Nové katalyzátory a mikrokanálové reaktory zlepšují účinnost a náklady.
Patentovaný proces přeměny alkoholu pocházejícího z obnovitelných nebo průmyslových odpadních plynů na tryskové palivo nebo motorovou naftu se rozšiřuje v tichomořské severozápadní národní laboratoři amerického ministerstva energetiky s pomocí partnerů z Oregonské státní univerzity a odborníků na recyklaci uhlíku z LanzaTech.
Energeticky účinné jednotky na výrobu paliva pohánějí dvě klíčové technologie.
Jednostupňová chemická konverze zefektivňuje to, co je v současnosti vícestupňový proces. Nové PNNL-patentovaný katalyzátor přeměňuje biopalivo (etanol) přímo na všestrannou „platformovou“ chemikálii zvanou n-buten. Konstrukce mikrokanálového reaktoru dále snižuje náklady a zároveň poskytuje škálovatelný modulární systém zpracování.
Podívejte se, jak PNNL-patentovaný katalyzátor v kombinaci s unikátním mikrokanálovým reaktorem dokáže přeměnit etanol na užitečnou chemikálii s mnoha komerčními využitími, včetně leteckého paliva. Kredit: Video od Erica Francavilla; Animace Mike Perkins | Národní laboratoř severozápadního Pacifiku
Nový proces by poskytl účinnější cestu pro přeměnu obnovitelného a odpadního etanolu na užitečné chemikálie. V současné době se n-buten vyrábí z fosilních surovin pomocí energeticky náročného krakování – neboli rozkladu – velkých molekul. Nová technologie snižuje emise oxidu uhličitého používáním obnovitelných nebo recyklovaných uhlíkových surovin. Použitím udržitelně získaného n-butenu jako výchozího bodu mohou stávající procesy dále rafinovat chemikálii pro mnohonásobné komerční použití, včetně nafty a tryskových paliv a průmyslových maziv.
„Biomasa je náročným zdrojem obnovitelné energie kvůli její vysoké ceně. Navíc rozsah biomasy pohání potřebu menších, distribuovaných zpracovatelských závodů,“ řekla Vanessa Dagle, spoluřešitelka úvodní výzkumná studie, který byl publikován v časopise ACS katalýza. „Snížili jsme složitost a zlepšili efektivitu procesu a zároveň jsme snížili kapitálové náklady. Jakmile bude demonstrováno modulární, škálované zpracování, tento přístup nabízí realistickou možnost pro lokalizovanou distribuovanou výrobu energie.“
Letecké palivo mikro-makro
Ve skoku směrem ke komercializaci PNNL spolupracuje s dlouholetými spolupracovníky na Oregonské státní univerzitě na integraci patentovaného procesu chemické konverze do mikrokanálových reaktorů postavených pomocí nově vyvinuté technologie 3D tisku. 3D tisk, nazývaný také aditivní výroba, umožňuje výzkumnému týmu vytvořit plisovanou plástev minireaktorů, které výrazně zvyšují efektivní poměr plochy povrchu k objemu dostupný pro reakci.
„Schopnost používat nové technologie výroby aditiv pro více materiálů ke kombinaci výroby mikrokanálů s nosiči katalyzátorů s velkou povrchovou plochou v jednom kroku procesu má potenciál výrazně snížit náklady na tyto reaktory,“ říká vedoucí výzkumník OSU Brian Paul. . "Jsme nadšeni, že můžeme být partnery PNNL a LanzaTech v tomto úsilí."
Robert Dagle drží lahvičku s palivem vytvořeným přeměnou biomasy. Kredit: Foto Andrea Starr | Národní laboratoř severozápadního Pacifiku
„Vzhledem k nedávným pokrokům ve výrobních metodách mikrokanálů a souvisejícím snížením nákladů věříme, že je správný čas přizpůsobit tuto technologii novým komerčním aplikacím biokonverze,“ řekl Robert Dagle, spoluřešitel výzkumu.
Mikrokanálová technologie by umožnila postavit bioreaktory v komerčním měřítku v blízkosti zemědělských center, kde se vyrábí většina biomasy. Jednou z největších překážek využívání biomasy jako paliva je potřeba přepravovat ji na velké vzdálenosti do velkých, centralizovaných výrobních závodů.
„Modulární konstrukce snižuje množství času a rizik potřebných k nasazení reaktoru,“ řekl Robert Dagle. „Moduly by mohly být přidávány v průběhu času s rostoucí poptávkou. Toto měřítko nazýváme číslováním nahoru."
