Es posible descarbonizar la industria química, siempre que los costos de la energía solar continúen cayendo y la eficiencia de los LED aumente.

Cientos de millones de toneladas de productos químicos y combustibles a granel se producen anualmente a partir de combustibles fósiles antiguos utilizando catálisis térmica heterogénea en fase gaseosa: la reacción entre los reactivos gaseosos y la superficie de un sólido para producir un producto impulsado por el calor de la combustión.

Si bien existe una tendencia hacia el uso de electricidad renovable para alimentar estos procesos a gran escala, ¿por qué no hacerlo mediante fotocatálisis heterogénea utilizando la abundante energía del sol?

En un esfuerzo por industrializar la fotocatálisis como una forma de descarbonizar las industrias química y petroquímica dependientes de combustibles fósiles, la investigación y el desarrollo en este campo podrían desarrollarse en cuatro direcciones principales: (i) estrategias de ingeniería de materiales y nuevos diseños de reactores para fotocatálisis heterogénea con eficiencia mejorada , (ii) modelado computacional de estrategias de diseño para estudiar el transporte de luz en procesos fotocatalíticos, (iii) tácticas para operación 24/7 de reactores fotocatalíticos para superar cortes de sol, y (iv) criterios tecnoeconómicos para evaluar la viabilidad y productividad de reactores fotocatalíticos procesos.

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Uso de fotones generados de forma sostenible como energía de proceso para impulsar la producción de productos químicos básicos. Reimpreso con autorización Copyright © 2022 American Chemical Society

Si bien ahora existen fotocatalizadores en fase acuosa para la purificación del agua, los procesos fotocatalíticos heterogéneos en fase gaseosa, en particular los que usan CO, no están disponibles.2 como materia prima, se implementó a una escala industrialmente significativa. La razón es simple: baja eficiencia de transporte cuántico y ligero.

Esto se debe a que maximizar la captura de fotones incidentes que ingresan a un fotorreactor para excitar un fotocatalizador y permitir la conversión química mientras se minimizan las pérdidas de luz es un gran desafío tanto científico como técnico. El éxito en este esfuerzo requiere una combinación de diseño optoquímico sofisticado, modelado, ingeniería y prueba de materiales y reactores.

En definitiva, la industrialización de la fotocatálisis heterogénea dependerá no solo de la eficiencia de los materiales y reactores, sino también del costo de los fotones para producir químicos que idealmente operen las 24 horas del día. El requisito de operación continua para un proceso fotocatalítico es evitar las inestabilidades del cierre del proceso al atardecer y las fluctuaciones de irradiación causadas por la interferencia de las nubes.

Él Costo de descarbonizar la industria química

El LCOE de la energía solar fotovoltaica, definido como el precio de venta mínimo para alcanzar el punto de equilibrio durante la vida útil de la instalación, ha disminuido de 0,094 $/kWh en 2015 a 0,038 $/kWh en 2019, con una previsión de 0,016 $/kWh, según el Laboratorio Nacional de Energías Renovables kWh para 2050.

Simultáneamente con esta tendencia, se prevé una mayor eficiencia de los diodos emisores de luz (LED), que funcionan con energía solar cada vez más costosa. Estos LED ofrecen longitudes de onda que abarcan las porciones ultravioleta y visible del espectro solar y ofrecen intensidades que se pueden ajustar desde un solo sol hasta cientos.

Estas tendencias complementarias han permitido una comparación entre el costo de un mol de fotones y un mol de un producto químico (donde un mol es una unidad de medida estándar definida usando el número de Avogadro: 6.023 × 1023) una entidad elemental, en este caso fotones o moléculas, en un proceso 24/7 alimentado por diodos emisores de luz.

Los resultados de este análisis son fascinantes. Excluyendo el costo de los LED que funcionan con energía solar, el costo proyectado para 2050 de los fotones visibles y ultravioleta puede caer rápidamente por debajo del valor promedio actual del mercado para productos químicos básicos como el óxido de etileno, el ácido acético, el metanol, el metano y el hidrógeno.

También es importante señalar que los procesos termocatalíticos heterogéneos se benefician de las economías de escala del volumen del reactor. De manera similar, para que los procesos fotocatalíticos sean rentables, se requieren materiales de conversión y captura de fotones eficientes para maximizar la productividad a granel del fotorreactor. Además, la producción de productos químicos solares se beneficia de condiciones operativas menos extremas que permiten una mejor estabilidad y selectividad del catalizador, lo que en conjunto sirve para reducir el costo de las separaciones del catalizador y del producto.

Las conclusiones de este importante estudio implican que la descarbonización de procesos químicos industriales basados ​​en combustibles fósiles con energía solar es posible siempre que sus costos continúen disminuyendo. Todo esto es un buen augurio para los procesos fotocatalíticos alimentados por LED, siempre que el costo proyectado de un mol de fotones sea inferior al costo de un mol de productos químicos a granel, como se definió anteriormente, que son fomentados por los impuestos al carbono.

Si el gas de efecto invernadero CO2 Se puede utilizar las 24 horas del día como materia prima para la producción de productos químicos y combustibles solares sostenibles, el futuro del CO heterogéneo2 ¡La fotocatálisis brillará!

Referencia: Emily Schroeder y Phillip Christopher, Producción química con luz: ¿Son los fotones sostenibles lo suficientemente baratos?, ACS Energy Lett. (2022). DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00142

Crédito de la imagen principal: Alex Simpson en Unsplash

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