Hidrocarburo electrificado - Grupo Co., Ltd del propano de Hainan

Nature Communications volumen 14, número de artículo: 1954 (2023) Citar este artículo

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La fabricación de productos químicos se encuentra entre los principales contribuyentes a los gases de efecto invernadero. Más de la mitad de las emisiones asociadas son atribuibles a la suma de amoniaco más oxigenados como metanol, etilenglicol y ácido tereftálico. Aquí exploramos el impacto de los sistemas electrolizadores que combinan la conversión de hidrocarburo anódico a oxigenado accionada eléctricamente con la reacción catódica de evolución de H2 a partir del agua. Descubrimos que, una vez que se desarrolla la conversión de hidrocarburos anódicos a oxigenados con altas selectividades, las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con la fabricación de NH3 y compuestos oxigenados de origen fósil se pueden reducir hasta en un 88%. Informamos que la electricidad con bajas emisiones de carbono no es obligatoria para permitir una reducción neta de las emisiones de gases de efecto invernadero: las emisiones globales de la industria química se pueden reducir hasta en un 39% incluso con electricidad que tenga la huella de carbono por MWh disponible en los Estados Unidos o China en la actualidad. Concluimos con consideraciones y recomendaciones para los investigadores que deseen embarcarse en esta dirección de investigación.

La fabricación de productos químicos se encuentra entre los principales contribuyentes de gases de efecto invernadero (GEI), con un 18% de las emisiones industriales mundiales1. De estas emisiones de productos químicos, el 85% surge del gran consumo de energía y materias primas de origen fósil, mientras que el 15% son emisiones directas de la selectividad imperfecta de los métodos de producción termoquímicos actuales: una proporción significativa de la materia prima de hidrocarburos se oxida durante todo el proceso. forma de dióxido de carbono (CO2) en lugar del producto parcialmente oxidado deseado2. Por lo tanto, para volverse completamente neutral en carbono, no basta simplemente con cambiar la fuente de energía de los combustibles fósiles a la energía renovable: los procesos actuales deben ser reemplazados por alternativas que no oxiden los hidrocarburos hasta convertirlos en CO2.

Considerando todos los químicos, más del 50% de las emisiones de GEI son atribuibles a la suma de amoníaco (NH3) más oxigenados como metanol, óxido de etileno, etilenglicol, óxido de propileno, fenol y ácido tereftálico, que contienen oxígeno como parte de su composición química. estructura2. Por lo tanto, una investigación dedicada a nuevos procesos para fabricar estos productos químicos puede lograr un impacto importante en la reducción de las emisiones netas de GEI.

La producción de oxigenados mediante oxidación parcial de hidrocarburos como etileno, propileno y p-xileno es importante para las industrias del plástico y textil. Estos procesos normalmente ocurren a altas temperaturas y presiones para activar los hidrocarburos inertes para su funcionalización. Debido a la naturaleza exotérmica de estas reacciones, también se requiere un enfriamiento extenso para suprimir la fuga térmica y minimizar la oxidación completa de los hidrocarburos a CO2, lo que limita las selectividades de los oxigenados objetivo; por ejemplo, sólo alrededor del 80 % del etileno se incorporará al producto final, óxido de etileno, y el resto se convertirá en emisiones directas de CO2 (Fig. 1A)3.

Un esquema conceptual del proceso termocatalítico de conversión de hidrocarburos a oxigenados (los procesos actuales detallados se pueden encontrar en la figura S1-6), así como la producción de H2 mediante el reformado de metano y las reacciones de cambio de agua-gas. Las flechas rojas indican las fuentes de emisiones directas en la Fig. 1C. B Emisiones anuales de gases de efecto invernadero de la cuna a la puerta de la industria química en 20308,49,55,56,57. C Desglose de las emisiones anuales desde la cuna hasta la puerta de la fabricación de NH3 y las oxidaciones de hidrocarburos en materia prima, emisiones directas y tratamiento de residuos, energía térmica y electricidad.

Pasando ahora a las reacciones de reducción, la fabricación de NH3 es el mayor contribuyente a las emisiones globales de GEI de la industria química2. Esto se debe al elevado volumen de producción de NH3: más de la mitad de la producción mundial de alimentos depende de fertilizantes a base de amoníaco. La mayor parte de las emisiones de GEI provienen directamente del reformado del metano y de las reacciones de cambio de agua-gas para producir la materia prima de hidrógeno (H2) (Fig. 1A).

A pesar de la existencia de una alternativa más limpia (la electrólisis del agua para convertir H2 y oxígeno (O2), menos del 2 % de la demanda mundial de H2 se satisface de esta manera4,5. Esto se debe en parte a que la reacción de evolución de oxígeno (REA) en el ánodo de los electrolizadores de agua aumenta considerablemente el costo energético del H2 + O26. Los electrolizadores de agua de última generación consumen alrededor de 180 MJ de energía por kg de H27, lo que es significativamente mayor que su valor calorífico inferior (LHV) de 120 MJ por kg de H2. Por lo tanto, con el precio actual de la electricidad, la electrólisis del agua es más cara que el reformado de metano con vapor7. La electrólisis del agua debe funcionar con electricidad baja en carbono para lograr una reducción neta de las emisiones de GEI. Esta electricidad todavía es limitada en la mayoría de los países industrializados hoy en día, ya que la electricidad procedente de fuentes renovables como la solar y la eólica son intermitentes y aún no están ampliamente disponibles. Por lo tanto, nos centramos en estrategias que tienen en cuenta la alta demanda de energía de la electrólisis del agua y que buscan reducir las emisiones de GEI sin depender de electricidad 100% renovable.

