Nuevos catalizadores y reactores de microcanales mejoran la eficiencia y el costo.
Un proceso patentado para convertir alcohol procedente de gases residuales industriales o renovables en combustible para aviones o diesel se está ampliando en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. con la ayuda de socios de la Universidad Estatal de Oregón y los expertos en reciclaje de carbono de LanzaTech.
Dos tecnologías clave impulsan las unidades de producción de combustible de bajo consumo.
Una conversión química de un solo paso agiliza lo que actualmente es un proceso de varios pasos. El nuevo Catalizador patentado por PNNL convierte el biocombustible (etanol) directamente en un producto químico de "plataforma" versátil llamado n-buteno. Un diseño de reactor de microcanal reduce aún más los costos al tiempo que ofrece un sistema de procesamiento modular escalable.
Vea cómo un catalizador patentado por PNNL, combinado con un reactor de microcanal único, puede convertir el etanol en un químico útil con múltiples usos comerciales, incluido el combustible para aviones. Crédito: Video de Eric Francavilla; Animación de Mike Perkins | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
El nuevo proceso proporcionaría una ruta más eficiente para convertir el etanol renovable y derivado de desechos en productos químicos útiles. Actualmente, el n-buteno se produce a partir de materias primas de origen fósil utilizando el craqueo o descomposición de moléculas grandes que consume mucha energía. La nueva tecnología reduce las emisiones de dióxido de carbono mediante el uso de materias primas de carbono renovables o recicladas. Usando n-buteno derivado de forma sostenible como punto de partida, los procesos existentes pueden refinar aún más el químico para múltiples usos comerciales, incluidos los combustibles diésel y para aviones, y los lubricantes industriales.
“La biomasa es una fuente desafiante de energía renovable debido a su alto costo. Además, la escala de la biomasa impulsa la necesidad de plantas de procesamiento distribuidas más pequeñas”, dijo Vanessa Dagle, co-investigadora principal de el estudio de investigacion inicial, que fue publicado en la revista Catálisis ACS. “Hemos reducido la complejidad y mejorado la eficiencia del proceso, al mismo tiempo que reducimos los costos de capital. Una vez que se ha demostrado el procesamiento modular a escala, este enfoque ofrece una opción realista para la producción de energía distribuida y localizada”.
Combustible de avión de micro a macro
En un salto hacia la comercialización, PNNL se está asociando con colaboradores de mucho tiempo en la Universidad Estatal de Oregón para integrar el proceso de conversión química patentado en reactores de microcanales construidos con tecnología de impresión 3D recientemente desarrollada. También llamada fabricación aditiva, la impresión 3D permite al equipo de investigación crear un panal plisado de minirreactores que aumentan en gran medida la relación efectiva de área de superficie a volumen disponible para la reacción.
"La capacidad de utilizar nuevas tecnologías de fabricación aditiva de múltiples materiales para combinar la fabricación de microcanales con soportes de catalizadores de área superficial alta en un solo paso del proceso tiene el potencial de reducir significativamente los costos de estos reactores", dice el investigador principal de OSU, Brian Paul. . “Estamos entusiasmados de ser socios de PNNL y LanzaTech en este esfuerzo”.
Robert Dagle sostiene un vial de combustible creado a partir de la conversión de biomasa. Crédito: Foto de Andrea Starr |Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
"Debido a los avances recientes en los métodos de fabricación de microcanales y las reducciones de costos asociadas, creemos que es el momento adecuado para adaptar esta tecnología hacia nuevas aplicaciones comerciales de bioconversión", dijo Robert Dagle, co-investigador principal de la investigación.
La tecnología de microcanales permitiría construir biorreactores a escala comercial cerca de los centros agrícolas donde se produce la mayor parte de la biomasa. Uno de los mayores impedimentos para usar biomasa como combustible es la necesidad de transportarla largas distancias a grandes plantas de producción centralizadas.
“El diseño modular reduce la cantidad de tiempo y riesgo necesarios para implementar un reactor”, dijo Robert Dagle. “Se podrían agregar módulos con el tiempo a medida que crece la demanda. Llamamos a esta escala hacia arriba numerando hacia arriba ".
