Elektrifizierter Kohlenwasserstoff - Hainan Propane Group Co., Ltd

Nature Communications Band 14, Artikelnummer: 1954 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Herstellung von Chemikalien gehört zu den größten Treibhausgasverursachern. Mehr als die Hälfte der damit verbundenen Emissionen ist auf die Summe von Ammoniak plus Oxygenaten wie Methanol, Ethylenglykol und Terephthalsäure zurückzuführen. Hier untersuchen wir die Auswirkungen von Elektrolysesystemen, die eine elektrisch betriebene anodische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff mit einer kathodischen H2-Entwicklungsreaktion aus Wasser koppeln. Wir stellen fest, dass die Treibhausgasemissionen, die mit der Herstellung von NH3 und Oxygenaten auf fossiler Basis verbunden sind, um bis zu 88 % reduziert werden können, sobald die anodische Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung mit hoher Selektivität entwickelt wird. Wir berichten, dass kohlenstoffarmer Strom nicht zwingend erforderlich ist, um eine Nettoreduzierung der Treibhausgasemissionen zu ermöglichen: Die weltweiten Emissionen der chemischen Industrie können um bis zu 39 % reduziert werden, selbst wenn Strom den CO2-Fußabdruck pro MWh hat, der heute in den USA oder China verfügbar ist. Wir schließen mit Überlegungen und Empfehlungen für Forscher, die diese Forschungsrichtung einschlagen möchten.

Die Herstellung von Chemikalien gehört mit 18 % zu den weltweiten Industrieemissionen1 zu den größten Treibhausgasemissionen. 85 % dieser Chemikalienemissionen sind auf den hohen Verbrauch fossiler Energie und Rohstoffe zurückzuführen, während 15 % direkte Emissionen aus der unvollständigen Selektivität heutiger thermochemischer Produktionsmethoden sind: Ein erheblicher Teil des Kohlenwasserstoff-Rohstoffs wird dabei ständig oxidiert zu Kohlendioxid (CO2) statt zum gewünschten, teilweise oxidierten Produkt2. Um vollständig CO2-neutral zu werden, reicht es also nicht aus, die Energiequelle einfach von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien umzustellen: Die heutigen Prozesse müssen durch Alternativen ersetzt werden, die Kohlenwasserstoffe nicht vollständig zu CO2 oxidieren.

Unter Berücksichtigung aller Chemikalien sind mehr als 50 % der Treibhausgasemissionen auf die Summe aus Ammoniak (NH3) und Oxygenaten wie Methanol, Ethylenoxid, Ethylenglykol, Propylenoxid, Phenol und Terephthalsäure zurückzuführen, die als Bestandteil ihrer Chemikalie Sauerstoff enthalten Struktur2. Eine gezielte Forschung an neuen Verfahren zur Herstellung dieser Chemikalien kann daher große Auswirkungen auf die Reduzierung der Netto-Treibhausgasemissionen haben.

Die Herstellung von Oxygenaten durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Ethylen, Propylen und p-Xylol ist wichtig für die Kunststoff- und Textilindustrie. Diese Prozesse finden typischerweise bei hohen Temperaturen und Drücken statt, um die inerten Kohlenwasserstoffe für die Funktionalisierung zu aktivieren. Aufgrund der exothermen Natur dieser Reaktionen ist auch eine umfassende Kühlung erforderlich, um ein thermisches Durchgehen zu unterdrücken und die vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe zu CO2 zu minimieren, was die Selektivität der angestrebten Oxygenate einschränkt. Beispielsweise werden nur etwa 80 % des Ethylens in das Endprodukt Ethylenoxid eingebaut, der Rest wird in direkte CO2-Emissionen umgewandelt (Abb. 1A)3.

Ein konzeptionelles Schema des thermokatalytischen Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Prozesses (detaillierte aktuelle Prozesse finden Sie in Abb. S1–6) sowie der H2-Produktion durch Methanreformierung und Wassergas-Shift-Reaktionen. Die roten Pfeile markieren die Quellen der direkten Emissionen in Abb. 1C. B Jährliche Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie von der Wiege bis zum Werkstor im Jahr 20308,49,55,56,57. C Aufschlüsselung der jährlichen Cradle-to-Gate-Emissionen der NH3-Herstellung und der Kohlenwasserstoffoxidation in Rohstoffe, direkte Emissionen und Abfallbehandlung, thermische Energie und Elektrizität.

Kommen wir nun zu den Reduktionsreaktionen: Die NH3-Herstellung ist der größte Einzelverursacher der globalen Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie2. Dies ist auf die hohe Produktionsmenge von NH3 zurückzuführen: Über die Hälfte der weltweiten Lebensmittelproduktion ist auf ammoniakbasierte Düngemittel angewiesen. Der Großteil der Treibhausgasemissionen stammt direkt aus der Methanreformierung und Wassergas-Shift-Reaktionen zur Herstellung des Wasserstoff (H2)-Rohstoffs (Abb. 1A).

Obwohl es eine sauberere Alternative gibt – die Wasserelektrolyse zu H2 und Sauerstoff (O2), werden weniger als 2 % des weltweiten H2-Bedarfs auf diese Weise gedeckt4,5. Dies liegt zum Teil daran, dass die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode von Wasserelektrolyseuren die Energiekosten von H2 + O26 erheblich erhöht. Heutige hochmoderne Wasserelektrolyseure verbrauchen etwa 180 MJ Energie pro kg H27, was deutlich über dem unteren Heizwert (LHV) von 120 MJ pro kg H2 liegt. Bei den heutigen Strompreisen ist die Wasserelektrolyse daher teurer als die Dampfreformierung von Methan7. Um eine Nettoreduzierung der Treibhausgasemissionen zu erreichen, muss die Wasserelektrolyse mit kohlenstoffarmem Strom betrieben werden. Dieser Strom ist in den meisten Industrieländern auch heute noch begrenzt, da Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind nur unregelmäßig verfügbar und noch nicht allgemein verfügbar ist. Wir haben uns daher auf Strategien konzentriert, die den hohen Energiebedarf der Wasserelektrolyse berücksichtigen und darauf abzielen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ohne auf ~100 % erneuerbaren Strom angewiesen zu sein.