Aquí proponemos que la electrificación de las conversiones de hidrocarburos a oxigenados puede tener un impacto significativo en la reducción de la huella de carbono de la industria química, debido a los altos volúmenes de producción y las emisiones de GEI. El objetivo principal del presente artículo es evaluar sistemas electrolizadores que acoplan la conversión anódica de hidrocarburo a oxigenado con la reacción catódica de evolución de H2 (HER) a partir de agua en condiciones ambientales. Descubrimos que al redirigir la energía que de otro modo se consumiría en la reacción de evolución de O2 (REA) de bajo valor y, en su lugar, sintetizar oxigenados de mayor valor, el enfoque maximiza la utilización de la electricidad para producir sustancias químicas valiosas. Evaluamos, a través de un análisis prospectivo del ciclo de vida (LCA), el potencial de reducción de GEI en comparación con los procesos termocatalíticos. Esta estrategia difiere de algunos trabajos anteriores de ACV que se han centrado en tecnologías de captura y utilización de carbono para reducir las emisiones asociadas con la industria química cerrando el ciclo del carbono8,9,10,11. El modelo ACV actual proporciona un límite inferior para las emisiones de carbono que muestra el mejor escenario cuando se implementan los sistemas de electrolizadores acoplados. Se puede observar que, una vez que se desarrolla la conversión de hidrocarburos anódicos a oxigenados para lograr selectividades más altas, las emisiones de GEI asociadas con la fabricación de NH3 y oxigenados de origen fósil se pueden reducir hasta en un 88%. La electricidad baja en carbono no es obligatoria para permitir una reducción neta de las emisiones de GEI: de hecho, encontramos que las emisiones globales de la industria química podrían reducirse hasta en un 39% incluso con electricidad con intensidades de carbono (definidas como la huella de carbono por MWh de electricidad) disponible. en los Estados Unidos y China hoy12. Teniendo en cuenta las instalaciones de producción regionales, ~18% de los sitios químicos globales actualmente realizan tanto la fabricación de NH3 como oxidaciones parciales de hidrocarburos a oxigenados en el mismo sitio13. Estos sitios pueden ser el objetivo de la implementación de tecnologías de electrolizadores acoplados. Cerramos discutiendo la brecha entre las necesidades industriales y los estudios electroquímicos actuales, así como también cómo la comunidad investigadora puede desarrollar electrocatalizadores y condiciones de reacción para realizar estas nuevas tecnologías de electrolizadores.

Evaluamos el impacto climático global de la fabricación de productos químicos utilizando un modelo de optimización basado en ACV que comprende más de 400 conjuntos de datos compatibles con el Inventario de ciclo de vida (LCI) de las mejores tecnologías disponibles para productos químicos y plásticos de gran volumen (consulte Materiales complementarios para obtener detalles del modelo de ACV). y conjuntos de datos). El modelo de optimización busca encontrar la vía con menos carbono basada en las tecnologías disponibles y genera flujos de energía y materiales técnicamente viables a lo largo de las cadenas de suministro de productos químicos. Estos flujos de energía y materiales se basan en diferentes procesos disponibles para producir las sustancias químicas deseadas. En esta publicación, el modelo se utiliza para representar la producción esperada de 20 productos químicos de gran volumen para 2030. Estos productos químicos de gran volumen incluyen amoníaco, hidrocarburos alifáticos (etileno, propileno), hidrocarburos aromáticos (benceno, estireno, cumeno, tolueno, p -xileno y xilenos mixtos), oxigenados (metanol, etilenglicol, óxido de etileno, óxido de propileno, ácido tereftálico, fenol), poliolefinas (polietileno, polipropileno), así como caprolactama, acrilonitrilo y cloruro de vinilo (Tabla S2). De hecho, se ha informado anteriormente que estos 20 productos químicos de gran volumen son responsables de >75% de las emisiones globales de GEI de la industria química9. Por lo tanto, utilizamos el resultado como indicador de la industria química. Las emisiones de GEI calculadas desde la cuna hasta la puerta incluyen emisiones provenientes del suministro de materia prima (es decir, etileno para la producción de óxido de etileno), energía térmica (es decir, energía necesaria para alimentar separaciones y otros equipos), electricidad (es decir, energía necesaria para bombas y otros equipos), así como emisiones directas y tratamiento de desechos (es decir, CO2 durante el reformado de metano con vapor para la producción de amoníaco; y tratamiento de desechos inorgánicos de la producción de óxido de propileno).

El modelo muestra que las emisiones totales de GEI de la industria química mundial desde la cuna hasta la puerta alcanzarán los 2.300 millones de toneladas de CO2 equivalente (2,3 Gt CO2-eq.) por año para 2030 (Fig. 1B). Más de la mitad de estas emisiones surgen de la suma de la fabricación de NH3 (21%) más la oxidación parcial de hidrocarburos a oxigenados (30%). Por lo tanto, estos procesos deberían recibir esfuerzos dirigidos por parte de la comunidad científica para desarrollar procesos de producción alternativos con una huella de carbono reducida. El resto surge de la producción de poliolefinas (28%), aromáticos (12%), cloro (3%), cloruro de vinilo (3%) y acrilonitrilo (2%).

Realizamos un desglose adicional de las emisiones anuales desde la cuna hasta la puerta e identificamos los principales componentes de las emisiones como la producción de materia prima de H2 para la fabricación de NH3, la sobreoxidación de hidrocarburos a CO2 y el suministro de calor y electricidad de origen fósil necesario para alcanzar Condiciones del proceso termocatalítico (Fig. 1C y Tabla S3). Para la fabricación de NH3, la mayor parte de las emisiones de GEI asociadas son emisiones directas del reformado con vapor de metano con reacciones posteriores de desplazamiento de agua y gas para producir la materia prima de H2, que luego se convierte con nitrógeno (N2) en NH3 mediante la reacción de Haber-Bosch. . Este proceso representa 0,4 Gt CO2-eq. o el 18% de las emisiones globales de la industria química (Fig. 1C).

