Les combustibles fossiles sont l'épine dorsale de l'industrie pétrochimique mondiale, qui fournit des carburants à la population mondiale croissante, plastiques, Vêtements, engrais et plus. Un nouveau document de recherche, publié aujourd'hui dans Science , trace la voie à suivre pour qu'une technologie alternative - l'électrosynthèse renouvelable - puisse inaugurer une industrie chimique plus durable, et finalement nous permettre de laisser beaucoup plus de pétrole et de gaz dans le sol.

Phil De Luna est l'auteur principal de l'article. Ses recherches à l'Université de Toronto en génie portaient sur la conception et l'essai de catalyseurs pour l'électrosynthèse, et en novembre dernier, il a été nommé sur la liste Forbes des 30 moins de 30 ans des innovateurs dans la catégorie Énergie. Lui et son superviseur, le professeur Ted Sargent, ont collaboré à l'article avec une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Stanford et de TOTAL American Services, Inc.

U of T Engineering News s'est entretenu avec De Luna pour en savoir plus sur la façon dont l'électrosynthèse renouvelable pourrait éliminer le "pétro" de la pétrochimie.

Pouvez-vous décrire le défi que vous essayez de résoudre ?

Notre société est accro aux combustibles fossiles - ils sont dans tout, des plastiques de votre téléphone aux fibres synthétiques de vos vêtements. La croissance de la population mondiale et l'augmentation du niveau de vie entraînent une augmentation de la demande chaque année.

Changer le système nécessite une transformation mondiale massive. Dans certaines régions, nous avons des alternatives, par exemple, les véhicules électriques peuvent remplacer les moteurs à combustion interne. L'électrosynthèse renouvelable pourrait faire quelque chose de similaire pour l'industrie pétrochimique.

Qu'est-ce que l'électrosynthèse renouvelable ?

Pensez à ce que fait l'industrie pétrochimique :il faut du lourd, molécules de carbone à longue chaîne et utilise une chaleur et une pression élevées pour les décomposer en éléments chimiques de base. Puis, ces blocs de construction sont réassemblés en plastique, les engrais, fibres, etc.

Imaginez qu'au lieu d'utiliser des combustibles fossiles, vous pouvez utiliser le CO2 de l'air. Et au lieu de faire les réactions à hautes températures et pressions, vous pouvez fabriquer les blocs de construction chimiques à température ambiante en utilisant des catalyseurs innovants et de l'électricité à partir de sources renouvelables, comme l'énergie solaire ou hydraulique. C'est de l'électrosynthèse renouvelable.

Une fois cette transformation initiale effectuée, les briques chimiques s'intègrent dans notre infrastructure existante, il n'y a donc aucun changement dans la qualité des produits. Si tu le fais bien, le processus global est neutre en carbone ou même négatif en carbone s'il est entièrement alimenté par des énergies renouvelables

Les plantes prélèvent également le CO2 de l'air et le transforment en matériaux tels que le bois, papier et coton. Quel est l'avantage de l'électrosynthèse ?

Les avantages sont la vitesse et le débit. Les plantes sont excellentes pour transformer le CO2 en matériaux, mais ils utilisent aussi leur énergie pour des choses comme le métabolisme et la reproduction, donc ils ne sont pas très efficaces. Cela peut prendre 10 à 15 ans pour faire pousser une tonne de bois utilisable. L'électrosynthèse reviendrait à mettre la puissance de capture et de conversion du CO2 à 50, 000 arbres dans une boîte de la taille d'un réfrigérateur.

Pourquoi ne le faisons-nous pas aujourd'hui ?

Cela se résume au coût; vous devez prouver que le coût de fabrication d'un bloc de construction chimique par électrosynthèse est comparable au coût de sa production de manière conventionnelle.

À l'heure actuelle, il existe des applications limitées. Par exemple, la majeure partie de l'hydrogène utilisé pour valoriser le pétrole lourd provient du gaz naturel, mais environ 4% est maintenant produit par électrolyse, C'est, utilisant l'électricité pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. À l'avenir, nous pourrions faire quelque chose de similaire pour les blocs de construction à base de carbone.