Hier schlagen wir vor, dass die Elektrifizierung der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff aufgrund der hohen Produktionsmengen und Treibhausgasemissionen einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der chemischen Industrie haben kann. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die Bewertung von Elektrolysesystemen, die die anodische Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung mit der kathodischen H2-Entwicklungsreaktion (HER) aus Wasser unter Umgebungsbedingungen koppeln. Wir stellen fest, dass der Ansatz durch die Umleitung der Energie, die sonst bei der O2-Entwicklungsreaktion (OER) mit niedrigem Wert verbraucht würde, und stattdessen durch die Synthese höherwertiger Oxygenate die Nutzung von Elektrizität bei der Herstellung wertvoller Chemikalien maximiert. Wir bewerten durch eine prospektive Ökobilanz (LCA) das THG-Reduktionspotenzial im Vergleich zu thermokatalytischen Verfahren. Diese Strategie unterscheidet sich von einigen früheren LCA-Arbeiten, die sich auf Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung konzentrierten, um die mit der Chemieindustrie verbundenen Emissionen durch Schließen des Kohlenstoffkreislaufs zu reduzieren8,9,10,11. Das vorliegende LCA-Modell bietet eine Untergrenze für Kohlenstoffemissionen und zeigt das Best-Case-Szenario bei der Implementierung der gekoppelten Elektrolyseursysteme. Es zeigt sich, dass die Treibhausgasemissionen im Zusammenhang mit der Herstellung von NH3 und Oxygenaten auf fossiler Basis um bis zu 88 % reduziert werden können, sobald die anodische Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung entwickelt wird, um höhere Selektivitäten zu erreichen. CO2-armer Strom ist nicht zwingend erforderlich, um eine Nettoreduzierung der Treibhausgasemissionen zu ermöglichen: Tatsächlich stellen wir fest, dass die weltweiten Emissionen der chemischen Industrie um bis zu 39 % reduziert werden könnten, selbst wenn Strom mit Kohlenstoffintensitäten (definiert als CO2-Fußabdruck pro MWh Strom) verfügbar wäre in den Vereinigten Staaten und China heute12. Unter Berücksichtigung regionaler Produktionsanlagen führen derzeit etwa 18 % der weltweiten Chemiestandorte sowohl die NH3-Herstellung als auch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Oxygenaten am selben Standort durch13. Diese Standorte können für die Implementierung gekoppelter Elektrolyseurtechnologien ins Visier genommen werden. Abschließend besprechen wir die Kluft zwischen industriellen Anforderungen und aktuellen elektrochemischen Studien sowie die Frage, wie die Forschungsgemeinschaft Elektrokatalysatoren und Reaktionsbedingungen entwickeln kann, um diese neuen Elektrolyseurtechnologien zu realisieren.

Wir bewerten die globalen Klimaauswirkungen der Chemikalienherstellung mithilfe eines LCA-basierten Optimierungsmodells, das über 400 Life Cycle Inventory (LCI)-konforme Datensätze der besten verfügbaren Technologien für großvolumige Chemikalien und Kunststoffe umfasst (Einzelheiten zum LCA-Modell finden Sie unter Ergänzende Materialien). und Datensätze). Das Optimierungsmodell versucht, auf Basis der verfügbaren Technologien den kohlenstoffärmsten Weg zu finden und generiert technisch realisierbare Energie- und Materialflüsse entlang der chemischen Lieferketten. Diese Energie- und Stoffströme basieren auf unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung der gewünschten Chemikalien. In dieser Veröffentlichung wird das Modell verwendet, um die erwartete Produktion von 20 großvolumigen Chemikalien bis 2030 darzustellen. Zu diesen großvolumigen Chemikalien gehören Ammoniak, aliphatische Kohlenwasserstoffe (Ethylen, Propylen), aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Styrol, Cumol, Toluol usw.). -Xylol und gemischte Xylole), Oxygenate (Methanol, Ethylenglykol, Ethylenoxid, Propylenoxid, Terephthalsäure, Phenol), Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen) sowie Caprolactam, Acrylnitril und Vinylchlorid (Tabelle S2). Tatsächlich wurde bereits berichtet, dass diese 20 großvolumigen Chemikalien für mehr als 75 % der weltweiten Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie verantwortlich sind9. Daher verwenden wir das Ergebnis als Proxy für die chemische Industrie. Die berechneten Treibhausgasemissionen von der Wiege bis zum Werkstor umfassen Emissionen aus der Bereitstellung von Rohstoffen (d. h. Ethylen für die Ethylenoxidproduktion), thermischer Energie (d. h. Energie, die für den Betrieb von Trennungen und anderen Geräten benötigt wird), Elektrizität (d. h. Energie, die für Pumpen usw. benötigt wird). andere Ausrüstung) sowie direkte Emissionen und Abfallbehandlung (z. B. CO2 bei der Dampfreformierung von Methan zur Ammoniakproduktion und Abfallbehandlung für anorganische Abfälle aus der Propylenoxidproduktion).

Das Modell zeigt, dass die gesamten Treibhausgasemissionen der globalen Chemieindustrie bis zum Jahr 2030 2,3 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalente (2,3 Gt CO2-Äquivalente) pro Jahr erreichen werden (Abb. 1B). Über die Hälfte dieser Emissionen entsteht aus der Summe der NH3-Herstellung (21 %) plus der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Oxygenaten (30 %). Diese Prozesse sollten daher von der wissenschaftlichen Gemeinschaft gezielte Anstrengungen zur Entwicklung alternativer Produktionsprozesse mit geringerem CO2-Fußabdruck unternehmen. Der Rest entsteht aus der Produktion von Polyolefinen (28 %), Aromaten (12 %), Chlor (3 %), Vinylchlorid (3 %) und Acrylnitril (2 %).

Wir führten eine weitere Aufschlüsselung der jährlichen Cradle-to-Gate-Emissionen durch und ermittelten, dass die wichtigsten Emissionskomponenten die Produktion von H2-Rohstoff für die NH3-Herstellung, die Überoxidation von Kohlenwasserstoffen zu CO2 und die dafür erforderliche fossilbasierte Wärme- und Stromversorgung sind thermokatalytische Prozessbedingungen (Abb. 1C und Tabelle S3). Bei der NH3-Herstellung handelt es sich bei dem Großteil der damit verbundenen Treibhausgasemissionen um direkte Emissionen aus der Dampfreformierung von Methan mit anschließenden Wasser-Gas-Shift-Reaktionen zur Herstellung des H2-Ausgangsmaterials, das dann mit Stickstoff (N2) über die Haber-Bosch-Reaktion in NH3 umgewandelt wird . Dieser Prozess verursacht 0,4 Gt CO2-Äq. oder 18 % der weltweiten Emissionen der chemischen Industrie (Abb. 1C).