Las emisiones directas de los procesos de oxidación de hidrocarburos resultan de una selectividad limitada hacia los productos oxigenados objetivo, es decir, una parte de los hidrocarburos se oxida hasta convertirse en CO2. Esto representa 0,19 Gt CO2-eq. (8,4% de las emisiones globales de la industria química, Fig. 1C) y surge principalmente de la producción de metanol, etilenglicol y ácido tereftálico. Estas emisiones directas pueden eliminarse si se desarrollan métodos alternativos de conversión de hidrocarburos anódicos a oxigenados con una selectividad cercana a la unidad. Como se necesitará menos materia prima de hidrocarburos para producir una cantidad determinada de oxigenado, esto reducirá al mismo tiempo las emisiones de la materia prima, es decir, las emisiones que surgen de la generación de hidrocarburos a través del craqueo de nafta, que representan el 2,6% de las emisiones globales de la industria química.

Para alcanzar las temperaturas y presiones requeridas para las reacciones termocatalíticas, las materias primas deben calentarse y comprimirse. Por ejemplo, las reacciones termocatalíticas actuales se desarrollan a entre 200 y 300 °C para el óxido de etileno, a 800 °C para la producción de amoníaco y a entre 175 y 225 °C en el caso del ácido tereftálico. La energía térmica y eléctrica proviene hoy de combustibles fósiles y representa 0,25 y 0,11 Gt CO2-eq. (Fig. 1C, es decir, 11 y 5% de las emisiones globales de GEI asociadas con la industria química). Aunque el calor puede suministrarse mediante calefacción resistiva alimentada por electricidad renovable, es decir, adaptando los dispositivos de calefacción existentes con calderas de electrodos, dichos procesos de conversión de energía eléctrica en calor requieren grandes cantidades de electricidad. El desarrollo de HER catódico y oxidaciones de hidrocarburos anódicos que puedan realizarse a temperaturas y presiones ambientales reducirá las emisiones de GEI asociadas con la compresión y el calentamiento.

Dado que la mayor parte de las emisiones de GEI asociadas con la fabricación de NH3 surgen de la producción de materia prima de H2, estas emisiones pueden eliminarse utilizando H2 producido a partir de electrólisis del agua alimentada por electricidad renovable14. Sin embargo, la eficiencia de reducción de GEI de la electrólisis del agua (WE) actual que reemplaza al reformado con vapor y metano es de 0,26 t CO2-eq. por MWh de electricidad (Fig. 2A). Por lo tanto, el recurso limitado de electricidad renovable sólo debería asignarse a la electrólisis del agua si no se dispone de opciones más eficientes.

A Eficiencias máximas de reducción de gases de efecto invernadero por MWh de electricidad de las tecnologías de electrólisis del agua y electrolizadores acoplados. B Un sistema electrolizador que combina la reacción de desprendimiento catódico de hidrógeno con la conversión anódica de hidrocarburo a oxigenado en condiciones ambientales. C Emisiones anuales desde la cuna hasta la puerta de la fabricación de NH3 y conversiones de hidrocarburos a oxigenado en cuatro escenarios: (1) continuar usando tecnologías basadas en fósiles, (2) usar electricidad solo de fuentes renovables, sin cambios adicionales en los procesos de fabricación , (3) cambiar la producción de H2 a electrólisis de agua alimentada por energías renovables, y (4) la inclusión de tecnologías de electrolizadores acoplados alimentadas por energías renovables. Tenga en cuenta que la línea negra representa los Escenarios 1 y 2. El Escenario 1 representa la emisión de gases de efecto invernadero para un impacto eléctrico de ~750 g CO2-eq. por kWh y el Escenario 2 las emisiones de gases de efecto invernadero para un impacto eléctrico de 0 g CO2-eq. por kWh. D Emisiones anuales desde la cuna hasta la puerta de los escenarios aquí considerados frente al suministro de electricidad con diferentes intensidades de carbono.

Los sistemas electrolizadores propuestos con energía renovable que combinan HER catódico con conversión anódica de hidrocarburo a oxigenado en condiciones ambientales (Fig. 2B) pueden aumentar la eficiencia de reducción de GEI hasta 0,48 t CO2-eq. por MWh de electricidad en condiciones ideales (Fig. 2A).

Procedemos a evaluar el potencial general de reducción de GEI de los sistemas de electrolizadores alimentados con energía renovable que combinan HER catódico con la conversión anódica de hidrocarburo a oxigenado en condiciones ambientales (conocido en este documento como Escenario 4, Fig. 2C). Luego, los modelos se utilizan para contrastar tres escenarios: (1) fabricación de NH3 de origen fósil y oxidaciones parciales de hidrocarburos para oxigenar con el suministro eléctrico mundial actual en ecoinvent15 para 2018 (~750 g CO2-eq. por kWh de electricidad), ( 2) utilizar electricidad únicamente de fuentes renovables, sin cambios adicionales en los procesos de fabricación, y (3) canalizar toda la producción de H2 hacia la electrólisis del agua alimentada por energías renovables. Para ello, utilizamos el mismo modelo de ACV que en la sección anterior pero limitamos el alcance a la demanda final de NH3 y oxigenados para el año 2030 (ver Material complementario “Demandas finales”). En el Escenario 3, el hidrógeno se produce mediante electrólisis del agua. En el Escenario 4, se agregan sistemas de electrolizadores acoplados para producir compuestos oxigenados (consulte Materiales complementarios “Modelado de hidrocarburos anódicos acoplados a oxigenados y reacciones de evolución de hidrógeno catódico”). Como la demanda global de hidrógeno para la fabricación de NH3 excede la demanda de compuestos oxigenados, la demanda restante de hidrógeno no satisfecha por los sistemas de electrolizadores acoplados se satisface mediante la electrólisis del agua en el Escenario 4. Para establecer primero el potencial máximo de reducción de GEI, se supone que la energía renovable ser de intensidad cero de carbono y las rutas electroquímicas de eficiencias ideales. Con el Escenario 1 basado en fósiles como punto de referencia, el Escenario 2 puede reducir las emisiones de GEI en un 11%, mientras que el Escenario 3 puede permitir reducciones adicionales de hasta un 53% mediante el uso de hidrógeno (Fig. 2C). El escenario 4 puede reducir aún más las emisiones de GEI hasta en un 88%. El 12% restante de las emisiones se debe al funcionamiento de craqueadores de vapor y refinerías para proporcionar materia prima de hidrocarburos, y puede eliminarse reemplazando los petroquímicos por materias primas más limpias y sostenibles. Esto significa que los sistemas de electrolizadores acoplados pueden evitar el bloqueo de la tecnología fósil al permitir la transición de las actuales materias primas fósiles a una situación completamente neutral en carbono con materias primas verdes.

