Zal fotokatalyse de naald op het gebied van chemische koolstofemissies verplaatsen?

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

De chemische sector is de grootste industriële energieverbruiker en gebruikt fossiele brandstoffen voor zowel grondstoffen als energie. Een groot deel van dit laatste gebeurt omdat reacties die grondstoffen in bruikbare producten omzetten doorgaans afhankelijk zijn van thermische katalyse. Deze processen vereisen vaak relatief extreme reactieomstandigheden, zoals hoge temperaturen en drukken. Dit resulteert in een verminderde procesefficiëntie en uiteindelijk een aanzienlijke ecologische voetafdruk. 

Alternatieve grondstoffen zoals afval, biomassa en CO2 kan de industrie helpen het gebruik van fossiele brandstoffen als grondstof aan te pakken. Als de industrie echter de doelstellingen voor emissiereductie wil halen, zal er ook een energie-efficiënter proces nodig zijn. Conventionele technologieën hebben een hoog niveau van optimalisatie bereikt, wat betekent dat de chemische industrie de uitstoot van brandstofgebruik moet aanpakken. De CO2-afvang is de afgelopen jaren toegenomen, maar wordt geconfronteerd met een aantal uitdagingen, waaronder kosten en infrastructuur, terwijl het gebruik van hernieuwbare energie kan helpen de uitstoot te verminderen, hoewel de kosten variabel zijn.

Fotokatalyse biedt een manier om hernieuwbare energie te gebruiken voor chemische verwerking en de procesefficiëntie te verhogen, en zo de uitstoot die gepaard gaat met het gebruik van fossiele brandstoffen aanzienlijk te verminderen – mocht de technologie economisch opschalen.

Hoe werkt fotokatalyse en wat zijn de voordelen?

Bij fotokatalyse wordt lichtenergie gebruikt om een katalysator te activeren, die vervolgens een chemische reactie versnelt. Anders dan bij thermische katalyse hebben reactiesnelheden een exponentiële relatie met zowel de lichtintensiteit als de temperatuur. Dit betekent dat fotokatalyse aanzienlijk lagere temperaturen vereist dan thermische katalyse voor de vereiste reactiesnelheden.

De theoretische voordelen van fotokatalyse waren de focus van onderzoek door wetenschappers van Rice University, die plasmonische fotokatalysatoren ontwikkelden die chemische reacties kunnen aansturen met een hoge fotokatalytische efficiëntie, selectiviteit en specificiteit. De technologie werd vervolgens in licentie gegeven Syzygy Plasmonischs dat 'fotoreactoren' ontwikkelde die LED's gebruiken om fotokatalysatoren te verlichten, die reacties katalyseren. De reactoren zijn gemaakt van relatief goedkope materialen, waardoor de kapitaalkosten laag blijven. Ondertussen profiteert het proces van een hoge efficiëntie, selectiviteit en specificiteit, wat resulteert in een lager energieverbruik, wat resulteert in lagere kosten en een kleinere ecologische voetafdruk.

Thermische katalyse versus fotokatalyse. Bron: Syzygy Plasmonics

Het potentieel voor impact  

Syzygy Plasmonics heeft de technologie ontwikkeld voor verschillende toepassingen, waaronder de afbraak (kraken) van ammoniak. Ammoniak wordt momenteel in grote hoeveelheden geproduceerd voor kunstmest en wordt steeds meer erkend als een veelbelovende waterstofdrager – nuttig als transportbrandstof en voor de import van energie. De retourefficiëntie (en de kosten) van de productie en afbraak van ammoniak blijven echter een barrière voor adoptie. Wanneer de technologie van Syzygy op grote schaal wordt ingezet, belooft deze een veel grotere efficiëntie dan thermisch kraken, waardoor de mogelijkheid ontstaat om de import van aardgas te vervangen door de import van schone ammoniak.

Efficiënties van thermisch kraken versus fotokatalysekraken. Bron: Syzygy Plasmonics

Er bestaan andere benaderingen voor de import van energie, en ammoniak steekt bijzonder gunstig af bij andere waterstofdragers zoals methanol, waar de toegang tot koolstofbronnen beperkt is. De hoeveelheid ammoniak die weer wordt omgezet in waterstof voor energie of industrieel gebruik is afhankelijk van veel variabelen. 100-130 Mt waterstof tegen 2050 zou in lijn zijn met dit voorstel IEA schattingen voor de stikstofvraag voor energiegebruik, maar dit kan direct gebruik zijn of waterstof. Als alles zou worden gekraakt, zou het gebruik van Syzygy-technologie in plaats van thermisch kraken ongeveer 1000-1250 TWh aan energie besparen – ongeveer drie keer het jaarlijkse totale energieverbruik van Groot-Brittannië.

Het is onwaarschijnlijk dat de technologie op grote schaal zal worden ingezet, tenzij deze op de totale kosten concurreert in vergelijking met andere technologieën. Er wordt echter verwacht dat de efficiëntieverbeteringen de kosten zullen verlagen, waarbij Syzygy verwacht dat de technologie de totale kosten die gepaard gaan met het kraken van ammoniak met meer dan 20% zal verlagen in vergelijking met thermisch kraken, hoewel het kostenconcurrentievermogen zal afhangen van de kosten van hernieuwbare energie.

We zien je graag

Syzygy heeft samen met Lotte Chemicals een proefproject voor het kraken van ammoniak in ontwikkeling, terwijl het potentieel om op te schalen opnieuw zal worden bevestigd nu Syzygy de efficiëntie op schaal zal demonstreren. De technologie is ook getest voor verschillende toepassingen, waaronder reforming van methaan met stoom (voor de productie van waterstof) en reforming van droge methaan (voor de productie van syngas dat kan worden gebruikt bij de productie van methanol of vliegtuigbrandstof). Er bestaan veel andere toepassingen, waaronder technologie voor de synthese van ammoniak, groene waterstof, ethyleen en aromaten, met het potentieel om gigaton aan koolstofemissies te besparen.