Die direkten Emissionen von Kohlenwasserstoffoxidationsprozessen resultieren aus einer begrenzten Selektivität gegenüber den angestrebten sauerstoffhaltigen Produkten, d. h. ein Teil der Kohlenwasserstoffe wird vollständig zu CO2 oxidiert. Dies entspricht 0,19 Gt CO2-Äq. (8,4 % der weltweiten Emissionen der chemischen Industrie, Abb. 1C) und entsteht hauptsächlich bei der Produktion von Methanol, Ethylenglykol und Terephthalsäure. Diese direkten Emissionen können vermieden werden, wenn alternative anodische Methoden zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff mit einer Selektivität nahezu eins entwickelt werden. Da zur Herstellung einer bestimmten Menge an Oxygenat weniger Kohlenwasserstoff-Rohstoffe erforderlich sind, werden dadurch gleichzeitig die Rohstoffemissionen reduziert, d.

Um die erforderlichen Temperaturen und Drücke für thermokatalytische Reaktionen zu erreichen, müssen Ausgangsmaterialien erhitzt und komprimiert werden. Heutige thermokatalytische Reaktionen laufen beispielsweise bei 200 bis 300 °C für Ethylenoxid, 800 °C für die Ammoniakproduktion und 175 bis 225 °C für Terephthalsäure ab. Die Wärme- und Elektroenergie stammt heute aus fossilen Brennstoffen und verursacht 0,25 bzw. 0,11 Gt CO2-Äq. (Abb. 1C, d. h. 11 und 5 % der weltweiten Treibhausgasemissionen sind mit der chemischen Industrie verbunden). Obwohl die Wärmebereitstellung durch Widerstandsheizungen erfolgen kann, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden, also durch die Nachrüstung bestehender Heizgeräte mit Elektrodenkesseln, erfordern solche elektrischen Power-to-Heat-Prozesse große Mengen an Strom. Die Entwicklung kathodischer HER- und anodischer Kohlenwasserstoffoxidationen, die bei Umgebungstemperaturen und -drücken durchgeführt werden können, wird die mit der Kompression und Erwärmung verbundenen Treibhausgasemissionen reduzieren.

Da der Großteil der mit der NH3-Herstellung verbundenen Treibhausgasemissionen bei der Produktion von H2-Rohstoffen entsteht, können diese Emissionen durch die Verwendung von H2, das durch Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt wird, eliminiert werden14. Die THG-Reduktionseffizienz der heutigen Wasserelektrolyse (WE), die die Dampf-Methan-Reformierung ersetzt, beträgt jedoch 0,26 t CO2-Äq. pro MWh Strom (Abb. 2A). Daher sollte die begrenzte Ressource erneuerbarer Strom nur dann für die Wasserelektrolyse verwendet werden, wenn solche effizienteren Optionen nicht verfügbar sind.

A Maximale Treibhausgas-Reduktionseffizienz pro MWh Strom durch Wasserelektrolyse und gekoppelte Elektrolyseur-Technologien. B Ein Elektrolyseursystem, das die kathodische Wasserstoffentwicklungsreaktion mit der anodischen Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung unter Umgebungsbedingungen koppelt. C Jährliche Cradle-to-Gate-Emissionen der NH3-Herstellung und der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff in vier Szenarien: (1) weiterhin Nutzung fossiler Technologien, (2) ausschließliche Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen, ohne weitere Änderungen an den Herstellungsprozessen , (3) Umstellung der H2-Produktion auf eine mit erneuerbaren Energien betriebene Wasserelektrolyse und (4) die Einbeziehung von mit erneuerbaren Energien betriebenen gekoppelten Elektrolyseurtechnologien. Beachten Sie, dass die schwarze Linie die Szenarien 1 und 2 darstellt. Szenario 1 stellt die Treibhausgasemissionen für eine Stromauswirkung von ~750 g CO2-Äquivalent dar. pro kWh und Szenario 2 die Treibhausgasemissionen für eine Strombelastung von 0 g CO2-Äq. pro kWh. D Jährliche Cradle-to-Gate-Emissionen der hier betrachteten Szenarien im Vergleich zu einer Stromversorgung mit unterschiedlichen Kohlenstoffintensitäten.

Die vorgeschlagenen, mit erneuerbaren Energien betriebenen Elektrolysesysteme, die kathodische HER mit anodischer Kohlenwasserstoff-zu-Sauerstoff-Umwandlung unter Umgebungsbedingungen koppeln (Abb. 2B), können die Treibhausgasreduktionseffizienz auf bis zu 0,48 t CO2-Äquivalent steigern. pro MWh Strom unter idealen Bedingungen (Abb. 2A).

Wir fahren mit der Bewertung des gesamten THG-Reduktionspotenzials von mit erneuerbarer Energie betriebenen Elektrolysesystemen fort, die kathodische HER mit anodischer Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung unter Umgebungsbedingungen koppeln (hierin als Szenario 4, Abb. 2C bekannt). Die Modelle werden dann verwendet, um drei Szenarien gegenüberzustellen: (1) fossilbasierte NH3-Herstellung und partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Oxygenaten mit der aktuellen globalen Stromversorgung in ecoinvent15 für 2018 (~750 g CO2-Äquivalent pro kWh Strom), ( 2) ausschließlich Strom aus erneuerbaren Quellen zu verwenden, ohne weitere Änderungen an den Herstellungsprozessen, und (3) die gesamte H2-Produktion auf eine mit erneuerbaren Energien betriebene Wasserelektrolyse umzustellen. Zu diesem Zweck verwenden wir dasselbe LCA-Modell wie im vorherigen Abschnitt, beschränken den Umfang jedoch auf den Endbedarf an NH3 und Oxygenaten für das Jahr 2030 (siehe Zusatzmaterial „Endbedarf“). In Szenario 3 wird Wasserstoff durch Wasserelektrolyse hergestellt. In Szenario 4 werden gekoppelte Elektrolysesysteme hinzugefügt, um Oxygenate zu erzeugen (siehe ergänzende Materialien „Modellierung gekoppelter anodischer Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenate- und kathodischer Wasserstoffentwicklungsreaktionen“). Da der weltweite Bedarf an Wasserstoff für die NH3-Herstellung den Bedarf an Oxygenaten übersteigt, wird der verbleibende Wasserstoffbedarf, der von den gekoppelten Elektrolyseursystemen nicht gedeckt wird, in Szenario 4 durch Wasserelektrolyse gedeckt. Um zunächst das maximale Potenzial für die Reduzierung von Treibhausgasen zu ermitteln, wird davon ausgegangen, dass erneuerbare Energien dies tun kohlenstofffrei sein und die elektrochemischen Wege ideale Wirkungsgrade bieten. Mit dem fossilbasierten Szenario 1 als Benchmark kann Szenario 2 die Treibhausgasemissionen um 11 % reduzieren, während Szenario 3 durch den Einsatz von Wasserstoff weitere Reduzierungen um bis zu 53 % ermöglichen kann (Abb. 2C). Szenario 4 kann die Treibhausgasemissionen noch weiter um bis zu 88 % reduzieren. Die restlichen 12 % der Emissionen sind auf den Betrieb von Steamcrackern und Raffinerien zur Bereitstellung von Kohlenwasserstoff-Rohstoffen zurückzuführen und können durch den Ersatz von Petrochemikalien durch sauberere und nachhaltigere Rohstoffe vermieden werden. Dies bedeutet, dass die gekoppelten Elektrolyseursysteme die Lock-in-Fossil-Technologie vermeiden können, indem sie den Übergang von aktuellen fossilen Rohstoffen zu einer vollständig CO2-neutralen Situation mit grünen Rohstoffen ermöglichen.

