Il nuovo catalizzatore e i reattori a microcanali migliorano l'efficienza e i costi.
Un processo brevettato per convertire l'alcol proveniente da gas di scarico rinnovabili o industriali in carburante per jet o diesel è stato ampliato presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti con l'aiuto dei partner dell'Oregon State University e degli esperti di riciclaggio del carbonio di LanzaTech.
Due tecnologie chiave alimentano le unità di produzione di carburante ad alta efficienza energetica.
Una conversione chimica in un'unica fase semplifica quello che attualmente è un processo a più fasi. Il nuovo Catalizzatore brevettato PNNL converte il biocarburante (etanolo) direttamente in una versatile "piattaforma" chimica chiamata n-butene. Il design del reattore a microcanali riduce ulteriormente i costi fornendo un sistema di elaborazione modulare scalabile.
Guarda come un catalizzatore brevettato PNNL, combinato con un reattore a microcanali unico, può convertire l'etanolo in una sostanza chimica utile con molteplici usi commerciali, incluso il carburante per aerei. Credito: Video di Eric Francavilla; Animazione di Mike Perkins | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
Il nuovo processo fornirebbe un percorso più efficiente per convertire l'etanolo rinnovabile e derivato dai rifiuti in sostanze chimiche utili. Attualmente, l'n-butene viene prodotto da materie prime a base fossile utilizzando il cracking o la demolizione ad alta intensità energetica di grandi molecole. La nuova tecnologia riduce le emissioni di anidride carbonica utilizzando materie prime di carbonio rinnovabili o riciclate. Utilizzando n-butene di derivazione sostenibile come punto di partenza, i processi esistenti possono perfezionare ulteriormente la sostanza chimica per molteplici usi commerciali, inclusi diesel e carburanti per jet e lubrificanti industriali.
“La biomassa è una fonte di energia rinnovabile impegnativa a causa del suo costo elevato. Inoltre, la scala della biomassa determina la necessità di impianti di lavorazione distribuiti più piccoli", ha affermato Vanessa Dagle, ricercatrice co-primaria di lo studio di ricerca iniziale, che è stato pubblicato sulla rivista Catalisi ACS. “Abbiamo ridotto la complessità e migliorato l'efficienza del processo, riducendo contemporaneamente i costi di capitale. Una volta dimostrata l'elaborazione modulare e scalata, questo approccio offre un'opzione realistica per la produzione di energia localizzata e distribuita".
Carburante per jet da micro a macro
In un salto verso la commercializzazione, PNNL sta collaborando con collaboratori di lunga data presso la Oregon State University per integrare il processo di conversione chimica brevettato in reattori a microcanali costruiti utilizzando la tecnologia di stampa 3D di nuova concezione. Chiamata anche produzione additiva, la stampa 3D consente al team di ricerca di creare un nido d'ape pieghettato di mini-reattori che aumentano notevolmente il rapporto effettivo tra superficie e volume disponibile per la reazione.
"La capacità di utilizzare nuove tecnologie di produzione additiva multimateriale per combinare la produzione di microcanali con supporti catalizzatori ad alta superficie in una fase del processo, ha il potenziale per ridurre significativamente i costi di questi reattori", afferma il ricercatore capo dell'OSU Brian Paul . "Siamo entusiasti di essere partner di PNNL e LanzaTech in questa impresa".
Robert Dagle tiene una fiala di carburante creata dalla conversione della biomassa. Credito: Foto di Andrea Starr |Laboratorio nazionale del nord-ovest del Pacifico
"A causa dei recenti progressi nei metodi di produzione dei microcanali e delle riduzioni dei costi associati, riteniamo che sia giunto il momento di adattare questa tecnologia a nuove applicazioni di bioconversione commerciale", ha affermato Robert Dagle, co-investigatore principale della ricerca.
La tecnologia dei microcanali consentirebbe di costruire bioreattori su scala commerciale vicino ai centri agricoli dove viene prodotta la maggior parte della biomassa. Uno dei maggiori ostacoli all'utilizzo della biomassa come combustibile è la necessità di trasportarla su lunghe distanze verso grandi impianti di produzione centralizzati.
"Il design modulare riduce la quantità di tempo e il rischio necessario per installare un reattore", ha affermato Robert Dagle. “I moduli potrebbero essere aggiunti nel tempo man mano che la domanda cresce. Chiamiamo questa scala crescente numerando”.