Además, calculamos el potencial de reducción de GEI de cada escenario con un suministro eléctrico de diferentes intensidades de carbono (Fig. 2D). Nuestro enfoque de optimización minimiza las emisiones de GEI para toda la cadena de suministro de la industria química. Observamos que el Escenario 3 solo puede reducir las emisiones de GEI con un suministro de electricidad de baja intensidad de carbono (es decir, <200 g CO2-eq. por kWh), que no está disponible en la mayoría de los países industrializados hoy o incluso en 2030. Para el Escenario 4, las emisiones de GEI disminuyen de forma no lineal; por debajo de 200 g CO2-eq. Por kWh, la cadena de suministro de fabricación de NH3 cambia completamente de la producción de hidrógeno basada en electricidad fósil a la basada en electricidad renovable. Así, la cadena de suministro en el Escenario 4 se basa en la combinación de reacciones de hidrocarburo a oxigenado y electrólisis del agua para producir hidrógeno. Más importante aún, el enfoque de optimización determina además que las tecnologías de electrolizadores acoplados tienen el potencial de reducir las emisiones de GEI independientemente de la intensidad de carbono del suministro de electricidad. Las emisiones de GEI se pueden reducir hasta en un 39% incluso con el suministro de electricidad actual en Estados Unidos o China (Fig. 2D). Esto destaca el potencial de reducción de GEI y la necesidad de realizar más investigaciones sobre conversiones eficientes de hidrocarburos anódicos en oxigenados que puedan acoplarse a HER.

Para obtener información sobre los costos operativos de la fabricación de NH3 y las conversiones de hidrocarburos a oxigenado, estimamos el consumo anual de electricidad y equivalente de petróleo en los cuatro escenarios (Tabla S5). Se puede ver que si bien las tecnologías de electrolizadores acoplados conducen a un aumento en el consumo anual de electricidad para el Escenario 4, el consumo anual equivalente de petróleo de recursos fósiles como materia prima y aporte de energía también disminuye. Dado que los precios del petróleo oscilan entre 50 y 71 dólares por barril y los precios de la electricidad oscilan entre 2 y 6 centavos/kWh, esto en general conduce a costos de energía y materias primas comparables o incluso ligeramente más bajos en comparación con los Escenarios 1-3 (Fig. S7). Esto es cierto incluso cuando el costo del petróleo es bajo (es decir, el precio del petróleo en el límite inferior del rango) y el costo de la electricidad es alto (es decir, el precio de la electricidad en el límite superior del rango). Esto sugiere beneficios al invertir en investigación y desarrollo de tecnologías de electrolizadores acoplados. Si bien se sabe que los precios del petróleo fluctúan, el modelo actual se adhiere a las directrices de la AIE; Si los precios del petróleo aumentan en relación con estos valores, se reforzará aún más el hallazgo de costos de energía y materias primas comparables o incluso ligeramente más bajos en el Escenario 4 en comparación con los Escenario 1-3.

Un análisis de las bases de datos más modernas muestra que el 18% de las plantas químicas mundiales realizan actualmente tanto la fabricación de NH3 como oxidaciones parciales de hidrocarburos para formar oxigenados13. Estos sitios pueden ser el objetivo de la implementación de tecnologías de electrolizadores acoplados en el corto plazo. Estos sitios de coproducción tienden a ser grandes sitios de producción como el ubicado en Ludwigshafen, Alemania. En esta planta "Verbund" se producen conjuntamente casi 1 Mt de amoníaco y compuestos oxigenados (es decir, metanol, óxido de etileno y óxido de propileno), lo que ofrece excelentes condiciones para la implementación de tecnologías de electrolizadores acoplados.

Una vez establecido el potencial de reducción de GEI de las tecnologías de electrolizadores acoplados, procedemos a discutir la brecha entre las necesidades industriales y las reacciones de última generación. El desarrollo de oxidaciones anódicas como un conjunto de herramientas sintéticas para la mejora química ha estado ganando atención recientemente como un medio para superar los límites termodinámicos de los REA y aumentar la eficiencia de la conversión de electricidad renovable a valor químico. Estos incluyen la oxidación anódica de alcoholes a aldehídos16,17, aminas a nitrilos18,19 y tetrahidroisoquinolinas (THIQ) a dihidroisoquinolinas (DHIQ)20, que son termodinámicamente más favorables que los REA (Fig. 3A). Los mediadores redox también se pueden usar para apuntar a ciertos grupos funcionales y promover la oxidación parcial a potenciales aplicados más bajos que la oxidación directa en el ánodo21 (Fig. 3B). Por ejemplo, el mediador redox (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il)oxilo (TEMPO) se utiliza a menudo para atacar grupos alcohol selectivamente para la oxidación22.