Darüber hinaus berechnen wir das THG-Reduktionspotenzial jedes Szenarios bei einer Stromversorgung unterschiedlicher Kohlenstoffintensität (Abb. 2D). Unser Optimierungsansatz minimiert die Treibhausgasemissionen für die gesamte Lieferkette der chemischen Industrie. Wir stellen fest, dass Szenario 3 die Treibhausgasemissionen nur mit einer Stromversorgung mit geringer CO2-Intensität (d. h. <200 g CO2-Äquivalent pro kWh) reduzieren kann, was in den meisten Industrieländern heute oder sogar im Jahr 2030 nicht verfügbar ist. Für Szenario 4 gilt: die Treibhausgasemissionen nehmen nichtlinear ab; unter 200 g CO2-Äq. pro kWh stellt die Lieferkette der NH3-Herstellung vollständig von fossiler auf erneuerbaren Strom basierende Wasserstoffproduktion um. Somit basiert die Lieferkette in Szenario 4 auf der Kombination von Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Reaktionen und Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff. Noch wichtiger ist, dass der Optimierungsansatz darüber hinaus ermittelt, dass gekoppelte Elektrolyseurtechnologien das Potenzial haben, die Treibhausgasemissionen unabhängig von der Kohlenstoffintensität der Stromversorgung zu reduzieren. Selbst mit der heutigen Stromversorgung in den USA oder China können die Treibhausgasemissionen um bis zu 39 % reduziert werden (Abb. 2D). Dies unterstreicht das Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasen und den Bedarf an weiterer Forschung zu effizienten anodischen Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlungen, die an HER gekoppelt werden können.

Um Einblicke in die Betriebskosten der NH3-Herstellung und der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff zu erhalten, schätzen wir den jährlichen Strom- und Öläquivalentverbrauch in den vier Szenarien (Tabelle S5). Es zeigt sich, dass die gekoppelten Elektrolyseur-Technologien zwar zu einem Anstieg des jährlichen Stromverbrauchs für Szenario 4 führen, gleichzeitig aber auch der jährliche Öläquivalentverbrauch an fossilen Ressourcen für Rohstoffe und Energieeintrag sinkt. Angesichts der Tatsache, dass die Ölpreise zwischen 50 und 71 US-Dollar pro Barrel und die Strompreise zwischen 2 und 6 Cent/kWh liegen, führt dies insgesamt zu vergleichbaren oder sogar geringfügig niedrigeren Energie- und Rohstoffkosten im Vergleich zu den Szenarien 1–3 (Abb. S7). Dies gilt selbst bei niedrigen Ölkosten (d. h. Ölpreis an der unteren Grenze der Spanne) und hohen Stromkosten (d. h. Strompreis an der oberen Grenze der Spanne). Dies deutet darauf hin, dass Investitionen in die Forschung und Entwicklung gekoppelter Elektrolyseurtechnologien von Nutzen sein könnten. Während die Ölpreise bekanntermaßen schwanken, folgt das vorliegende Modell den Richtlinien der IEA; Wenn die Ölpreise im Verhältnis zu diesen Werten steigen, wird die Feststellung vergleichbarer oder sogar geringfügig niedrigerer Energie- und Rohstoffkosten in Szenario 4 im Vergleich zu Szenario 1–3 weiter verstärkt.

Eine Analyse modernster Datenbanken zeigt, dass 18 % der weltweiten Chemiestandorte derzeit sowohl die NH3-Herstellung als auch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Oxygenaten durchführen13. Diese Standorte können kurzfristig für die Implementierung gekoppelter Elektrolyseurtechnologien ins Visier genommen werden. Bei diesen Koproduktionsstandorten handelt es sich in der Regel um große Produktionsstandorte wie etwa in Ludwigshafen, Deutschland. An diesem Verbundstandort werden knapp 1 Mt Ammoniak und Oxygenate (also Methanol, Ethylenoxid und Propylenoxid) gemeinsam produziert und bieten somit hervorragende Voraussetzungen für die Umsetzung der gekoppelten Elektrolyseurtechnologien.

Nachdem wir das THG-Reduktionspotenzial der gekoppelten Elektrolyseurtechnologien ermittelt haben, diskutieren wir nun die Lücke zwischen industriellen Anforderungen und hochmodernen Reaktionen. Die Entwicklung anodischer Oxidationen als synthetischer Werkzeugkasten für die chemische Aufwertung hat in jüngster Zeit Aufmerksamkeit erregt, um die thermodynamischen Grenzen von OER zu überwinden und die Effizienz der Umwandlung erneuerbarer Elektrizität in chemische Werte zu steigern. Dazu gehört die anodische Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden16,17, Aminen zu Nitrilen18,19 und Tetrahydroisochinolinen (THIQs) zu Dihydroisochinolinen (DHIQs)20, die thermodynamisch günstiger sind als OER (Abb. 3A). Redoxmediatoren können auch verwendet werden, um auf bestimmte funktionelle Gruppen abzuzielen und die partielle Oxidation bei niedrigeren angelegten Potentialen als bei der direkten Oxidation an der Anode zu fördern21 (Abb. 3B). Beispielsweise wird der Redoxmediator (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO) häufig verwendet, um Alkoholgruppen selektiv für die Oxidation anzusprechen22.

A Stromdichten und Faradaysche Wirkungsgrade der berichteten hochmodernen anodischen Oxidationsreaktionen. B Direkte Oxidation an der Anode versus Redoxmediator. C Vergleich der Faradayschen Effizienz und Stromdichte kürzlich beschriebener anodischer Kohlenwasserstoffoxidationen. D Sensitivitätsanalyse der jährlichen Cradle-to-Gate-Emissionen mit gekoppelter Elektrolyseur-Technologie unterschiedlicher Energieeffizienz, basierend auf Szenario 4 mit Stromversorgung unterschiedlicher Kohlenstoffintensität. Die Cradle-to-Gate-Systemgrenze umfasst die Prozessschritte von der Rohstoffgewinnung (Öl, Gas, nachwachsende Rohstoffe) bis zur Produktion der im Geltungsbereich befindlichen Chemikalien. In diese Bewertung wird somit auch der Stromverbrauch einbezogen.