Il quarto reattore di prova su scala commerciale sarà prodotto mediante stampa 3D utilizzando metodi sviluppati in collaborazione con OSU e sarà utilizzato nel campus di Richland, Washington, del PNNL.
I mini-reattori a microcanali aumentano notevolmente l'efficienza della conversione chimica dei biocarburanti. Credito: Foto per gentile concessione della Oregon State University
Una volta completato il reattore di prova, il partner commerciale PNNL LanzaTech fornirà etanolo per alimentare il processo. Il processo brevettato di LanzaTech converte in etanolo i rifiuti e i residui ricchi di carbonio prodotti dalle industrie, come la produzione di acciaio, la raffinazione del petrolio e la produzione chimica, nonché i gas generati dalla gassificazione dei residui forestali e agricoli e dai rifiuti urbani.
Il reattore di prova consumerà etanolo equivalente fino a metà di una tonnellata secca di biomassa al giorno. LanzaTech ha già ampliato la prima generazione della tecnologia PNNL per la produzione di carburante per aerei da etanolo e ha costituito una nuova società, LanzaJet, per commercializzare LanzaJet™ Alcohol-to-Jet. L'attuale progetto rappresenta il passo successivo nella razionalizzazione di tale processo fornendo al contempo flussi di prodotti aggiuntivi da n-butene.
"PNNL è stato un partner forte nello sviluppo della tecnologia da etanolo a getto che la società spin-off di LanzaTech, LanzaJet, sta impiegando in diversi impianti in fase di sviluppo", ha affermato Jennifer Holmgren, CEO di LanzaTech. “L'etanolo può provenire da una varietà di fonti sostenibili e come tale è una materia prima sempre più importante per il carburante sostenibile per l'aviazione. Questo progetto mostra grandi promesse per la tecnologia dei reattori alternativi che potrebbe avere vantaggi per questo percorso chiave verso la decarbonizzazione del settore aeronautico”.
Un processo sintonizzabile
Sin dai primi esperimenti, il team ha continuato a perfezionare il processo. Quando l'etanolo viene passato su un catalizzatore solido a base di argento-zirconia supportato su una silice, esegue le reazioni chimiche essenziali che convertono l'etanolo in n-butene o, con alcune modifiche alle condizioni di reazione, in butadiene.
Ma ancora più importante, dopo studi di lunga durata, il catalizzatore rimane stabile. In uno studio di follow-up, il team di ricerca ha dimostrato che se il catalizzatore perde attività, può essere rigenerato mediante una semplice procedura per rimuovere il coke, un rivestimento a base di carbonio duro che può accumularsi nel tempo. Per lo scale-up verrà utilizzata una formulazione catalizzatrice ancora più efficiente e aggiornata.
"Abbiamo scoperto il concetto di questo sistema catalizzato che è altamente attivo, selettivo e stabile", ha affermato Vanessa Dagle. “Regolando la pressione e altre variabili, possiamo anche mettere a punto il sistema per generare butadiene, un elemento costitutivo per plastica o gomma sintetica, o un n-butene, adatto per la produzione di carburanti per aviogetti o prodotti come lubrificanti sintetici. Dalla nostra scoperta iniziale, anche altri istituti di ricerca hanno iniziato a esplorare questo nuovo processo”.
Oltre a Vanessa Dagle e Robert Dagle, il team di sviluppo del catalizzatore comprendeva i ricercatori del PNNL Austin Winkelman, Nicholas Jaegers, Johnny Saavedra-Lopez, Jianzhi Hu, Mark Engelhard, Sneha Akhade, Libor Kovarik, Vassilliki-Alexandra Glezakou, Roger Rousseau e Yong Wang. Ha contribuito anche la ricercatrice senior Susan Habas del National Renewable Energy Laboratory. Gli scienziati del personale del PNNL Ward TeGrotenhuis, Richard Zheng e Johnny Saavedra-Lopez hanno contribuito allo sviluppo della tecnologia dei microcanali.
La ricerca sulla conversazione chimica è stata supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, all'interno del Consorzio Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) sponsorizzato dal Bioenergy Technology Office (BETO). ChemCatBio è un consorzio di ricerca e sviluppo guidato da laboratori nazionali DOE dedicato all'identificazione e al superamento delle sfide della catalisi per la conversione della biomassa e delle risorse di scarto in combustibili, sostanze chimiche e materiali. Il partenariato pubblico-privato e ampliato è supportato da DOE-BETO e dal Fondo per la ricerca sull'innovazione dell'Università dello Stato dell'Oregon.
