“Petro” Petrokimya Endüstrisinden Nasıl Çıkarılır?

Fotoğraf : T Engineering’den Phil De Luna (MSE PhD 1T9) Science’de yeşil elektriğin ve karbon tutmanın gübreden tekstillere kadar üretimde fosil yakıtların yerini nasıl alabileceğini analiz eden bir makalenin baş yazarıdır.

Fosil yakıtlar, dünyanın büyüyen nüfusuna plastik, giysi, gübre ve daha fazlasını sağlayan küresel petrokimya endüstrisinin bel kemiğidir. Bugün Science’de yayınlanan yeni bir makale, alternatif bir teknolojinin (yenilenebilir elektrosentezin) daha sürdürülebilir bir kimya endüstrisinde nasıl kullanılabileceğini ve toprağa daha fazla petrol ve gaz bırakmamızı sağlayabileceğimize dair ders verici niteliktedir.

Makalenin başyazarı Phil De Luna’nın  University of Toronto Faculty of Applied Science and Engineering’deki araştırması elektrosentez için katalizörlerin tasarlanmasını ve test edilmesini içeriyor. Luna geçtiğimiz Kasım’da Energy kategorisindeki yenilikçiler listesinde Forbes 30’a seçildi. Kendisi ve danışmanı Ted Sargent, Stanford Üniversitesi ve TOTAL American Services Inc.’den uluslararası araştırmacı bir ekiple birlikte kağıt üzerinde iş birliği yaptı.

U of T Engineering News yenilenebilir elektrosentezin “petro”yu petrokimyasallardan nasıl çıkarabileceğini öğrenmek için De Luna ile bir araya geldi.

Çözmeye Çalıştığınız Zorlukları Anlatabilir Misiniz?

Toplumumuz fosil yakıtlara bağlıdır, telefonunuzdaki plastiklerden kıyafetlerinizdeki sentetik elyaflara kadar her şeyin içinde fosil yakıtlar vardır. Büyüyen bir dünya nüfusu ve artan yaşam standartları her yıl talebi daha da artırmaktadır.

Sistemi değiştirmek büyük bir küresel değişim gerektiriyor. Bazı bölgelerde alternatiflerimiz var, örneğin elektrikli araçlar içten yanmalı motorların yerini alabilir. Yenilenebilir elektrosentez petrokimya endüstrisi için benzer bir şey yapabilir.

Yenilenebilir Elektrosentez Nedir?

Petrokimya endüstrisinin ne yaptığını düşünün: ağır ve uzun zincirli karbonları alır, onları temel kimyasal yapı taşlarına ayırmak için yüksek ısı ve basınç kullanır. Daha sonra bu yapı taşları plastiklere, gübrelere, liflere vb. Tekrar monte edilir.

Fosil yakıtları kullanmak yerine havadaki karbondioksiti kullanabileceğinizi hayal edin. Reaksiyonları yüksek sıcaklıklarda ve basınçta gerçekleştirmek yerine güneş enerjisini veya hidroelektrik enerji gibi yenilenebilir kaynaklardan gelen katalizörleri kullanarak kimyasal yapı taşlarını oda sıcaklığında elde edebilirsiniz. İşte bu yenilenebilir elektrosentezdir.

Bu ilk dönüşümü yaptığımızda kimyasal yapı taşları mevcut alt yapımıza uyuyor, bu yüzden ürünlerin kalitesinde bir değişiklik yok. Doğru bir şekilde yapıldığında genel işlem tamamen yenilenebilir enerji ile besleniyorsa karbon nötr ve hatta karbon negatiftir.

Aynı zamanda bitkiler de havadan karbondioksit alır ve bunu tahta, kağıt ve pamuk gibi malzemeler haline getirir. Elektrosentezin avantajı nedir?

Avantajları hız ve verimdir. Bitkiler karbondioksiti malzemelere dönüştürme konusunda harika, ama enerjilerini metabolizma ve üreme gibi olaylar için de kullanıyorlar ve bu nedenle çok verimli değiller. Bir ton kullanılabilir odunun yetiştirilmesi için 10-15 yıl gereklidir. Elektrosentez 50.000 ağacın karbondioksiti yakalama ve dönüştürme gücünü buzdolabı büyüklüğündeki bir kutuya koymak gibi olacaktır.

Bunu Neden Bugün Yapmıyoruz?

Elektrosentez yoluyla kimyasal bir yapı taşını elde etmenin maliyetinin konvensiyel yolun üretme maliyetine eşit olduğunu kanıtlamanız gerekir.