Zielprodukte wurden mit hohen Faradayschen Wirkungsgraden (>90 %) erreicht (Abb. 3A); Bisher konzentrierte sich die Forschung jedoch nicht auf die Primärchemikalien, die zu den globalen Treibhausgasemissionen beitragen, noch auf die damit verbundenen Märkte, die mit denen von NH3 vergleichbar sind. Im Gegensatz dazu kann die Elektrifizierung der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Sauerstoff aufgrund der hohen Produktionsmengen und Treibhausgasemissionen einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der chemischen Industrie leisten. In jüngster Zeit wurden Fortschritte bei der anodischen Kohlenwasserstoffoxidation erzielt, und zwar über die sp3-CH-Funktionalisierung im Fall von Methan23, im Allylkohlenstoff von Propylen24 und durch Addition über die C=C-Bindung, beispielsweise in Ethylen und Propylen. Diese Reaktionen zeichneten sich durch hohe Faradaysche Effizienzen und Spezifitäten von über 50 % aus (Abb. 3C). Für C=C-Additionen wie die Dihydroxylierung von Ethylen und Propylen wurden hohe Stabilitäten von 100 Stunden erreicht25. Allerdings liegen die Stromdichten solcher Reaktionen im Allgemeinen unter denen, die für eine kommerzielle Umsetzung erforderlich sind (dh <10 mA/cm2). Am Beispiel der anodischen Produktion von Ethylenoxid und Propylenoxid zeigte eine technoökonomische Analyse, dass hohe Stromdichten (d. h. 300–1000 mA/cm2) erforderlich sind, um die Oberfläche elektrochemischer Reaktoren zu minimieren und dadurch die Kapitalkosten zu senken26,27.

Hohe Energieeffizienz gibt die Ausbeute an gewünschten chemischen Produkten bei einem gegebenen elektrischen Input an, insbesondere bei begrenzter erneuerbarer Energie. Die Energieeffizienz ist definiert als das Verhältnis zwischen der Nutzleistung des Elektrolysesystems und der Stromaufnahme und hängt mit Parametern wie Umwandlung, Faradayscher Effizienz und der Spannung zusammen, die zum Antreiben einer bestimmten Stromdichte erforderlich ist (siehe Gleichungen 8–10 in der Ergänzung). Materialien). Um die Energieeffizienz zu quantifizieren, die zur Erreichung des CO2-Reduktionsziels erforderlich ist, führen wir eine Sensitivitätsanalyse basierend auf Szenario 4 mit Strom unterschiedlicher Kohlenstoffintensität durch (Abb. 3D). Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, kann Szenario 4 ein maximales THG-Reduktionspotenzial von 88 % (Abb. 2C) mit einer THG-Reduktionseffizienz von 0,46 t CO2 pro MWh erneuerbarem Strom ermöglichen (Tabelle S4). Obwohl das THG-Reduktionspotenzial von Szenario 4 mit abnehmender Energieeffizienz abnimmt, ist es unempfindlich gegenüber der Energieeffizienz, wenn Strom vollständig erneuerbar werden kann (d. h. eine Kohlenstoffintensität von 0 g CO2 pro kWh). Bei einer Energieeffizienz von 25 % beträgt die THG-Reduktionseffizienz 0,33 t CO2 pro MWh erneuerbarer Strom und ist damit immer noch >25 % höher als bei der Wasserelektrolyse mit 0,26 t CO2 pro MWh.

Abschließend stellen wir fest, dass die anodische partielle Oxidation von Reaktanten mit höherem Kohlenstoffgehalt, wie die Oxidation von Benzol zu Phenol und Xylol zu Terephthalsäure, ebenfalls wichtig für die Minderung der Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie ist. Diese Reaktionen sind weniger erforscht und sollten von der wissenschaftlichen Gemeinschaft gezielte Anstrengungen unternehmen.

Um die Realisierung der gekoppelten Elektrolyseur-Technologie aus Szenario 4 zu beschleunigen, heben wir technologische Ziele hervor, die von Forschern erreicht werden müssen, die diese aufstrebende Forschungsrichtung einschlagen möchten. Ein wichtiges technologisches Ziel ist die Aktivierung gesättigter CH-Bindungen ohne Wärmeeintrag, um die Funktionalisierung von Kohlenwasserstoffen wie Methan zu ermöglichen. Eine mögliche Lösung ist die Adaption des Shilov-Systems, bei dem die partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffs wie Methan zu Methanol oder Methylchlorid durch ein wässriges PtII-Salz mit PtIV als stöchiometrischem Oxidationsmittel in einer elektrochemischen Umgebung katalysiert wird, in der die Anode fungiert als Oxidationsmittel23.

Bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen kann es schwierig sein, das gewünschte C-Atom selektiv zu oxidieren. Im Fall von Propylen gibt es zwei potenzielle Stellen für eine partielle Oxidation (Abb. 4A); der allylische Kohlenstoff, der Acrolein erzeugen würde, und die ungesättigte Doppelbindung, die Propylenoxid oder Glykol ergeben würde. Kürzlich wurde über die anodische Oxidation von Propylen zu Acrolein über einer nanostrukturierten Palladiumanode unter sauren Elektrolytbedingungen bei Potentialen von 0,9 V vs. RHE mit einem Faradayschen Wirkungsgrad von 62 % berichtet (Abb. 4A)24. Die Dihydroxylierung ungesättigter C=C-Bindungen scheint unter neutralen Bedingungen und bei einem relativ höheren Potential von 1,7 V gegenüber RHE gegenüber einer aktivierten Palladiumanode bevorzugt zu sein, mit einem Faradayschen Wirkungsgrad von 81 % bei 7,1 mA/cm2 gegenüber Ethylenglykol und 78 % bei 5,6 mA/cm2 gegenüber Propylenglykol. Die Aktivierung des Palladiums in eine oxidierte Form während der ersten zwei Stunden erhöht die Stromdichte um das etwa Dreifache und den Faradayschen Wirkungsgrad um das etwa Achtfache.

A Trichterselektivität zum gewünschten Produkt (angepasst aus Lit. 24, Copyright 2019 Royal Society of Chemistry). B Die Schnittstelle der anodischen partiellen Kohlenwasserstoffoxidation mit der kathodischen Wasserstoffentwicklungsreaktion25. C Flexibilität zwischen anodischer Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung und Sauerstoffentwicklungsreaktion (angepasst aus Lit. 26, Copyright 2020 American Association for the Advancement of Science).