A Densidades de corriente y eficiencias faradaicas de reacciones de oxidación anódica de última generación informadas. B Oxidación directa en el ánodo versus mediador redox. C Comparación de la eficiencia faradaica y la densidad de corriente de oxidaciones de hidrocarburos anódicos informadas recientemente. D Análisis de sensibilidad de las emisiones anuales desde la cuna hasta la puerta con tecnología de electrolizador acoplado de diferentes eficiencias energéticas, basado en el Escenario 4 con suministro de electricidad de diferentes intensidades de carbono. El límite del sistema de la cuna a la puerta incluye los pasos del proceso desde la extracción de recursos (petróleo, gas, recursos renovables) hasta la producción de los productos químicos incluidos en el alcance. Por tanto, esta evaluación también incluye el consumo de energía.

Los productos objetivo se han logrado con altas eficiencias faradaicas (>90%) (Fig. 3A); sin embargo, la investigación hasta la fecha no se centró en las principales sustancias químicas que contribuyen a las emisiones globales de GEI, ni en los mercados asociados conmensurables con el del NH3. Por el contrario, la electrificación de las conversiones de hidrocarburos a oxigenados puede tener un impacto significativo en la reducción de la huella de carbono de la industria química, debido a los altos volúmenes de producción y las emisiones de GEI. Recientemente, ha habido avances en las oxidaciones de hidrocarburos anódicos, a través de la funcionalización sp3 CH en el caso del metano23, en el carbono alílico del propileno24 y la adición a través del enlace C=C, como en el etileno y el propileno. Estas reacciones se caracterizaron por altas eficiencias faradaicas y especificidades superiores al 50% (Fig. 3C). Se han logrado altas estabilidades de 100 h para adiciones de C=C como la dihidroxilación de etileno y propileno25. Sin embargo, las densidades de corriente de tales reacciones generalmente están por debajo de las requeridas para la implementación comercial (es decir, <10 mA/cm2). Tomando como ejemplo la producción anódica de óxido de etileno y óxido de propileno, el análisis tecnoeconómico mostró que se requieren altas densidades de corriente (es decir, 300–1000 mA/cm2) para minimizar el área superficial de los reactores electroquímicos y, por lo tanto, reducir los costos de capital26,27.

Las altas eficiencias energéticas indican el rendimiento de productos químicos deseados para una entrada eléctrica determinada, en particular la de electricidad renovable limitada. La eficiencia energética se define como la relación entre la producción útil del sistema electrolizador y la entrada de electricidad, y está relacionada con parámetros como la conversión, la eficiencia faradaica y el voltaje requerido para impulsar una densidad de corriente determinada (consulte las ecuaciones 8 a 10 en el suplemento Materiales). Para cuantificar las eficiencias energéticas necesarias para cumplir el objetivo de reducción de carbono, realizamos un análisis de sensibilidad basado en el Escenario 4 con electricidad de diferentes intensidades de carbono (Fig. 3D). Como se mencionó en la sección anterior, el Escenario 4 puede permitir un potencial máximo de reducción de GEI del 88% (Fig. 2C) con una eficiencia de reducción de GEI de 0,46 t CO2 por MWh de electricidad renovable (Tabla S4). Aunque el potencial de reducción de GEI del Escenario 4 disminuye al disminuir la eficiencia energética, es insensible a la eficiencia energética si la electricidad puede llegar a ser completamente renovable (es decir, una intensidad de carbono de 0 g de CO2 por kWh). Con una eficiencia energética del 25 %, la eficiencia de reducción de GEI es de 0,33 t CO2 por MWh de electricidad renovable, todavía >25 % más que para la electrólisis del agua a 0,26 t CO2 por MWh.

Por último, observamos que la oxidación parcial anódica de reactivos con mayor contenido de carbono, como la oxidación de benceno a fenol y de xileno a ácido tereftálico, también es importante para mitigar las emisiones de GEI de la industria química. Estas reacciones están menos exploradas y deberían recibir esfuerzos dedicados por parte de la comunidad científica.

Para acelerar la realización de la tecnología de electrolizador acoplado del Escenario 4, destacamos los objetivos tecnológicos que deben alcanzar los investigadores que deseen embarcarse en esta floreciente dirección de investigación. Un objetivo tecnológico importante es la activación de enlaces CH saturados sin necesidad de aporte térmico, para permitir la funcionalización de hidrocarburos como el metano. Una posible solución es la adaptación del sistema Shilov, en el que la oxidación parcial de un hidrocarburo como metano a metanol o cloruro de metilo es catalizada por una sal acuosa de PtII con PtIV como oxidante estequiométrico, en un entorno electroquímico en el que actúa el ánodo. como oxidante23.

En el caso de hidrocarburos de cadena más larga, puede resultar complicado oxidar selectivamente el átomo de C deseado. En el caso del propileno, existen dos sitios potenciales para la oxidación parcial (Fig. 4A); el carbono alílico, que produciría acroleína, y el doble enlace insaturado, que produciría óxido de propileno o glicol. Recientemente, se informó que la oxidación anódica de propileno a acroleína sobre un ánodo de paladio nanoestructurado en condiciones de electrolitos ácidos a potenciales de 0,9 V frente a RHE tenía una eficiencia faradaica del 62 % (Fig. 4A)24. La dihidroxilación de enlaces C=C insaturados parece verse favorecida sobre un ánodo de paladio activado en condiciones neutras y operando a un potencial relativamente mayor de 1,7 V frente a RHE, con una eficiencia faradaica del 81 % a 7,1 mA/cm2 hacia el etilenglicol y del 78 % a 5,6 mA. mA/cm2 hacia propilenglicol. La activación del paladio, a una forma oxidada durante las primeras dos horas, aumenta la densidad de corriente en ~3 veces y la eficiencia faradaica en ~8 veces.

A Selectividad de canalización hacia el producto deseado (adaptado de la referencia 24, copyright 2019 Royal Society of Chemistry). B La interfaz de la oxidación parcial anódica de hidrocarburos con la reacción catódica de desprendimiento de hidrógeno25. C Flexibilidad entre la conversión de hidrocarburos anódicos a oxigenados y la reacción de desprendimiento de oxígeno (adaptado de la referencia 26, copyright 2020 Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia).

