu rastro.

Em vez de dragar o carbono "fóssil" armazenado no subsolo, esses métodos reciclam o carbono "moderno" encontrado no CO₂ ou biomassa. E, em vez de depender de fontes de energia intensivas em carbono, elas são alimentadas por eletricidade renovável e de emissão zero. O resultado pode ser um processo de produção de combustível e produtos químicos que é significativamente menos intensivo em carbono.

Ainda assim, muitas questões permanecem sobre os custos, riscos e desafios técnicos de fabricar produtos químicos e combustíveis a partir de eletricidade verde e carbono reciclado. "Onde estão as tecnologias hoje? Onde elas poderiam estar no futuro? E como isso desempenha um papel nos próximos passos e nas futuras necessidades de pesquisa?" perguntou Schaidle.

Em um par de artigos publicados em Energy and Environmental Science e Cartas de Energia ACS, Schaidle, Grim e colegas exploram essas e outras questões sobre o potencial técnico e econômico da eletrificação – e descarbonização – da produção de combustíveis e produtos químicos.

Com muita incerteza restante, eles esperam que esse trabalho possa ajudar a marcar o caminho da bancada do laboratório para o mundo comercial.

Documento 1:A economia da utilização de dióxido de carbono

Estudos sugerem que existem hoje tecnologias para converter CO₂ em todos os principais produtos químicos e produtos à base de carbono consumidos globalmente - um mercado atualmente dominado por fontes fósseis de carbono.

Por exemplo, a cada ano, mais de 10 gigatoneladas de carbono são emitidas como CO₂ em todo o mundo. Se capturado e enviado através de uma célula eletroquímica, esse CO₂ pode se tornar um suprimento de matéria-prima – grande o suficiente para produzir mais de 40 vezes toda a produção global de eteno e propeno.

Em uma Ciência Energética e Ambiental artigo, "As Perspectivas Econômicas para a Conversão de CO₂ e elétrons para moléculas", os pesquisadores do NREL Zhe Huang, Schaidle, Grim e Ling Tao analisam a economia do CO eletroquímico₂ utilização hoje e no futuro. O documento considera vários fatores de tecnologia e direcionadores de custos que podem afetar a viabilidade de produzir produtos químicos, combustíveis e materiais a partir de CO₂ e eletricidade renovável em escala.

"Examinamos várias tecnologias para vários produtos", disse Grim. "O ponto-chave é que estamos usando suposições econômicas consistentes para nossa análise."

De acordo com o estudo deles, em breve poderá ser tão econômico fazer alguns dos produtos químicos mais usados ​​​​de CO₂ e eletricidade verde, pois é fazê-los usando os métodos atuais baseados em petróleo. No ritmo atual de queda dos preços da eletricidade e melhorias esperadas na tecnologia, pode até se tornar mais barato em alguns casos.

"Os avanços que estamos vendo, a atividade que estamos vendo - teremos ofertas comerciais nos próximos 5 a 10 anos", disse Schaidle. "Acho que há oportunidades para reduzir a competitividade de custos, especialmente quando você começa a considerar quaisquer créditos de baixo carbono que surjam."

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.