Idrocarburo elettrizzato

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1954 (2023) Citare questo articolo

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La produzione chimica è tra le principali fonti di gas serra. Più della metà delle emissioni associate sono attribuibili alla somma di ammoniaca più sostanze ossigenate come metanolo, glicole etilenico e acido tereftalico. Qui esploriamo l’impatto dei sistemi elettrolizzatori che accoppiano la conversione anodica da idrocarburo in ossigeno alimentata elettricamente con la reazione di evoluzione catodica di H2 dall’acqua. Abbiamo scoperto che, una volta sviluppata la conversione anodica da idrocarburi a ossigenati con elevata selettività, le emissioni di gas serra associate alla produzione di NH3 e ossigenati di origine fossile possono essere ridotte fino all’88%. Segnaliamo che l’elettricità a basse emissioni di carbonio non è obbligatoria per consentire una riduzione netta delle emissioni di gas serra: le emissioni globali dell’industria chimica possono essere ridotte fino al 39% anche con l’elettricità con l’impronta di carbonio per MWh disponibile oggi negli Stati Uniti o in Cina. Concludiamo con considerazioni e raccomandazioni per i ricercatori che desiderano intraprendere questa direzione di ricerca.

La produzione chimica è tra le principali fonti di gas serra (GHG), rappresentando il 18% delle emissioni industriali globali1. Di queste emissioni di sostanze chimiche, l’85% deriva dal grande consumo di energia e materie prime di origine fossile, mentre il 15% sono emissioni dirette derivanti dall’imperfetta selettività degli attuali metodi di produzione termochimica: una percentuale significativa delle materie prime idrocarburiche viene ossidata durante tutto il processo di produzione. verso l'anidride carbonica (CO2) invece che verso il prodotto parzialmente ossidato desiderato2. Pertanto, per diventare completamente carbon-neutral, non è sufficiente semplicemente cambiare la fonte energetica dai combustibili fossili alle energie rinnovabili: i processi odierni devono essere sostituiti da alternative che non ossidino gli idrocarburi fino alla CO2.

Considerando tutte le sostanze chimiche, oltre il 50% delle emissioni di gas serra sono attribuibili alla somma di ammoniaca (NH3) più sostanze ossigenate come metanolo, ossido di etilene, glicole etilenico, ossido di propilene, fenolo e acido tereftalico, che contengono ossigeno come parte della loro composizione chimica. struttura2. Una ricerca dedicata su nuovi processi per la produzione di queste sostanze chimiche può quindi ottenere un impatto notevole nella riduzione delle emissioni nette di gas serra.

La produzione di composti ossigenati tramite ossidazione parziale di idrocarburi come etilene, propilene e p-xilene è importante per l'industria della plastica e del tessile. Questi processi avvengono tipicamente a temperature e pressioni elevate per attivare gli idrocarburi inerti per la funzionalizzazione. A causa della natura esotermica di queste reazioni, è necessario anche un raffreddamento esteso per sopprimere l'instabilità termica e ridurre al minimo la completa ossidazione degli idrocarburi in CO2 che limita la selettività degli ossigenati target; ad esempio, solo circa l'80% dell'etilene verrà incorporato nel prodotto finale ossido di etilene, mentre il resto verrà convertito in emissioni dirette di CO2 (Fig. 1A)3.

Uno schema concettuale del processo termocatalitico da idrocarburi a ossigenati (i processi attuali dettagliati possono essere trovati in Fig. S1–6), così come la produzione di H2 attraverso le reazioni di reforming del metano e di spostamento del gas acqua. Le frecce rosse indicano le fonti di emissioni dirette in Fig. 1C. B Emissioni annuali di gas serra cradle-to-gate dell'industria chimica nel 20308,49,55,56,57. C Ripartizione delle emissioni annuali cradle-to-gate derivanti dalla produzione di NH3 e dalle ossidazioni di idrocarburi in materie prime, emissioni dirette e trattamento dei rifiuti, energia termica ed elettricità.

Passando ora alle reazioni di riduzione, la produzione di NH3 è il principale contributore alle emissioni globali di gas serra dell’industria chimica2. Ciò è dovuto all’elevato volume di produzione di NH3: oltre la metà della produzione alimentare globale si basa su fertilizzanti a base di ammoniaca. La maggior parte delle emissioni di gas serra derivano direttamente dalle reazioni di reforming del metano e di spostamento del gas d’acqua per produrre la materia prima dell’idrogeno (H2) (Fig. 1A).