Ein weiteres wichtiges technologisches Ziel ist die Verknüpfung der anodischen partiellen Kohlenwasserstoffoxidation mit der kathodischen HER; Dennoch funktionieren diese unter unterschiedlichen Bedingungen von pH-Wert, Elektrolyt und Betriebspotential optimal. Beispielsweise wird HER unter wässrigen Bedingungen durchgeführt, was den Massentransport von Kohlenwasserstoffen zum Anodenkatalysator begrenzt und konkurrierende OER einführt. Die großen positiven Potentiale, die für die Durchführung dieser Reaktionen bei hohen Stromdichten erforderlich sind, können zu einer unkontrollierten Überoxidation führen und unerwünschte Nebenprodukte wie CO2 erzeugen. Die Kontrolle der Betriebspotentiale und Elektrolytbedingungen wird verwendet, um OER zu unterdrücken und die Faradaysche Effizienz in Richtung des gewünschten Produkts zu lenken (Abb. 4B). Redoxmediatoren wie Cl− können auch an der Anode mit ausgedehnten heterogen:homogenen Grenzflächen eingesetzt werden. Das Cl− schützt Ethylen vor unkontrollierter Oxidation und erleichtert dadurch die Ethylenoxidproduktion26.

Da der weltweite Bedarf an Wasserstoff den Bedarf an Oxygenaten übersteigt, ist die Flexibilität zwischen der anodischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Oxygenate und der OER ein weiteres wichtiges Ziel zur Verwirklichung von Szenario 4 (Abb. 4C). Beispielsweise können bei der anodischen Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid die Faradayschen Wirkungsgrade von Ethylenoxid und O2 abhängig von der Cl−-Konzentration im Elektrolyten variieren26. Somit besteht das Potenzial für Flexibilität, das Wasserstoff-zu-Oxygenat-Verhältnis an die sich entwickelnde Marktnachfrage anzupassen.

Die anodische Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Oxygenaten wie Propylenoxid, Phenol, Ethylenglykol, Terephthalsäure und Methanol ist ein synthetischer Werkzeugkasten mit erheblichem Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasen. Die aktuelle Leistung bleibt jedoch unter dem, was für eine kommerzielle Umsetzung erforderlich ist26. Es sind gezielte Anstrengungen erforderlich, um die damit verbundenen technischen Herausforderungen zur Elektrifizierung der chemischen Industrie zu bewältigen. Man muss bedenken, dass die erhöhte Nachfrage nach erneuerbarem Strom zu einem höheren Bedarf an Land und Bodenschätzen führen wird. Der Flächenbedarf für Photovoltaik- und Wasserkraftwerke beträgt 10–20 m2/MWh28,29. Erneuerbare Technologien können auch material- und mineralintensiv sein; Insbesondere Solar-, Wind- und Elektrolysetechnologien erhöhen die Nachfrage nach Silizium, Kupfer, Kobalt, Nickel, Zink, Chrom, Mangan, Molybdän und Seltenerdmetallen30.

Es muss auch beachtet werden, dass solche elektrochemischen Reaktionen nur ein Element des Übergangs zur CO2-Neutralität sind; Sie berücksichtigen nicht 12 % der mit der NH3-Herstellung und der partiellen Kohlenwasserstoffoxidation verbundenen Emissionen von der Wiege bis zum Werkstor (Abb. 2B, C), die auf den Betrieb von Steamcrackern und Raffinerien zur Bereitstellung von Kohlenwasserstoffrohstoffen wie Ethylen und p zurückzuführen sind -Xylol. Diese Emissionen können durch den Ersatz thermischer Energie durch elektrifizierte Steamcracker-Öfen31 reduziert werden.

In einer ferneren Zukunft können diese Rohstoffemissionen eliminiert werden, indem petrochemische Rohstoffe durch solche aus saubereren und nachhaltigeren Quellen ersetzt werden. Kohlenwasserstoffrohstoffe wie Methanol, Olefine und Aromaten haben, wenn sie durch die elektrochemische Reduktion von CO2 hergestellt werden, das Potenzial, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen9,32. Auf diese Weise können die gekoppelten Elektrolyseursysteme einen Lock-in in fossile Technologien vermeiden. Es wurde eine erfolgreiche Demonstration durchgeführt, bei der aus CO2 gewonnenes Ethylen anodisch in Ethylenoxid umgewandelt wird, wodurch ein vollständig elektrochemischer Weg mit CO2, Wasser und Strom als einzigen Verbrauchsmaterialien realisiert wird26.

Biomasse hat das Potenzial, nicht nur als Energiequelle, sondern auch als Ausgangsstoff für die anodische Aufbereitung zu Grundchemikalien zu dienen. Diese Verwendung in Grundchemikalien hat das Potenzial, die Wertschöpfung pro Menge eingesetzter Biomasse zu maximieren. In diesem Zusammenhang ist Lignin, ein aus pflanzlicher Biomasse gewonnener Stoff, die weltweit größte Quelle natürlich vorkommender Aromastoffe. Anodische Oxidation wurde eingesetzt, um die Alkoholgruppen in unmittelbarer Nähe der β-O-4-Etherbindung zu oxidieren, die 45–60 % der Bindungen im Lignin ausmacht, um dessen Spaltung und die Freisetzung wertschöpfender Untereinheiten zu erleichtern33,34 .

Die anodische Aufbereitung kann auch verwendet werden, um aus Biomasse gewonnene kleine Moleküle in Kunststoffvorläufer umzuwandeln und nachhaltige Polymere zu ermöglichen. Das Zuckerderivat Hydroxymethylfurfural (HMF) kann anodisch zu 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) oxidiert werden, einem potenziellen Ersatz für Terephthalsäure in Polyethylenterephthalaten (PET)35,36,37. Das wichtigste Nebenprodukt bei der Biodieselproduktion, Glycerin, von dem 0,1 Tonnen pro produzierter Tonne Biodiesel erzeugt werden, kann anodisch in Milchsäure umgewandelt werden, die Vorstufe von Polymilchsäure6. Dies geschieht durch die Oxidation der sekundären Alkoholgruppe zur Bildung von 1,3-Dihydroxyaceton (DHA)38,39, gefolgt von einer basenkatalysierten Dehydratisierung und Cannizzarro-Umlagerung zur Bildung von Milchsäure40. Die oben genannten Beispiele zeigen, dass anodische Oxidationen auch mit der Weiterentwicklung der Technologien zur CO2-Nutzung und Biomasseverarbeitung ein zentrales Element einer vollständig erneuerbaren chemischen Industrie sein werden.

