Az új katalizátoros és mikrocsatornás reaktorok javítják a hatékonyságot és a költségeket.
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Pacific Northwest Nemzeti Laboratóriumában az Oregon Állami Egyetem partnerei és a LanzaTech szén-újrahasznosítási szakértői segítségével szabadalmaztatott eljárást fejlesztenek ki a megújuló vagy ipari hulladékgázokból származó alkohol sugárhajtómű- vagy dízelüzemanyaggá alakítására.
Két kulcsfontosságú technológia táplálja az energiahatékony üzemanyag-előállító egységeket.
Az egylépéses kémiai átalakítás leegyszerűsíti a jelenleg többlépcsős folyamatot. Az új PNNL által szabadalmaztatott katalizátor átalakítja a bioüzemanyagot (etanolt) közvetlenül egy sokoldalú „platform” vegyi anyaggá, az úgynevezett n-buténné. A mikrocsatornás reaktor kialakítása tovább csökkenti a költségeket, miközben méretezhető moduláris feldolgozórendszert biztosít.
Nézze meg, hogyan tudja a PNNL által szabadalmaztatott katalizátor egy egyedi mikrocsatornás reaktorral kombinálva az etanolt hasznos vegyszerré alakítani, többféle kereskedelmi felhasználással, beleértve a repülőgép-üzemanyagot is. Készítette: Eric Francavilla videója; Animáció: Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory
Az új eljárás hatékonyabb utat biztosítana a megújuló és hulladékból származó etanol hasznos vegyi anyagokká történő átalakításához. Jelenleg az n-butént fosszilis alapú nyersanyagokból állítják elő, nagy molekulák energiaigényes krakkolása vagy lebontása révén. Az új technológia megújuló vagy újrahasznosított szén-alapanyagok felhasználásával csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást. A fenntartható módon előállított n-butén kiindulási pontként történő felhasználásával a meglévő eljárások tovább finomíthatják a vegyszert többféle kereskedelmi felhasználásra, beleértve a dízel- és repülőgép-üzemanyagokat, valamint az ipari kenőanyagokat.
„A biomassza magas költsége miatt kihívást jelentő megújuló energiaforrás. Ezenkívül a biomassza nagyságrendje miatt kisebb, elosztott feldolgozóüzemekre van szükség” – mondta Vanessa Dagle, a kutatás társkutatója. a kezdeti kutatási tanulmányfolyóiratban jelent meg ACS katalízis. „Csökkentettük a folyamat összetettségét és javítottuk a hatékonyságot, ugyanakkor csökkentettük a tőkeköltségeket. A moduláris, méretezett feldolgozás bemutatása után ez a megközelítés reális lehetőséget kínál a lokalizált, elosztott energiatermelésre.”
Mikro-makro sugárhajtómű-üzemanyag
A kereskedelmi forgalomba hozatal felé tartó ugrásban a PNNL az Oregon State University hosszú ideje együttműködő munkatársaival együttműködve integrálja a szabadalmaztatott kémiai átalakítási eljárást az újonnan kifejlesztett 3D nyomtatási technológiával épített mikrocsatornás reaktorokba. Az additív gyártásnak is nevezett 3D nyomtatás lehetővé teszi a kutatócsoport számára, hogy mini-reaktorokból redőzött méhsejtet hozzon létre, amely nagymértékben növeli a reakcióhoz rendelkezésre álló effektív felület/térfogat arányt.
"Az a képesség, hogy új, több anyagból álló adalékos gyártási technológiát alkalmaznak a mikrocsatornák gyártásának nagy felületű katalizátorhordozókkal történő kombinálására egy folyamatlépésben, jelentős mértékben csökkentheti ezeknek a reaktoroknak a költségeit" - mondja Brian Paul, az OSU vezető kutatója. . „Izgatottak vagyunk, hogy a PNNL és a LanzaTech partnerei lehetünk ebben a törekvésben.”
Robert Dagle egy fiolát tart a kezében biomassza átalakításból előállított üzemanyaggal. Köszönetnyilvánítás: Andrea Starr fotója | Pacific Northwest National Laboratory
"A mikrocsatornás gyártási módszerek közelmúltbeli fejlődése és a kapcsolódó költségcsökkentések miatt úgy gondoljuk, hogy itt az idő, hogy ezt a technológiát új kereskedelmi biokonverziós alkalmazásokhoz alkalmazzuk" - mondta Robert Dagle, a kutatás társkutatója.
A mikrocsatornás technológia lehetővé tenné, hogy kereskedelmi méretű bioreaktorokat építsenek a legtöbb biomasszát előállító mezőgazdasági központok közelében. A biomassza tüzelőanyagként való felhasználásának egyik legnagyobb akadálya az, hogy nagy távolságra kell szállítani a nagy, központosított termelőüzemekbe.
„A moduláris felépítés csökkenti a reaktor üzembe helyezéséhez szükséges időt és kockázatot” – mondta Robert Dagle. „A modulok idővel bővülhetnek, ahogy a kereslet nő. Ezt a skálát számozással hívjuk felfelé.”