Čtvrtý testovací reaktor v komerčním měřítku bude vyroben 3D tiskem za použití metod vyvinutých ve spolupráci s OSU a bude provozován v areálu Richland, Washington, PNNL.
Mikrokanálové minireaktory výrazně zvyšují účinnost chemické přeměny biopaliv. Kredit: Foto s laskavým svolením Oregon State University
Jakmile bude testovací reaktor dokončen, komerční partner PNNL, LanzaTech, dodá etanol pro napájení procesu. Patentovaný proces LanzaTech přeměňuje odpady a zbytky bohaté na uhlík produkované průmyslovými odvětvími, jako je výroba oceli, rafinace ropy a chemická výroba, a také plyny vznikající při zplyňování lesních a zemědělských zbytků a komunálního odpadu na etanol.
Testovací reaktor spotřebuje etanol ekvivalentní až půl tuně suché biomasy za den. LanzaTech již rozšířil první generaci technologie PNNL pro výrobu leteckého paliva z etanolu a vytvořil novou společnost LanzaJet, která bude komercializovat LanzaJet™ Alcohol-to-Jet. Současný projekt představuje další krok ve zefektivnění tohoto procesu a zároveň poskytuje další toky produktů z n-butenu.
„Společnost PNNL byla silným partnerem při vývoji technologie etanolu do trysek, kterou LanzaTech spin-off společnost LanzaJet zaměstnává v několika závodech ve vývoji,“ řekla Jennifer Holmgren, generální ředitelka LanzaTech. „Etanol může pocházet z různých udržitelných zdrojů a jako takový je stále důležitější surovinou pro udržitelné letecké palivo. Tento projekt je velkým příslibem pro alternativní reaktorovou technologii, která by mohla mít výhody pro tuto klíčovou cestu k dekarbonizaci leteckého sektoru.
Laditelný proces
Od prvních experimentů tým pokračoval ve zdokonalování procesu. Když ethanol prochází pevným katalyzátorem na bázi stříbra a zirkonu neseným na oxidu křemičitém, provádí se základní chemické reakce, které převádějí ethanol buď na n-buten, nebo s určitými úpravami reakčních podmínek na butadien.
Ale ještě důležitější je, že po dlouhodobých studiích zůstává katalyzátor stabilní. V navazující studiiVýzkumný tým ukázal, že pokud katalyzátor ztratí aktivitu, může být regenerován jednoduchým postupem k odstranění koksu – tvrdého povlaku na bázi uhlíku, který se může časem vytvořit. Pro zvětšení měřítka bude použito ještě účinnější, aktualizované složení katalyzátoru.
"Objevili jsme koncept tohoto katalyzovaného systému, který je vysoce aktivní, selektivní a stabilní," řekla Vanessa Dagle. „Úpravou tlaku a dalších proměnných můžeme systém také vyladit tak, aby generoval buď butadien, což je stavební kámen pro syntetické plasty nebo pryž, nebo n-buten, který je vhodný pro výrobu leteckých paliv nebo produktů, jako jsou syntetická maziva. Od našeho prvního objevu začaly tento nový proces zkoumat i další výzkumné instituce.
Kromě Vanessy Dagle a Roberta Dagleho zahrnoval vývojový tým katalyzátorů výzkumníky PNNL Austin Winkelman, Nicholas Jaegers, Johnny Saavedra-Lopez, Jianzhi Hu, Mark Engelhard, Sneha Akhade, Libor Kovarik, Vassilliki-Alexandra Glezakou, Roger Rousseau a Yong Wang. Přispěla také vedoucí vědkyně Susan Habasová z National Renewable Energy Laboratory. Vědci z PNNL Ward TeGrotenhuis, Richard Zheng a Johnny Saavedra-Lopez přispěli k rozvoji technologie mikrokanálů.
Výzkum chemické konverzace byl podporován Ministerstvem energetiky USA (DOE), Úřadem pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje energie, v rámci konsorcia pro chemickou katalýzu pro bioenergii (ChemCatBio) sponzorovaného Úřadem pro bioenergii (BETO). ChemCatBio je výzkumné a vývojové konsorcium vedené národní laboratoří DOE, které se věnuje identifikaci a překonávání výzev katalýzy pro přeměnu biomasy a odpadních zdrojů na paliva, chemikálie a materiály. Veřejně-soukromé, scale-up partnerství je podporováno DOE-BETO a University of Oregon's University Innovation Research Fund.