Otro objetivo tecnológico importante es interconectar la oxidación parcial de hidrocarburos anódica con la HER catódica; sin embargo, estos funcionan de manera óptima en diferentes condiciones de pH, electrolito y potencial operativo. Por ejemplo, HER se realiza en condiciones acuosas, lo que limitará el transporte masivo de hidrocarburos al catalizador anódico e introducirá REA competidores. Los grandes potenciales positivos necesarios para llevar a cabo estas reacciones a altas densidades de corriente pueden provocar una sobreoxidación incontrolada y generar subproductos no deseados como el CO2. El control de los potenciales operativos y las condiciones de los electrolitos se utiliza para suprimir los REA y canalizar la eficiencia faradaica hacia el producto deseado (Fig. 4B). También se pueden emplear mediadores redox como el Cl- en el ánodo con interfaces heterogéneas:homogéneas extendidas. El Cl- protege al etileno de la oxidación incontrolada y, por lo tanto, facilita la producción de óxido de etileno26.

Dado que la demanda global de hidrógeno excede la demanda de oxigenados, la flexibilidad entre la conversión de hidrocarburos anódicos a oxigenados y los REA es otro objetivo importante para lograr el Escenario 4 (Fig. 4C). Por ejemplo, en la oxidación anódica de etileno a óxido de etileno, las eficiencias faradaicas del óxido de etileno y del O2 pueden variar dependiendo de la concentración de Cl− en el electrolito26. Por lo tanto, existe la posibilidad de flexibilidad para ajustar la proporción de hidrógeno a oxigenado a medida que evoluciona la demanda del mercado.

La oxidación anódica de hidrocarburos a oxigenados como óxido de propileno, fenol, etilenglicol, ácido tereftálico y metanol es un conjunto de herramientas sintéticas con un importante potencial de reducción de GEI. Sin embargo, el rendimiento actual sigue siendo inferior al necesario para la implementación comercial26. Se necesitan esfuerzos dedicados para abordar los desafíos técnicos asociados para electrificar la industria química. Hay que tener en cuenta que el aumento de la demanda de electricidad renovable conducirá a una mayor demanda de tierras y recursos minerales. El terreno necesario para plantas fotovoltaicas e hidroeléctricas es de 10 a 20 m2/MWh28,29. Las tecnologías renovables también pueden ser intensivas en materiales y minerales; en particular, las tecnologías solar, eólica y de electrolizadores aumentan la demanda de silicio, cobre, cobalto, níquel, zinc, cromo, manganeso, molibdeno y metales de tierras raras30.

También hay que señalar que estas reacciones electroquímicas son sólo un elemento de la transición hacia la neutralidad de carbono; no abordan el 12% de las emisiones desde la cuna hasta la puerta asociadas con la fabricación de NH3 y las oxidaciones parciales de hidrocarburos (Fig. 2B, C), que se deben a la operación de craqueadores de vapor y refinerías para proporcionar materias primas de hidrocarburos como etileno y p. -xileno. Estas emisiones pueden reducirse mediante la sustitución de la energía térmica por hornos de craqueo a vapor electrificados31.

En un futuro más lejano, estas emisiones de materias primas se pueden eliminar reemplazando las materias primas petroquímicas por otras provenientes de fuentes más limpias y sostenibles. Las materias primas de hidrocarburos como el metanol, las olefinas y los aromáticos, cuando se producen mediante la reducción electroquímica del CO2, tienen el potencial de cerrar el ciclo del carbono9,32. De esta manera, los sistemas electrolizadores acoplados pueden evitar el bloqueo en tecnologías fósiles. Se ha realizado una demostración exitosa en la que el etileno derivado del CO2 se convierte anódicamente en óxido de etileno, realizando así una ruta totalmente electroquímica con CO2, agua y electricidad como únicos consumibles26.

La biomasa tiene el potencial de servir no sólo como fuente de energía, sino también como materia prima para la mejora anódica y convertirla en productos químicos básicos. Este uso en productos químicos básicos tiene el potencial de maximizar el valor creado por cantidad de biomasa utilizada. En este sentido, la lignina, un material obtenido a partir de biomasa vegetal, es la mayor fuente mundial de aromáticos naturales. La oxidación anódica se ha utilizado para oxidar los grupos alcohol cercanos al enlace éter β-O-4, que constituye entre el 45 y el 60 % de los enlaces de la lignina, con el fin de facilitar su escisión y liberación de subunidades con valor añadido33,34. .

La mejora anódica también se puede utilizar para convertir pequeñas moléculas derivadas de biomasa en precursores de plástico y permitir polímeros sostenibles. El derivado del azúcar hidroximetilfurfural (HMF) puede oxidarse anódicamente a ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), un posible sustituto del ácido tereftálico en los tereftalatos de polietileno (PET)35,36,37. El principal subproducto en la producción de biodiesel, el glicerol, del cual se generarán 0,1 toneladas por tonelada de biodiesel producido, puede convertirse anódicamente en ácido láctico, el precursor del ácido poliláctico6. Esto ocurre mediante la oxidación del grupo alcohol secundario para formar 1,3-dihidroxiacetona (DHA)38,39, seguida de una deshidratación catalizada por bases y un reordenamiento de Cannizzarro para formar ácido láctico40. Los ejemplos antes mencionados muestran que, incluso con la maduración de las tecnologías de utilización de CO2 y procesamiento de biomasa, las oxidaciones anódicas serán un elemento central de una industria química totalmente renovable.