Az 3/XNUMX kereskedelmi méretű tesztreaktort XNUMXD nyomtatással, az OSU-val együttműködésben kifejlesztett módszerekkel állítják elő, és a PNNL Richland, Wash.-i campusán fogják üzemeltetni.
A mikrocsatornás minireaktorok nagymértékben növelik a bioüzemanyag kémiai átalakításának hatékonyságát. Köszönet: A fotó az Oregon State University jóvoltából
Amint a tesztreaktor elkészül, a PNNL kereskedelmi partnere, a LanzaTech etanolt szállít a folyamat betáplálásához. A LanzaTech szabadalmaztatott eljárása az iparágak, például az acélgyártás, az olajfinomítás és a vegyipar által termelt szénben gazdag hulladékokat és maradékokat, valamint az erdészeti és mezőgazdasági és települési hulladék elgázosítása során keletkező gázokat etanollá alakítja.
A tesztreaktor naponta legfeljebb fél tonna száraz biomasszának megfelelő etanolt fogyaszt. A LanzaTech már kibővítette a PNNL technológia első generációját az etanolból történő repülőgép-üzemanyag-előállításhoz, és új céget alapított, a LanzaJet a LanzaJet™ Alcohol-to-Jet kereskedelmi forgalomba hozatalára. A jelenlegi projekt a következő lépést jelenti a folyamat egyszerűsítésében, miközben további termékáramokat biztosít az n-buténből.
„A PNNL erős partner volt az etanol-sugárhajtású technológia fejlesztésében, amelyet a LanzaTech leágazó vállalata, a LanzaJet több fejlesztés alatt álló üzemben alkalmaz” – mondta Jennifer Holmgren, a LanzaTech vezérigazgatója. „Az etanol számos fenntartható forrásból származhat, és mint ilyen, a fenntartható repülési üzemanyagok egyre fontosabb nyersanyaga. Ez a projekt nagy ígéretet mutat az alternatív reaktortechnológiára vonatkozóan, amely előnyökkel járhat a légiközlekedési ágazat szén-dioxid-mentesítésének ezen kulcsfontosságú útja szempontjából.”
Hangolható folyamat
Korai kísérleteik óta a csapat folytatta a folyamat tökéletesítését. Ha az etanolt szilícium-dioxid hordozón szilárd ezüst-cirkónium-dioxid alapú katalizátoron vezetik át, az végrehajtja azokat a lényeges kémiai reakciókat, amelyek során az etanolt vagy n-buténné, vagy a reakciókörülmények bizonyos módosításával butadiénné alakítja.
De még ennél is fontosabb, hogy hosszabb ideig tartó vizsgálatok után a katalizátor stabil marad. Egy utóvizsgálatban, a kutatócsoport kimutatta, hogy ha a katalizátor elveszíti aktivitását, egy egyszerű eljárással regenerálható a koksz eltávolítása – egy kemény szénalapú bevonat, amely idővel felhalmozódhat. A méretnöveléshez még hatékonyabb, frissített katalizátorkészítményt fognak használni.
„Felfedeztük ennek a katalizált rendszernek a koncepcióját, amely rendkívül aktív, szelektív és stabil” – mondta Vanessa Dagle. „A nyomás és egyéb változók beállításával a rendszert úgy is hangolhatjuk, hogy butadiént, a szintetikus műanyag vagy gumi építőelemét vagy n-butént állítson elő, amely alkalmas repülőgép-üzemanyagok vagy termékek, például szintetikus kenőanyag előállítására. Első felfedezésünk óta más kutatóintézetek is elkezdték feltárni ezt az új folyamatot.”
Vanessa Dagle és Robert Dagle mellett a katalizátorfejlesztő csapatban a PNNL kutatói, Austin Winkelman, Nicholas Jaegers, Johnny Saavedra-Lopez, Jianzhi Hu, Mark Engelhard, Sneha Akhade, Libor Kovarik, Vassilliki-Alexandra Glezakou, Roger W Rousseau és Yong Yong szerepelt. A Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium vezető tudósa, Susan Habas is közreműködött. A PNNL munkatársai, Ward TeGrotenhuis, Richard Zheng és Johnny Saavedra-Lopez hozzájárultak a mikrocsatorna technológia fejlesztéséhez.
A kémiai beszélgetéssel kapcsolatos kutatást az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE), Energiahatékonysági és Megújuló Energia Hivatala támogatta, a Bioenergia-technológiai Hivatal (BETO) által szponzorált Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) konzorcium keretein belül. A ChemCatBio egy DOE nemzeti laboratórium által vezetett kutatási és fejlesztési konzorcium, amelynek célja a biomassza és hulladékforrások üzemanyagokká, vegyi anyagokká és anyagokká történő átalakításával kapcsolatos katalízis kihívások azonosítása és leküzdése. A köz-magán társulást a DOE-BETO és az Oregon állam Egyetemi Innovációs Kutatási Alapja támogatja.
