تعمل المفاعلات المحفزة والقنوات الدقيقة الجديدة على تحسين الكفاءة والتكلفة.
يجري توسيع نطاق عملية حاصلة على براءة اختراع لتحويل الكحول المستخرج من غازات النفايات المتجددة أو الصناعية إلى وقود نفاث أو ديزل في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بمساعدة شركاء في جامعة ولاية أوريغون وخبراء إعادة تدوير الكربون في LanzaTech.
تقنيتان رئيسيتان تعملان على تشغيل وحدات إنتاج الوقود الموفرة للطاقة.
يعمل التحويل الكيميائي بخطوة واحدة على تبسيط ما يعد حاليًا عملية متعددة الخطوات. الجديد محفز PNNL الحاصل على براءة اختراع يحول الوقود الحيوي (الإيثانول) مباشرة إلى "منصة" كيميائية متعددة الاستخدامات تسمى n- بيوتين. يقلل تصميم مفاعل القناة الصغيرة من التكاليف مع توفير نظام معالجة معياري قابل للتطوير.
شاهد كيف يمكن لمحفز PNNL الحاصل على براءة اختراع ، جنبًا إلى جنب مع مفاعل قناة صغيرة فريدة ، تحويل الإيثانول إلى مادة كيميائية مفيدة ذات استخدامات تجارية متعددة ، بما في ذلك وقود الطائرات. الائتمان: فيديو إيريك فرانكافيلا ؛ الرسوم المتحركة مايك بيركنز | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
ستوفر العملية الجديدة طريقًا أكثر كفاءة لتحويل الإيثانول المتجدد والمشتق من النفايات إلى مواد كيميائية مفيدة. حاليًا ، يتم إنتاج ن-بيوتين من المواد الأولية القائمة على الأحافير باستخدام التكسير كثيف الطاقة - أو التكسير - للجزيئات الكبيرة. تقلل التكنولوجيا الجديدة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون باستخدام مواد أولية كربونية متجددة أو معاد تدويرها. باستخدام n- بيوتين المشتق بشكل مستدام كنقطة بداية ، يمكن للعمليات الحالية زيادة صقل المادة الكيميائية للاستخدامات التجارية المتعددة ، بما في ذلك وقود الديزل والوقود النفاث وزيوت التشحيم الصناعية.
"تعتبر الكتلة الحيوية مصدرًا صعبًا للطاقة المتجددة بسبب تكلفتها العالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حجم الكتلة الحيوية يدفع إلى الحاجة إلى مصانع معالجة أصغر وموزعة ، "قالت فانيسا داجل ، باحثة أولية مشاركة في الدراسة البحثية الأولية، الذي تم نشره في المجلة الحفز ACS. "لقد قللنا من تعقيد العملية وحسننا كفاءتها ، مع تقليل تكاليف رأس المال في نفس الوقت. بمجرد إثبات المعالجة المعيارية والمتدرجة ، يوفر هذا النهج خيارًا واقعيًا لإنتاج الطاقة الموزعة والمحلية ".
وقود الطائرات الصغير إلى الماكرو
في قفزة نحو التسويق ، تشارك PNNL مع متعاونين لفترة طويلة في جامعة ولاية أوريغون لدمج عملية تحويل المواد الكيميائية الحاصلة على براءة اختراع في مفاعلات القناة الصغيرة التي تم بناؤها باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المطورة حديثًا. تُعرف الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا باسم التصنيع الإضافي ، وهي تسمح لفريق البحث بإنشاء قرص عسل مطوي من المفاعلات الصغيرة التي تزيد بشكل كبير من نسبة مساحة السطح إلى الحجم المتاحة للتفاعل.
يقول الباحث الرئيسي في جامعة ولاية أوهايو بريان بول: "إن القدرة على استخدام تقنيات تصنيع المواد المضافة الجديدة متعددة المواد للجمع بين تصنيع القنوات الدقيقة ودعم محفز مساحة السطح العالية في خطوة عملية واحدة ، لديها القدرة على تقليل تكاليف هذه المفاعلات بشكل كبير" . "نحن متحمسون لكوننا شركاء مع PNNL و LanzaTech في هذا المسعى."
يحمل روبرت داجل قنينة وقود تم إنشاؤها من تحويل الكتلة الحيوية. الائتمان: تصوير أندريا ستار | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
قال روبرت داجل ، الباحث الرئيسي المشارك في البحث: "نظرًا للتطورات الحديثة في طرق تصنيع القنوات الصغيرة وما يرتبط بها من تخفيضات في التكلفة ، نعتقد أن الوقت مناسب لتكييف هذه التكنولوجيا مع تطبيقات التحويل الحيوي التجارية الجديدة".
ستسمح تقنية القناة الصغيرة ببناء المفاعلات الحيوية على نطاق تجاري بالقرب من المراكز الزراعية حيث يتم إنتاج معظم الكتلة الحيوية. واحدة من أكبر العوائق التي تحول دون استخدام الكتلة الحيوية للوقود هي الحاجة إلى نقلها لمسافات طويلة إلى مصانع إنتاج مركزية كبيرة.
قال روبرت داجل: "إن التصميم المعياري يقلل من مقدار الوقت والمخاطر اللازمين لنشر المفاعل". "يمكن إضافة الوحدات بمرور الوقت مع نمو الطلب. نحن نطلق على هذا النطاق من خلال الترقيم ".