El modelo ascendente se basa en la metodología del Technology Choice Model (TCM)41 y en una publicación reciente de los autores8. El modelo se puede utilizar para calcular el impacto ambiental de grandes sistemas de producción y cadenas de suministro completas de productos químicos y plásticos, al mismo tiempo que está en línea con las normas ISO para ACV42,43. El TCM se basa en el método de cálculo general de LCA44 y adapta este método de cálculo para representar un problema de optimización matemática, como se muestra en las Ecs. 1 a 3.

donde \({h}_{{{{{\rm{CO}}}}}}_{2}}\) representa las emisiones acumuladas de gases de efecto invernadero, \(A\) es la matriz tecnológica, \ (y\) es la demanda final, y \(c\) es el límite superior potencial para el vector de escala \(s\). La matriz \(B\) representa cómo las tecnologías intercambian flujos elementales con el medio ambiente, es decir, consumen recursos naturales y liberan emisiones. Aquí, la ecuación. 1 define el objetivo de minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) desde la cuna hasta la puerta, mientras que la ecuación. 2 especifica la demanda final que se está cumpliendo. De este modo, el suministro siempre satisface la demanda de los productos químicos especificados a lo largo de toda la cadena de suministro. Por ejemplo, si la demanda final de óxido de etileno es la única demanda especificada, entonces el suministro de etileno sería exactamente el requerido por las tecnologías de producción de óxido de etileno.

Los elementos en \({Q}_{{{{{{\rm{CO}}}}}}_{2}}\) representan el potencial de calentamiento global a 100 años de cada flujo elemental según el IPCC 201445 Así, la función objetivo representa las emisiones de CO2 equivalentes acumuladas. La ecuación 3 define que las entradas del vector de escala deben estar entre cero y el límite superior \(c\). El límite superior \(c\) se puede utilizar para limitar el suministro de electricidad o energía térmica a una tecnología específica. Todas las tecnologías en las matrices \(A\) y \(B\) se describen mediante balances completos de masa y energía. Las matrices del modelo se proporcionan en Zenodo46 siempre que no se requieran licencias adicionales. Hay 429 variables (procesos en A) y 174 restricciones (flujos en y) incluidas en el análisis. c se establece en infinito.

Para el modelo, construimos la matriz tecnológica A y la matriz de flujo elemental B a partir de datos de proceso a nivel de procesos individuales. Estos procesos son conjuntos de datos unitarios o agregados.

Los conjuntos de datos de procesos unitarios son la entidad más pequeña posible de un proceso con entradas y salidas. En este nivel de unidad, el conjunto de datos considera todas las entradas y salidas técnicas. El conjunto de datos solo representa los flujos elementales de un proceso unitario único.

A diferencia de los conjuntos de datos de procesos unitarios que representan solo un proceso unitario, los conjuntos de datos de procesos agregados completamente terminados representan toda la cadena de producción. Para conjuntos de datos de procesos agregados, los flujos elementales entran o salen, y solo un flujo técnico sale del proceso. Otros flujos técnicos se crean o consumen dentro de la cadena de producción.

La metodología propuesta por Kätelhön et al. se utiliza para seleccionar las respectivas tecnologías de producción de productos químicos y plásticos41. En este procedimiento, primero se identifican las tecnologías disponibles comercialmente que conducen a las menores emisiones de gases de efecto invernadero, que se denominan mejores tecnologías disponibles2,47,48. Luego se incluyen los balances de masa y energía de todas las mejores tecnologías disponibles como conjuntos de datos de procesos unitarios. A continuación, identificamos tecnologías relevantes de producción de amoníaco renovable, así como reacciones acopladas de hidrocarburos anódicos a oxigenados y reacciones catódicas de evolución de hidrógeno basadas en la revisión de la literatura. Luego incluimos los procesos unitarios para estas tecnologías (consulte las siguientes secciones para obtener más detalles). Por último, se incluyen conjuntos de datos agregados para todos los insumos faltantes (por ejemplo, productos químicos, energía térmica y otros servicios públicos) que no provienen de uno de los procesos unitarios ya incluidos en los pasos anteriores.

Se puede encontrar una lista de conjuntos de datos en la Tabla S6. Parte de esta tabla ha sido publicada originalmente por Meys et al.8.

Los conjuntos de datos agregados provienen de la base de datos LCI ecoinvent15 y representan la combinación de producción global (conjunto de datos global). Si no hay disponible un conjunto de datos global, se utiliza en su lugar un conjunto de datos europeo.

Los conjuntos de datos para las rutas de producción convencionales se obtienen del Programa de Economía de Procesos de IHS49. Esta base de datos contiene simulaciones de procesos y conjuntos de datos que han sido verificados por expertos industriales. Como no incluye el flujo elemental y de desechos, como residuos inorgánicos u orgánicos, adaptamos e incluimos un modelo para la incineración de desechos50,51, basado en datos sobre la incineración de desechos peligrosos en un parque químico en el oeste de Alemania. En este modelo, la limpieza de gases de combustión se basa en depuradores húmedos, precipitadores electrostáticos y etapas SCR de bajo polvo y SNCR DeNOx.

El NH3 se produce mediante el proceso Haber-Bosch, que utiliza una mezcla gaseosa de H2 y N2 como alimentación a un reactor que funciona a 450 °C y 200 bar. Después de la reacción, se separa criogénicamente NH3 líquido de la mezcla de productos. El H2 y el N2 no convertidos se reciclan de nuevo al reactor Haber-Bosch52. Nuestro modelo utiliza los datos del proceso unitario de una publicación científica existente53. La alimentación de H2 se suministra mediante electrólisis de agua u otros procesos de producción de H2, mientras que el N2 se suministra mediante una unidad de separación de aire.

Para modelar la producción electroquímica de H2 y O2, utilizamos los datos del proceso de electrólisis del agua a baja temperatura. La eficiencia media de este proceso es del 67,15% en base a poderes caloríficos netos, resultando en un consumo eléctrico de 178,7 MJ por kg de H2 producido7.