El reactor de prueba a escala comercial de un cuarto se producirá mediante impresión 3D utilizando métodos desarrollados en asociación con OSU y se operará en el campus de PNNL en Richland, Washington.
Los minirreactores de microcanales aumentan en gran medida la eficiencia de la conversión química de biocombustibles. Crédito: Foto cortesía de la Universidad Estatal de Oregón
Una vez que se complete el reactor de prueba, el socio comercial de PNNL, LanzaTech, suministrará etanol para alimentar el proceso. El proceso patentado de LanzaTech convierte desechos y residuos ricos en carbono producidos por industrias, como la fabricación de acero, la refinación de petróleo y la producción química, así como los gases generados por la gasificación de residuos forestales y agrícolas y desechos municipales en etanol.
El reactor de prueba consumirá etanol equivalente a hasta media tonelada seca de biomasa por día. LanzaTech ya amplió la primera generación de tecnología PNNL para la producción de combustible para aviones a partir de etanol y formó una nueva empresa, LanzaJet, para comercializar LanzaJet™ Alcohol-to-Jet. El proyecto actual representa el siguiente paso en la racionalización de ese proceso al tiempo que proporciona flujos de productos adicionales a partir de n-buteno.
“PNNL ha sido un socio fuerte en el desarrollo de la tecnología de conversión de etanol a chorro que la empresa derivada de LanzaTech, LanzaJet, está empleando en múltiples plantas en desarrollo”, dijo Jennifer Holmgren, directora ejecutiva de LanzaTech. “El etanol puede provenir de una variedad de fuentes sostenibles y, como tal, es una materia prima cada vez más importante para el combustible de aviación sostenible. Este proyecto muestra una gran promesa para la tecnología de reactores alternativos que podría tener beneficios para este camino clave hacia la descarbonización del sector de la aviación”.
Un proceso sintonizable
Desde sus primeros experimentos, el equipo ha seguido perfeccionando el proceso. Cuando el etanol pasa sobre un catalizador sólido a base de plata y zirconia soportado sobre sílice, realiza las reacciones químicas esenciales que convierten el etanol en n-buteno o, con algunas modificaciones en las condiciones de reacción, en butadieno.
Pero lo que es más importante, después de estudios de duración prolongada, el catalizador se mantiene estable. En un estudio de seguimiento, el equipo de investigación demostró que si el catalizador pierde actividad, puede regenerarse mediante un procedimiento simple para eliminar el coque, un recubrimiento duro a base de carbono que puede acumularse con el tiempo. Se utilizará una formulación de catalizador actualizada aún más eficiente para el escalado.
“Descubrimos el concepto de este sistema catalizado que es altamente activo, selectivo y estable”, dijo Vanessa Dagle. “Al ajustar la presión y otras variables, también podemos sintonizar el sistema para generar butadieno, un componente básico para plástico o caucho sintético o un n-buteno, que es adecuado para fabricar combustibles para aviones o productos como lubricantes sintéticos. Desde nuestro descubrimiento inicial, otras instituciones de investigación también han comenzado a explorar este nuevo proceso”.
Además de Vanessa Dagle y Robert Dagle, el equipo de desarrollo del catalizador incluyó a los investigadores del PNNL Austin Winkelman, Nicholas Jaegers, Johnny Saavedra-Lopez, Jianzhi Hu, Mark Engelhard, Sneha Akhade, Libor Kovarik, Vassilliki-Alexandra Glezakou, Roger Rousseau y Yong Wang. También contribuyó la científica sénior Susan Habas del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Los científicos del personal del PNNL Ward TeGrotenhuis, Richard Zheng y Johnny Saavedra-Lopez contribuyeron al desarrollo de la tecnología de microcanales.
La investigación de conversación química fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, dentro del Consorcio de Catálisis Química para Bioenergía (ChemCatBio) patrocinado por la Oficina de Tecnología de Bioenergía (BETO). ChemCatBio es un consorcio de investigación y desarrollo dirigido por un laboratorio nacional del DOE dedicado a identificar y superar los desafíos de catálisis para la conversión de recursos de biomasa y desechos en combustibles, productos químicos y materiales. La asociación público-privada de ampliación cuenta con el apoyo del DOE-BETO y el Fondo de Investigación de Innovación de la Universidad del Estado de Oregón.