سيتم إنتاج مفاعل الاختبار ذو الحجم التجاري الرابع عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طرق تم تطويرها بالشراكة مع OSU وسيتم تشغيله في حرم PNNL في ريتشلاند بواشنطن.
تعمل المفاعلات المصغرة ذات القنوات الصغيرة على زيادة كفاءة التحويل الكيميائي للوقود الحيوي بشكل كبير. مصدر الصورة: جامعة ولاية أوريغون
بمجرد اكتمال مفاعل الاختبار ، سيقوم شريك PNNL التجاري LanzaTech بتزويد الإيثانول لتغذية العملية. تقوم عملية LanzaTech الحاصلة على براءة اختراع بتحويل النفايات والمخلفات الغنية بالكربون التي تنتجها الصناعات ، مثل تصنيع الصلب وتكرير النفط والإنتاج الكيميائي ، بالإضافة إلى الغازات الناتجة عن تغويز الغابات والمخلفات الزراعية والنفايات البلدية إلى إيثانول.
سوف يستهلك مفاعل الاختبار ما يعادل إيثانول يصل إلى نصف طن جاف من الكتلة الحيوية يوميًا. قامت LanzaTech بالفعل بتوسيع نطاق الجيل الأول من تقنية PNNL لإنتاج وقود الطائرات من الإيثانول وشكلت شركة جديدة ، LanzaJet ، لتسويق LanzaJet ™ Alcohol-to-Jet. يمثل المشروع الحالي الخطوة التالية في تبسيط هذه العملية مع توفير تدفقات إضافية للمنتجات من ن-بيوتين.
قالت جينيفر هولمغرين ، الرئيس التنفيذي لشركة LanzaTech: "لقد كانت PNNL شريكًا قويًا في تطوير تقنية تحويل الإيثانول إلى الطائرات التي تستخدمها شركة LanzaJet المنبثقة عن LanzaTech في العديد من المصانع قيد التطوير". "يمكن أن يأتي الإيثانول من مجموعة متنوعة من المصادر المستدامة ، وبالتالي فهو مادة خام متزايدة الأهمية لوقود طيران مستدام. يُظهر هذا المشروع وعدًا كبيرًا لتكنولوجيا المفاعلات البديلة التي يمكن أن يكون لها فوائد لهذا المسار الرئيسي لإزالة الكربون من قطاع الطيران. "
عملية مضبوطة
منذ تجاربهم المبكرة ، واصل الفريق إتقان العملية. عندما يتم تمرير الإيثانول فوق محفز صلب قائم على الفضة والزركونيا مدعوم على السيليكا ، فإنه يقوم بالتفاعلات الكيميائية الأساسية التي تحول الإيثانول إلى n- بيوتين أو ، مع بعض التعديلات على ظروف التفاعل ، البوتادين.
ولكن الأهم من ذلك ، بعد دراسات طويلة الأمد ، أن المحفز يظل مستقرًا. في دراسة متابعة، أظهر فريق البحث أنه إذا فقد المحفز نشاطه ، فيمكن تجديده من خلال إجراء بسيط لإزالة فحم الكوك - وهو طلاء صلب قائم على الكربون يمكن أن يتراكم بمرور الوقت. سيتم استخدام صيغة محفز أكثر كفاءة وتحديثًا للتوسع.
قالت فانيسا داجل: "اكتشفنا مفهوم هذا النظام المحفز الفعال للغاية والانتقائي والمستقر". "من خلال تعديل الضغط والمتغيرات الأخرى ، يمكننا أيضًا ضبط النظام لتوليد إما بوتادين ، وهو حجر بناء للبلاستيك الصناعي أو المطاط أو n- بيوتين ، وهو مناسب لصنع وقود الطائرات أو منتجات مثل زيوت التشحيم الاصطناعية. منذ اكتشافنا الأولي ، بدأت أيضًا مؤسسات بحثية أخرى في استكشاف هذه العملية الجديدة ".
بالإضافة إلى فانيسا داجل وروبرت داجل ، شمل فريق تطوير المحفزات باحثي PNNL أوستن وينكلمان ونيكولاس جايجر وجوني سافيدرا لوبيز وجيانزي هو ومارك إنجلهارد وسنيها أخادي وليبور كوفاريك وفاسيليكي ألكسندرا جليزاكو ورووجر وانج روسو. كما ساهمت في هذا البحث عالمة أولى سوزان هاباس من المختبر الوطني للطاقة المتجددة. ساهم العلماء العاملون في PNNL وارد TeGrotenhuis و Richard Zheng و Johnny Saavedra-Lopez في تطوير تقنية القناة الصغيرة.
تم دعم بحث المحادثة الكيميائية من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، ضمن اتحاد الحفز الكيميائي للطاقة الحيوية (ChemCatBio) برعاية مكتب تكنولوجيا الطاقة الحيوية (BETO). ChemCatBio هو اتحاد بحث وتطوير بقيادة معمل وطني تابع لوزارة الطاقة مكرس لتحديد تحديات الحفز والتغلب عليها لتحويل الكتلة الحيوية وموارد النفايات إلى وقود ومواد كيميائية ومواد. يتم دعم الشراكة بين القطاعين العام والخاص وتوسيع نطاقها من قبل DOE-BETO وصندوق أبحاث الابتكار بجامعة ولاية أوريغون.