Qu'est-ce que votre analyse a trouvé?

Nous avons déterminé qu'il y a deux facteurs principaux :le premier est le coût de l'électricité elle-même, et le second est le rendement de conversion électrique-chimique.

Afin d'être compétitif par rapport aux méthodes conventionnelles, l'électricité doit coûter moins de quatre cents le kilowattheure, et le rendement de conversion électrique-chimique doit être de 60 % ou plus.

À quelle distance sommes-nous ?

Il y a des endroits dans le monde où l'énergie renouvelable à partir de l'énergie solaire peut coûter aussi peu que deux ou trois cents le kilowattheure. Même dans un endroit comme Québec, qui a une puissance hydroélectrique abondante, il y a des périodes de l'année où l'électricité est vendue à des prix négatifs, car il n'y a aucun moyen de le stocker. Donc, du point de vue du potentiel économique, Je pense que nous nous rapprochons d'un certain nombre de juridictions importantes.

Concevoir des catalyseurs qui peuvent augmenter l'efficacité de conversion électrique-chimique est plus difficile, et c'est ce que j'ai passé ma thèse à faire. Pour l'éthylène, le meilleur que j'ai vu est d'environ 35% d'efficacité, mais pour d'autres blocs de construction, comme le monoxyde de carbone, nous approchons des 50 %.

Bien sûr, tout cela a été fait dans des laboratoires—il est beaucoup plus difficile de faire évoluer cela jusqu'à une usine qui peut produire des kilotonnes par jour. Mais je pense que certaines applications sont prometteuses.

Pouvez-vous donner un exemple de ce à quoi ressemblerait l'électrosynthèse renouvelable ?

Prenons l'éthylène, qui est en volume la pétrochimie la plus produite au monde. Vous pourriez en théorie fabriquer de l'éthylène en utilisant le CO2 de l'air - ou d'un tuyau d'échappement - en utilisant de l'électricité renouvelable et le bon catalyseur. Vous pourriez vendre l'éthylène à un fabricant de plastique, qui en ferait des sacs en plastique ou des chaises de jardin ou quoi que ce soit d'autre.

En fin de vie, vous pourriez incinérer ce plastique - ou toute autre forme de déchet à forte intensité de carbone - capturer le CO2, et recommencer le processus. En d'autres termes, vous avez bouclé la boucle du carbone et éliminé le besoin de combustibles fossiles.

Selon vous, quel devrait être l'axe des recherches futures ?

En fait, je viens d'occuper le poste de directeur du programme Clean Energy Materials Challenge au Conseil national de recherches du Canada. Je construis un programme de recherche collaborative de 21 M$, donc c'est quelque chose auquel je pense beaucoup!

Nous ciblons actuellement des parties de la chaîne d'approvisionnement pétrochimique existante qui pourraient facilement être converties en électrosynthèse. Là, l'exemple que j'ai mentionné ci-dessus, qui est la production d'hydrogène pour la valorisation du pétrole et du gaz par électrolyse.

Un autre bon élément à cibler serait le monoxyde de carbone, qui est aujourd'hui principalement produit à partir de la combustion du charbon. On sait le faire par électrosynthèse, donc si nous pouvions augmenter l'efficacité, ce serait une solution sans rendez-vous.

Comment l'électrosynthèse renouvelable s'intègre-t-elle dans le vaste paysage des stratégies de réduction des émissions et de lutte contre le changement climatique ?

J'ai toujours dit qu'il n'y avait pas de solution miracle—au lieu de cela, je pense que nous avons besoin de ce que j'appelle une approche « silver buckshot ». Nous avons besoin de matériaux de construction recyclés, nous avons besoin de LED plus efficaces pour l'éclairage, nous avons besoin de meilleures cellules solaires et de meilleures batteries.

Mais même si les émissions du réseau électrique et du réseau de transport tombaient à zéro demain, cela ne ferait rien pour aider l'industrie pétrochimique qui fournit tant de produits que nous utilisons quotidiennement. Si nous pouvons commencer par électrifier des portions de la chaîne d'approvisionnement, c'est la première étape pour construire un système alternatif.