En esta publicación, se han agregado al modelo existente de la industria química sistemas electrolizadores que combinan HER catódico con conversión anódica de hidrocarburo a oxigenado. Como las tecnologías de electrolizadores acoplados aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, los datos de procesos unitarios para estas reacciones no están disponibles. Para llenar estos vacíos de datos, asumimos reacciones estequiométricas con conversión completa para los procesos unitarios:

donde \(v\) denota el coeficiente estequiométrico y \(M\) la masa molar. La lista de todas las conversiones de hidrocarburos anódicos a oxigenados consideradas se puede encontrar en la Tabla S1. El flujo másico \(m\) de cada reactivo y producto \(i\) se puede calcular basándose en la reacción estequiométrica:

El requerimiento de electricidad \({P}_{{{{{{\rm{el}}}}}},{{\min }}}\) de la reacción electroquímica es equivalente a la entalpía de la reacción \({\ triángulo H}_{{{{{\rm{R}}}}}}}^{0}\), que se calcula a partir del coeficiente estequiométrico \(v\) y la entalpía estándar de formación \(\triangle {h}_{{{{{\rm{f}}}}}}}^{0}\) de cada reactivo y producto \(i\) (consulte la Tabla S2 para conocer la entalpía estándar de formación de cada compuesto ):

La demanda final es la producción total o la cantidad de tratamiento de residuos de un flujo intermedio. En esta publicación se consideran dos demandas finales:

(1) la demanda final de toda la industria química, que se utiliza para derivar los resultados que se muestran en las figuras 1B, C y

(2) la demanda final de amoníaco y oxigenados únicamente, como se indica en la Tabla S3 y se utiliza para calcular los resultados que se muestran en la Fig. 2C, D.

La eficiencia de reducción de GEI del escenario \(s\) se calcula como el ratio de la reducción de GEI, que se obtiene restando las emisiones de GEI del escenario \(s\) de las del escenario en el que se siguen utilizando combustibles fósiles. a la demanda de electricidad del escenario \(s\):

Esta definición de escenario específico de la eficiencia de reducción de GEI generaliza la definición específica de tecnología de Sternberg et al., en la que se comparan las emisiones de GEI de una nueva tecnología con las de una tecnología existente54. La Figura 2A muestra las eficiencias de reducción de GEI específicas del escenario para sistemas de electrólisis de agua y electrolizadores acoplados.

Los parámetros del modelo, así como todos los datos utilizados, están disponibles públicamente. Sin embargo, en algunos casos se requiere una licencia de IHS Markit. Todos los datos que pueden estar disponibles públicamente se proporcionan a través de Zenodo (https://zenodo.org/record/5118762#.YWacOByxWUk)46.

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Descargar referencias

Este material se basa en el trabajo respaldado por el Ministerio de Facultades y Universidades de Ontario (Subvención ORF-RE08-034), el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Naturales (NSERC) de Canadá (Subvención RGPIN-2017-06477), el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada ( CIFAR) (Subvención FS20-154 APPT.2378) y Fondo Connaught de la Universidad de Toronto (Subvención GC 2012-13). WRL desea reconocer el Premio A*STAR Career Development Award (Número de subvención: C210112053) y la Beca de investigación individual para jóvenes (Número de subvención: A2084c0180). SV agradece la financiación de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundación Alemana de Investigación) en el marco de la Estrategia de Excelencia de Alemania - Clúster de Excelencia 2186 “The Fuel Science Center” ID: 390919832. AB agradece el apoyo de PATHFNDR como parte del programa SWEET para la investigación energética suiza para la Transición Energética de la Oficina Federal Suiza de Energía SFOE.

Los siguientes autores contribuyeron igualmente: Wan Ru Leow, Simon Volker, Raoul Meys.

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Toronto, 10 King's College Road, Toronto, Ontario, M5S 3G4, Canadá

Wan Ru Leow, Jianan Eric Huang y Edward H. Sargent

Instituto de Sostenibilidad para Productos Químicos, Energía y Medio Ambiente (ISCE2), Agencia para la Ciencia, la Tecnología y la Investigación (A*STAR), 1 Pesek Road, Isla Jurong, Singapur 627833, Singapur

Wan Ru Leow

Instituto de Termodinámica Técnica, Universidad RWTH Aachen, Schinkelstr. 8, 52062, Aquisgrán, Alemania

Simon Volker, Raoul Meys y Andrew Bardow

Carbon Minds GmbH, Eupener Straße 165, 50933, Colonia, Alemania

Raoul Meys

TOTAL American Services Inc., Hopkinton, MA, 01748, EE. UU.

Shaffiq A. Jaffer

Ingeniería de sistemas de procesos y energía, Departamento de ingeniería mecánica y de procesos, ETH Zürich, 8092, Zürich, Suiza

André Bardow

Instituto de Investigación sobre Energía y Clima - Ingeniería de Sistemas Energéticos (IEK-10), Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425, Jülich, Alemania

André Bardow

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

WRL, SV, RM, AB y EHS concibieron la idea, diseñaron las metodologías y coescribieron el manuscrito. RM realizó el modelado y los cálculos. JEH y SAJ discutieron los resultados y ayudaron durante la preparación del manuscrito.

Correspondencia a Wan Ru Leow, André Bardow o Edward H. Sargent.

AB formó parte de comités de revisión de investigación y desarrollo en ExxonMobil y TotalEnergies. Los demás autores no declaran tener intereses en competencia.

Nature Communications agradece a Phillip Stadler y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Leow, WR, Völker, S., Meys, R. et al. Hidrocarburos electrificados a oxigenados acoplados a la evolución de hidrógeno para una mitigación eficiente de los gases de efecto invernadero. Nat Comuna 14, 1954 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37382-3

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Recibido: 16 de junio de 2022

Aceptado: 09 de marzo de 2023

Publicado: 07 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37382-3

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