DC-MUSE se concibió este verano en un taller al que asistieron más de 40 empresas e instituciones y fue organizado por una subvención de planificación de la Fundación Nacional de Ciencias para desarrollar capacidades en investigación convergente. Su objetivo es desarrollar tecnologías y estrategias para ayudar a la industria química estadounidense a migrar de los procesos de fabricación basados en la temperatura a los basados en la electricidad.
Una serie de regulaciones gubernamentales destinadas a lograr emisiones de carbono cero están impulsando esta migración. Estas regulaciones sobre emisiones de efecto invernadero entrarán en vigor progresivamente en las próximas décadas, culminando, por ejemplo, con el objetivo de la Unión Europea de reducir el 95 por ciento de las emisiones de efecto invernadero al nivel de 1990 para 2050. Estas y otras regulaciones internacionales sobre emisiones de efecto invernadero podrían amenazar con hasta un 12 por ciento de todas las exportaciones de EE. UU. ($ 220 mil millones), si la industria química de EE. UU. no puede descarbonizar sus procesos. La tarea es claramente enorme, no solo para la industria en sí, sino para la economía en general.
andré taylorEscuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York
“El treinta por ciento del CO industrial de EE. UU.2 Las emisiones provienen de la industria química, y el 93 % de los procesos químicos utilizan calor de combustibles fósiles”, señaló Andre Taylor, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York. impacto, que abarca 70,000 productos y el 25% del producto interno bruto de EE. UU.”.
Muchos expertos creen que el primer paso en la revisión de la industria química implicará alejarse de las reacciones químicas impulsadas térmicamente y los procesos de separación que requieren calor de los combustibles fósiles y pasar a reacciones que utilizan electricidad generada por recursos renovables, como la eólica y la solar.
Si bien esta migración ya comenzó a ocurrir, con la penetración de fuentes renovables en la red eléctrica de EE. UU. duplicándose en la última década, las tecnologías para integrar estas fuentes en procesos químicos electrificados rentables han permanecido prácticamente inexistentes.
yuri dvorkinEscuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York
“Después de reunirnos con muchos representantes de la industria química, aprendimos que las tecnologías que permitirían la electrificación a escala industrial no existen en este momento”, dijo Yury Dvorkin, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Tandon de la NYU. “La industria necesita apoyo para desarrollar estas tecnologías para que puedan adoptarse de una manera que sea económicamente factible”.
Una de las áreas en las que Dvorkin y sus colegas creían que debían concentrarse era en superar los problemas emergentes de confiabilidad que inhiben y aumentan el costo del uso de energía renovable en la red eléctrica. En otras palabras, ¿cómo se asegura de que no haya interrupciones en el suministro de energía eléctrica cuando la energía del sol y el viento pueden ser intermitentes?
Por el momento, las tecnologías de almacenamiento de energía no están del todo a la altura de la tarea de equilibrar la intermitencia de la electricidad renovable. Como resultado, los investigadores de NYU Tandon han estado buscando almacenar energía en forma de enlaces químicos, en lugar de electrones, como una posible solución.
En enfoques de almacenamiento de energía como este, la energía se almacena químicamente en forma de hidrógeno, y ese hidrógeno se reutiliza más tarde en una celda de combustible. Las celdas de combustible utilizadas para capturar la energía se denominan baterías de flujo redox (RFB). Los RFB consisten en un electrolito positivo y negativo almacenado en dos tanques separados. Cuando los líquidos se bombean a la pila de celdas de la batería situada entre los tanques, se produce una reacción redox y se genera electricidad en los electrodos de la batería.
Varios investigadores de la NYU publicaron recientemente un artículo en la revista Informes celulares Ciencias físicas que busca mejorar las capacidades de almacenamiento de energía y la economía de estos RFB.
Los investigadores de la NYU no modificaron simplemente la tecnología RFB para mejorar su densidad de energía o reducir sus costos. En lugar de simplemente conectar RFB a fuentes de energía renovable para almacenar su producción de energía intermitente, los investigadores de la NYU demostraron cómo se pueden usar los conceptos de RFB para integrar completamente la fabricación de productos químicos en todo el proceso de almacenamiento de energía.
