Conversion of Carbon Waste Streams to High-Value Graphene via Flash Joule Heating Process (Universal Matter Inc.)

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Project description

This proposal utilizes a consortium approach to create an efficient circular economy between three large vertical markets (hydrogen energy, cement/concrete, and asphalt/concrete). Suncor is evaluating the potential to install a natural gas fed turquoise hydrogen facility in Alberta by 2026 to produce clean hydrogen and solid carbon by-product via a proven methane decomposition process. UMI would separately implement its flash joule heating process to produce graphene by upcycling the solid carbon by-product stream generated from Suncor’s hydrogen process.

While graphene can be deployed in a myriad of end-use applications, the focus of this project is to utilize graphene in cement-and asphalt-based concrete applications. Small amounts of UMI’s proprietary graphene materials will create novel cement admixtures that significantly enhance the compressive strength of concrete. These strength benefits will enable the use of lower quantities of high-performance concrete to achieve an equivalent structural performance relative to conventional concrete. Similarly, graphene products can be incorporated in bitumen to deliver improved resistance to age hardening when compared to unmodified bitumen substrates, thereby enabling longer service life of the resulting asphalt paving solutions. By developing these sustainable graphene-containing cement- and asphalt-based materials, it is estimated that annual GHG emissions reductions of approximately 27 megatonnes of CO2 equivalent would be realized in Canada by 2035.

Using a circular economy framework, Canada’s natural gas resources can be fully exploited to produce a vital supply of clean hydrogen as well as a solid carbon waste stream that can be efficiently upcycled to an advanced carbon-based product, graphene, which is then deployed as a performance enhancer for subsequent use in cement- and asphalt-based materials. The net result, an interconnected sustainability solution benefiting all three vertical markets, would be a key opportunity for achieving Canada’s 2050 net zero emissions mandate.

Benefits/outcomes

  • Significant CO2 emission reductions across hydrogen, cementitious, and asphalt sectors.
  • Enables a natural gas decarbonization route that efficiently utilizes the carbon by-product stream via upcycling into a high performance advanced graphene product.
  • Enables turquoise hydrogen to become a low-cost hydrogen production process through monetization of the carbon by-product stream.

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Conversion de flux de déchets de carbone en graphène à haute valeur ajoutée par un procédé de chauffage instantané par effet Joule

Brève description du projet

Cette proposition utilise une approche de consortium pour créer une économie circulaire efficace entre trois grands marchés verticaux (énergie hydrogène, ciment/béton, et asphalte/béton). Suncor évalue la possibilité d’installer une installation d’hydrogène turquoise alimentée au gaz naturel en Alberta d’ici 2026 pour produire de l’hydrogène propre et un sous-produit de carbone solide via un procédé éprouvé de décomposition du méthane. UMI mettrait en œuvre séparément son procédé de chauffage instantané par effet joule pour produire du graphène en recyclant le flux de sous-produits de carbone solide généré par le procédé d’hydrogène de Suncor.

Bien que le graphène puisse être déployé dans une myriade d’applications finales, ce projet se concentre sur l’utilisation du graphène dans les applications de béton à base de ciment et d’asphalte. De petites quantités de graphène breveté par l’UMI permettront de créer de nouveaux adjuvants du ciment qui amélioreront considérablement la résistance à la compression du béton. Ces avantages en termes de résistance permettront d’utiliser des quantités moindres de béton haute performance pour obtenir une performance structurelle équivalente à celle du béton conventionnel. De même, les produits à base de graphène peuvent être incorporés dans le bitume pour offrir une meilleure résistance au durcissement par vieillissement par rapport aux substrats de bitume non modifiés, ce qui permet d’allonger la durée de vie des solutions de revêtement en asphalte. En développant ces matériaux durables à base de ciment et d’asphalte contenant du graphène, on estime que des réductions annuelles des émissions de GES d’environ 27 mégatonnes d’équivalent CO2 seraient réalisées au Canada d’ici 2035.

En utilisant un cadre d’économie circulaire, les ressources en gaz naturel du Canada peuvent être pleinement exploitées pour produire un approvisionnement vital d’hydrogène propre ainsi qu’un flux de déchets de carbone solide qui peut être efficacement recyclé en un produit avancé à base de carbone, le graphène, qui est ensuite déployé comme améliorateur de performance pour une utilisation ultérieure dans les matériaux à base de ciment et d’asphalte. Le résultat net, une solution de durabilité interconnectée profitant aux trois marchés verticaux, serait une occasion clé pour atteindre le mandat de zéro émission nette du Canada en 2050.

Avantages et résultats

    • Importantes réductions des émissions de CO2 dans les secteurs de l’hydrogène, du ciment et de l’asphalte.
    • Permet une voie de décarbonisation du gaz naturel qui utilise efficacement le flux de sous-produits de carbone par recyclage en un produit de graphène avancé de haute performance.
    • Permet à l’hydrogène turquoise de devenir un procédé de production d’hydrogène à faible coût grâce à la monétisation du flux de sous-produits de carbone.

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