Şu anda bazı sınırlı uygulamalar var. Örneği ağır yağı yükseltmek için kullanılan hidrojenin çoğu doğal gazdan elde edilir, ancak şu anda sadece %4’ü elektrolizle üretilir yani suyu hidrojene ve oksijene ayırmak için elektrik kullanılır. Gelecekte karbon kaynaklı yapı taşları için benzer şeyler yapabiliriz.

Analiziniz Neler Buldu?

İki ana faktör olduğunu belirledik: birincisi elektrik maliyeti, ikincisi ise elektrik-kimyasal dönüşüm verimidir.

Geleneksel yöntemlerle rekabet edebilmek için elektriğin kilovat saatte dört kuruştan daha az maliyetinin olması ve elektrik-kimyasal dönüşüm veriminin %60 veya daha büyük bir seviyede olması gerekir.

Ne Kadar Yakınız?

Dünyada güneş enerjisinden elde edilen yenilenebilir enerjinin kilovat saat başına iki veya üç kuruşa mal olabileceği bazı yerler var. Bol miktarda hidro enerjiye sahip olan Quebec gibi bir yerde bile elektriğin negatif fiyatlarla satıldığı zamanlar vardır, çünkü depolamanın bir yolu yoktur. Bu nedenle, ekonomik potansiyel açısından bakıldığında birkaç önemli ülkede yakınlaştığımızı düşünüyorum.

Elektrik-kimyasal dönüşüm verimliliğini artırabilecek katalizörler tasarlamak zordur ve tezimi bu konu üzerinde çalışarak hazırladım. Etilen için gördüğüm en iyisi % 35 verimdi, ancak karbon monoksit gibi diğer bazı yapı blokları için % 50’ye yaklaşıyoruz.

Elbette bütün bunlar laboratuvar ortamında yapıldı, bunu günde kiloton oranında yapabilecek bir tesise ölçeklendirmek çok zor ama bunun sözünü verebilecek bazı uygulamaların olduğunu düşünüyorum.

Yenilenebilir Elektrosentezin Nasıl Görünebileceğine Dair Bir Örnek Verebilir Misiniz?

Dünyanın en çok üretilen petrokimyası olan etileni ele alalım. Teoride, yenilenebilir elektriği, doğru katalizörü ve havadaki karbondioksiti kullanarak veya bir egzoz borusundan etilen elde edebilirsiniz. Etileni plastik bir üreticiye satabilir, üretici de bunu plastik torbalara veya çim sandalyelere ya da her neyse ona dönüştürür.

Ömrünün sonunda  bu plastiği veya karbonun yoğun olduğu herhangi bir atık şeklini yakarak karbondioksiti yakalayabilir ve süreci yeniden başlatabilirsiniz. Başka bir deyişle, karbon döngüsünü kapattınız ve fosil yakıtlara olan ihtiyacı ortadan kaldırdınız.

Gelecekteki Araştırmaların Odağı Ne Olmalı?

National Research Council of Canada’da Program Director of the Clean Energy Materials Challenge Program’ında program direktörü olarak görev aldım. 21 milyon dolarlık ortak bir araştırma programı hazırlıyorum, bu nedenle bu soru üzerinde çok düşünüyorum.

Şu anda mevcut petrokimya tedarik zincirinin kolayca elektrosenteze çevrilebilecek kısımlarını hedef alıyoruz. Yukarıda bahsettiğim örnek, elektroliz kullanarak petrolün ve gazın yükseltilmesi için gerekli olan hidrojen üretimidir.

Hedefe yönelik iyi bir yapıtaşı, bugün kömürden üretilen karbon monoksit olacaktır. Elektrosentez yoluyla nasıl yapıldığını biliyoruz, verimliliği artırabilirsek bu bizim için bir çözüm olacaktır.

Yenilenebilir Elektrosentez, Emisyonları Azaltmak ve İklim Değişikliğiyle Mücadele Etme Konusunda Geniş Kapsamlı Stratejilere Nasıl Uyar?

Geri dönüşümlü yapı malzemelerine ihtiyacımız var, aydınlatma için daha verimli LED’lere, daha iyi güneş pillerine ve daha iyi pillere ihtiyacımız var.

Ancak, elektrik şebekesinden ve ulaşım ağından kaynaklanan emisyonlar yarın sıfıra düşse bile her gün kullandığımız ürünlerin çoğunu tedarik eden petrokimya endüstrisine yardımcı olmak için bir şey yapılmış sayılmaz. Eğer tedarik zincirinin bazı kısımlarını elektriklendirerek başlayabilirsek alternatif bir sistem oluşturmanın ilk adımını atmış oluruz.

Kaynak: phys.org