Hydrocarbure électrifié

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 1954 (2023) Citer cet article

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La fabrication de produits chimiques figure parmi les principaux contributeurs de gaz à effet de serre. Plus de la moitié des émissions associées sont attribuables à la somme de l’ammoniac et des composés oxygénés tels que le méthanol, l’éthylène glycol et l’acide téréphtalique. Nous explorons ici l’impact des systèmes d’électrolyseurs qui couplent la conversion anodique d’hydrocarbures en oxygénats alimentée électriquement avec la réaction cathodique de dégagement de H2 à partir de l’eau. Nous constatons qu'une fois la conversion anodique des hydrocarbures en oxygénats développée avec des sélectivités élevées, les émissions de gaz à effet de serre associées à la fabrication de NH3 et de composés oxygénés d'origine fossile peuvent être réduites jusqu'à 88 %. Nous rapportons que l’électricité à faible émission de carbone n’est pas obligatoire pour permettre une réduction nette des émissions de gaz à effet de serre : les émissions mondiales de l’industrie chimique peuvent être réduites jusqu’à 39 %, même avec une électricité ayant l’empreinte carbone par MWh disponible aujourd’hui aux États-Unis ou en Chine. Nous concluons par des considérations et des recommandations à l’intention des chercheurs qui souhaitent s’engager dans cette direction de recherche.

L’industrie chimique est l’un des principaux contributeurs de gaz à effet de serre (GES), avec 18 % des émissions industrielles mondiales1. Parmi ces émissions de produits chimiques, 85 % proviennent de la grande consommation d'énergie et de matières premières d'origine fossile, tandis que 15 % sont des émissions directes dues à la sélectivité imparfaite des méthodes de production thermochimiques actuelles : une proportion importante de la matière première d'hydrocarbures est oxydée tout le temps. chemin vers le dioxyde de carbone (CO2) au lieu du produit souhaité, partiellement oxydé2. Ainsi, pour devenir totalement neutre en carbone, il ne suffit pas simplement de passer des combustibles fossiles aux énergies renouvelables : les processus actuels doivent être remplacés par des alternatives qui n'oxydent pas les hydrocarbures jusqu'au CO2.

Si l’on considère tous les produits chimiques, plus de 50 % des émissions de GES sont attribuables à la somme de l’ammoniac (NH3) et des composés oxygénés tels que le méthanol, l’oxyde d’éthylène, l’éthylène glycol, l’oxyde de propylène, le phénol et l’acide téréphtalique, qui contiennent de l’oxygène dans leurs composés chimiques. structure2. Des recherches dédiées sur de nouveaux procédés de fabrication de ces produits chimiques peuvent donc avoir un impact majeur sur la réduction des émissions nettes de GES.

La production de composés oxygénés par oxydation partielle d'hydrocarbures tels que l'éthylène, le propylène et le p-xylène est importante pour les industries du plastique et du textile. Ces processus se produisent généralement à des températures et des pressions élevées pour activer les hydrocarbures inertes pour la fonctionnalisation. En raison de la nature exothermique de ces réactions, un refroidissement important est également nécessaire pour supprimer l'emballement thermique et minimiser l'oxydation complète des hydrocarbures en CO2, qui limite la sélectivité des composés oxygénés cibles ; par exemple, seulement environ 80 % de l’éthylène sera incorporé dans l’oxyde d’éthylène produit final, le reste étant converti en émissions directes de CO2 (Fig. 1A)3.

Un schéma conceptuel du processus thermocatalytique de transformation des hydrocarbures en oxygénats (les processus détaillés actuels peuvent être trouvés sur les figures S1 à 6), ainsi que la production de H2 via le reformage du méthane et les réactions de conversion eau-gaz. Les flèches rouges indiquent les sources d'émissions directes sur la figure 1C. B Émissions annuelles de gaz à effet de serre du début à la fin de l'industrie chimique en 20308,49,55,56,57. C Répartition des émissions annuelles du début à la fin dues à la fabrication de NH3 et aux oxydations d'hydrocarbures en matières premières, émissions directes et traitement des déchets, énergie thermique et électricité.

Passons maintenant aux réactions de réduction. La fabrication de NH3 est le principal contributeur aux émissions mondiales de GES de l’industrie chimique2. Cela est dû au volume élevé de production de NH3 : plus de la moitié de la production alimentaire mondiale repose sur des engrais à base d’ammoniac. La majeure partie des émissions de GES proviennent directement du reformage du méthane et des réactions de conversion eau-gaz pour produire la matière première hydrogène (H2) (Fig. 1A).