Das Bottom-up-Modell basiert auf der Methodik des Technology Choice Model (TCM)41 und einer aktuellen Veröffentlichung der Autoren8. Mit dem Modell können die Umweltauswirkungen großer Produktionssysteme und kompletter Lieferketten für Chemikalien und Kunststoffe unter Einhaltung der ISO-Standards für LCA42,43 berechnet werden. Das TCM stützt sich auf die allgemeine Berechnungsmethode von LCA44 und passt diese Berechnungsmethode an, um ein mathematisches Optimierungsproblem darzustellen, wie in den Gleichungen gezeigt. 1 bis 3.

wobei \({h}_{{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{2}}\) die akkumulierten Treibhausgasemissionen darstellt, \(A\) die Technologiematrix ist, \ (y\) ist die endgültige Nachfrage und \(c\) ist die potenzielle Obergrenze für den Skalierungsvektor \(s\). Matrix \(B\) stellt dar, wie Technologien Elementarströme mit der Umwelt austauschen, also natürliche Ressourcen verbrauchen und Emissionen freisetzen. Hier gilt Gl. 1 definiert das Ziel, die Treibhausgasemissionen (THG) von der Wiege bis zum Werkstor zu minimieren, während Gl. 2 gibt die endgültige Anforderung an, die erfüllt wird. Somit deckt das Angebot über die gesamte Lieferkette stets den Bedarf der spezifizierten chemischen Produkte ab. Wenn beispielsweise der Endbedarf an Ethylenoxid der einzige spezifizierte Bedarf ist, dann wäre das Angebot an Ethylen genau das, was die Ethylenoxid-Produktionstechnologien benötigen.

Die Elemente in \({Q}_{{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{2}}\) repräsentieren das 100-jährige globale Erwärmungspotenzial jedes Elementarstroms gemäß IPCC 201445 Die Zielfunktion stellt somit die akkumulierten äquivalenten CO2-Emissionen dar. Gleichung 3 definiert, dass die Skalierungsvektoreinträge zwischen Null und der Obergrenze \(c\) liegen müssen. Die Obergrenze \(c\) kann verwendet werden, um die Bereitstellung von Strom oder Wärmeenergie für eine bestimmte Technologie zu begrenzen. Alle Technologien in den Matrizen \(A\) und \(B\) werden durch vollständige Massen- und Energiebilanzen beschrieben. Die Matrizen des Modells werden auf Zenodo46 bereitgestellt, sofern keine zusätzlichen Lizenzen erforderlich sind. In die Analyse sind 429 Variablen (Prozesse in A) und 174 Einschränkungen (Flüsse in y) einbezogen. c ist auf unendlich gesetzt.

Für das Modell konstruieren wir aus Prozessdaten auf der Ebene einzelner Prozesse die Technologiematrix A und die Elementarflussmatrix B. Bei diesen Prozessen handelt es sich entweder um Einheitsdatensätze oder um aggregierte Datensätze.

Einheitsprozessdatensätze sind die kleinstmögliche Einheit eines Prozesses mit Ein- und Ausgängen. Auf dieser Einheitenebene berücksichtigt der Datensatz alle technischen Ein- und Ausgänge. Nur die elementaren Abläufe eines einzelnen Einheitsprozesses werden durch den Datensatz dargestellt.

Im Gegensatz zu Einheitsprozessdatensätzen, die nur einen einzelnen Einheitsprozess darstellen, repräsentieren vollständig abgeschlossene aggregierte Prozessdatensätze die gesamte Produktionskette. Bei aggregierten Prozessdatensätzen treten elementare Flüsse ein oder aus, und nur ein technischer Fluss verlässt den Prozess. Andere technische Abläufe werden innerhalb der Produktionskette erstellt oder verbraucht.

Die von Kätelhön et al. vorgeschlagene Methodik. dient der Auswahl der jeweiligen Chemie- und Kunststoffproduktionstechnologien41. Dabei werden zunächst kommerziell verfügbare Technologien identifiziert, die zu den geringsten Treibhausgasemissionen führen und als beste verfügbare Technologien2,47,48 bezeichnet werden. Die Massen- und Energiebilanzen für alle besten verfügbaren Technologien werden dann als Einheitsprozessdatensätze einbezogen. Als nächstes identifizieren wir relevante erneuerbare Ammoniakproduktionstechnologien sowie gekoppelte anodische Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenate- und kathodische Wasserstoffentwicklungsreaktionen auf der Grundlage einer Literaturrecherche. Anschließend beziehen wir die Einheitsprozesse für diese Technologien ein (weitere Einzelheiten finden Sie in den folgenden Abschnitten). Abschließend werden aggregierte Datensätze für alle fehlenden Inputs (z. B. Chemikalien, Wärmeenergie und andere Versorgungsbetriebe) einbezogen, die nicht von einem der in den vorherigen Schritten bereits enthaltenen Einheitsprozesse bereitgestellt werden.

Eine Liste der Datensätze finden Sie in Tabelle S6. Ein Teil dieser Tabelle wurde ursprünglich von Meys et al.8 veröffentlicht.

Aggregierte Datensätze stammen aus der LCI-Datenbank ecoinvent15 und repräsentieren den globalen Produktionsmix (globaler Datensatz). Wenn kein globaler Datensatz verfügbar ist, wird stattdessen ein europäischer Datensatz verwendet.

Datensätze für konventionelle Produktionswege stammen aus dem IHS Process Economics Program49. Diese Datenbank enthält Prozesssimulationen und Datensätze, die von Industrieexperten verifiziert wurden. Da Elementar- und Abfallströme wie anorganische oder organische Rückstände nicht berücksichtigt werden, haben wir ein Modell für die Abfallverbrennung50,51 angepasst und eingefügt, das auf Daten zur Verbrennung gefährlicher Abfälle in einem Chemiepark in Westdeutschland basiert. Die Rauchgasreinigung basiert in diesem Modell auf Nasswäschern, Elektrofiltern sowie SCR-Low-Dust- und SNCR-DeNOx-Stufen.

NH3 wird durch das Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, bei dem ein gasförmiges Gemisch aus H2 und N2 als Beschickung für einen Reaktor verwendet wird, der bei 450 °C und 200 bar arbeitet. Nach der Reaktion wird flüssiges NH3 kryogen aus dem Produktgemisch abgetrennt. Nicht umgewandeltes H2 und N2 werden in den Haber-Bosch-Reaktor zurückgeführt52. Unser Modell nutzt die Einheitsprozessdaten einer bestehenden wissenschaftlichen Veröffentlichung53. Die H2-Einspeisung erfolgt entweder durch Wasserelektrolyse oder andere H2-Produktionsprozesse, während N2 durch eine Luftzerlegungsanlage geliefert wird.