Miguel ModestinoEscuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York
“En principio, puedes imaginar plantas químicas actuando como reservorios de almacenamiento de energía, pero al mismo tiempo produciendo productos químicos”, explicó Miguel Modestino, profesor asistente en la Universidad de Nueva York y uno de los coautores del estudio. Informes de celda papel. “El valor de almacenamiento que proporciona reduce el costo de producción de la sustancia química que desea fabricar al final del día”.
Modestino agregó que este enfoque también permite a las empresas químicas integrar fuentes fluctuantes de electricidad, como las renovables. Por lo tanto, puede descarbonizar la industria de una manera que sea económica y funcione bien con la dinámica de una red impulsada por energías renovables.
El proyecto DC-MUSE se ha expandido dramáticamente desde que sus ideas echaron raíces por primera vez hace unos meses. El proyecto ya reunió a un grupo de 30 investigadores de 11 universidades y 3 Laboratorios Nacionales que cubren un amplio espectro de áreas de investigación.
En NYU Tandon, Ryan Hartman, profesor asociado, dirige un grupo para desarrollar tecnología de catálisis de plasma para este tipo de reacciones químicas. Los grupos de Taylor y Modestino están trabajando en reactores electroquímicos para la fabricación de productos químicos. Y Dvorkin ha estado trabajando en la integración de estas plantas dentro de la red. Otros grupos fuera de NYU están investigando el uso de membranas para separaciones e integración de sistemas.
Además, el equipo de la NYU ha estado consultando con profesores de la facultad de derecho y la facultad de negocios sobre cómo diseñar políticas que puedan permitir la transición económica hacia la fabricación de productos químicos impulsada por energías renovables.
Los investigadores también se están acercando a la industria para lograr una participación temprana. De hecho, la génesis del proyecto DC-MUSE fue un taller en el que la NYU invitó a 50 expertos de la industria y personas del mundo académico a reunirse para hablar sobre los desafíos de la industria química, como la intensificación de procesos.
DC-MUSEMiguel Modestino
“Hemos estado hablando con gente de las grandes empresas de fabricación de productos químicos, que han comenzado a desarrollar pilotos para la producción química electrificada”, dijo Elizabeth Biddinger, del City College de Nueva York. Biddinger y Modestino publicaron recientemente un artículo en Interfaces ECSdescribiendo cómo las ventajas ambientales de las síntesis electroorgánicas, como minimizar la generación de desechos, utilizar materias primas no fósiles y la fabricación de productos químicos bajo demanda, también son importantes impulsores de la sostenibilidad en los procesos químicos en múltiples sectores.
La participación de las empresas petroquímicas no es casual. Los procesos petroquímicos, y en realidad un subconjunto muy pequeño de procesos petroquímicos, representan más del 80 por ciento de la energía y el CO2 emisiones de procesos químicos, según Modestino.
A medida que el DC-MUSE toma impulso, sus arquitectos en NYU visualizan el proyecto como un centro de referencia para la investigación de ingeniería fundamental que se necesita para habilitar estas tecnologías. Modestino dijo: “La forma en que lo vemos es que haces la investigación en el laboratorio, desarrollas con demostraciones a escala de laboratorio, pero luego, a través de asociaciones con las empresas, las conviertes en procesos”.
Si bien el proyecto DC-MUSE espera su objetivo ampliado a través de una mayor financiación, ya está teniendo un impacto en el enfoque pedagógico de los profesores de la NYU.
“Ya hemos tenido discusiones sobre el doctorado conjunto. posiciones para que un estudiante pueda tener múltiples asesores”, dijo Dvorkin. “De esta manera, podemos realmente trabajar juntos en estos problemas y proporcionar a los estudiantes una perspectiva multidisciplinaria, porque sin este tipo de colaboración, sin este aporte entregado a los estudiantes, no hay manera de resolver los problemas sociales”.
Taylor agregó: “De las aplicaciones que hemos visto en nuestro programa, sabemos que la gente quiere buscar cosas que realmente tengan un impacto en cambiar la sociedad y mejorar el mundo. La gente quiere descubrir algo fundamental, pero si tiene un impacto social más amplio, la gente puede ver su importancia. Es por eso que investigo en esta área”.
Para obtener más información sobre las iniciativas que se están llevando a cabo en la Escuela de Ingeniería Tandon de la NYU, visite su sitio web.