Zur Modellierung der elektrochemischen H2- und O2-Produktion nutzen wir die Prozessdaten der Niedertemperatur-Wasserelektrolyse. Der durchschnittliche Wirkungsgrad dieses Prozesses beträgt 67,15 %, basierend auf den Nettoheizwerten, was zu einem Stromverbrauch von 178,7 MJ pro kg produziertem H2 führt7.

In dieser Veröffentlichung wurden dem bestehenden Modell der chemischen Industrie Elektrolyseursysteme hinzugefügt, die kathodische HER mit anodischer Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlung koppeln. Da sich gekoppelte Elektrolyseur-Technologien noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, sind für diese Reaktionen keine Prozessdaten verfügbar. Um diese Datenlücken zu schließen, gehen wir von stöchiometrischen Reaktionen mit vollständiger Umrechnung für die Einheitsprozesse aus:

wobei \(v\) den stöchiometrischen Koeffizienten und \(M\) die Molmasse bezeichnet. Die Liste aller berücksichtigten anodischen Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenat-Umwandlungen finden Sie in Tabelle S1. Der Massenstrom \(m\) jedes Reaktanten und Produkts \(i\) kann dann basierend auf der stöchiometrischen Reaktion berechnet werden:

Der Strombedarf \({P}_{{{{{{\rm{el}}}}}},{{\min }}}\) der elektrochemischen Reaktion ist äquivalent zur Reaktionsenthalpie \({\ Dreieck H}_{{{{{\rm{R}}}}}}}^{0}\), das aus dem stöchiometrischen Koeffizienten \(v\) und der Standardbildungsenthalpie \(\triangle {h}_{{{{{\rm{f}}}}}}}^{0}\) jedes Reaktanten und Produkts \(i\) (siehe Tabelle S2 für die Standardbildungsenthalpie jeder Verbindung ):

Der Endbedarf ist die Gesamtproduktion oder die Menge der Abfallbehandlung eines Zwischenstroms. In dieser Veröffentlichung werden zwei letzte Forderungen berücksichtigt:

(1) die Endnachfrage für die gesamte chemische Industrie, die zur Ableitung der in Abb. 1B, C und gezeigten Ergebnisse verwendet wird

(2) der endgültige Bedarf nur an Ammoniak und Oxygenaten, wie in Tabelle S3 angegeben und zur Berechnung der in Abb. 2C, D gezeigten Ergebnisse verwendet.

Die THG-Reduktionseffizienz des Szenarios (s) wird als Verhältnis der THG-Reduktion berechnet, das sich durch Subtraktion der THG-Emissionen des Szenarios (s) von denen des Szenarios ergibt, in dem weiterhin fossile Brennstoffe genutzt werden. zum Strombedarf des Szenarios \(s\):

Diese szenariospezifische Definition der THG-Reduktionseffizienz verallgemeinert die technologiespezifische Definition von Sternberg et al., bei der die THG-Emissionen einer neuen Technologie mit denen einer etablierten Technologie verglichen werden54. Abbildung 2A zeigt die szenariospezifischen THG-Reduktionseffizienzen für Wasserelektrolyse und gekoppelte Elektrolyseursysteme.

Die Modellparameter sowie alle verwendeten Daten sind öffentlich verfügbar. Allerdings ist in manchen Fällen eine Lizenz von IHS Markit erforderlich. Alle Daten, die offen zugänglich gemacht werden können, werden über Zenodo (https://zenodo.org/record/5118762#.YWacOByxWUk)46 bereitgestellt.

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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom Ontario Ministry of Colleges and Universities (Grant ORF-RE08-034), dem Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada (Grant RGPIN-2017-06477) und dem Canadian Institute for Advanced Research (Grant ORF-RE08-034) unterstützt wurden. CIFAR) (Grant FS20-154 APPT.2378) und University of Toronto Connaught Fund (Grant GC 2012-13). WRL möchte sich für den A*STAR Career Development Award (Fördernummer: C210112053) und das Young Individual Research Grant (Fördernummer: A2084c0180) bedanken. SV dankt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie – Exzellenzcluster 2186 „The Fuel Science Center“ ID: 390919832. AB dankt PATHFNDR für die Unterstützung im Rahmen des SWEET-Programms für Schweizer Energieforschung für die Energiewende des Bundesamts für Energie BFE.

Folgende Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Wan Ru Leow, Simon Volker, Raoul Meys.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, University of Toronto, 10 King's College Road, Toronto, Ontario, M5S 3G4, Kanada

Wan Ru Leow, Jianan Eric Huang und Edward H. Sargent

Institut für Nachhaltigkeit bei Chemikalien, Energie und Umwelt (ISCE2), Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A*STAR), 1 Pesek Road, Jurong Island, Singapur 627833, Singapur

Wan Ru Leow

Institut für Technische Thermodynamik, RWTH Aachen, Schinkelstr. 8, 52062, Aachen, Deutschland

Simon Volker, Raoul Meys und Andrew Bardow

Carbon Minds GmbH, Eupener Straße 165, 50933, Köln, Deutschland

Raoul Meys

TOTAL American Services Inc., Hopkinton, MA, 01748, USA

Shaffiq A. Jaffer

Energie- und Prozesssystemtechnik, Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, ETH Zürich, 8092, Zürich, Schweiz

André Bardow

Institute of Energy and Climate Research - Energy Systems Engineering (IEK-10), Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425, Jülich, Germany

André Bardow

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WRL, SV, RM, AB und EHS konzipierten die Idee, entwarfen die Methoden und verfassten gemeinsam das Manuskript. RM führte die Modellierung und Berechnungen durch. JEH und SAJ diskutierten die Ergebnisse und halfen bei der Manuskripterstellung.

Korrespondenz mit Wan Ru Leow, André Bardow oder Edward H. Sargent.

AB war Mitglied in Prüfungsausschüssen für Forschung und Entwicklung bei ExxonMobil und TotalEnergies. Die übrigen Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Nature Communications dankt Phillip Stadler und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Leow, WR, Völker, S., Meys, R. et al. Elektrifizierte Kohlenwasserstoff-zu-Oxygenate gekoppelt mit der Wasserstoffentwicklung zur effizienten Minderung von Treibhausgasen. Nat Commun 14, 1954 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37382-3

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Eingegangen: 16. Juni 2022

Angenommen: 09. März 2023

Veröffentlicht: 07. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37382-3

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