新しい触媒とマイクロチャネル反応器は、効率とコストを改善します。
再生可能または産業廃棄物ガスから供給されるアルコールをジェット燃料またはディーゼル燃料に変換する特許取得済みのプロセスは、オレゴン州立大学のパートナーとLanzaTechの炭素リサイクル専門家の助けを借りて、米国エネルギー省のパシフィックノースウェスト国立研究所でスケールアップされています。
XNUMXつの主要な技術がエネルギー効率の高い燃料生産ユニットに電力を供給します。
シングルステップの化学変換により、現在のマルチステッププロセスが合理化されます。 新しい PNNL特許取得済みの触媒 バイオ燃料（エタノール）をn-ブテンと呼ばれる用途の広い「プラットフォーム」化学物質に直接変換します。 マイクロチャネルリアクターの設計は、スケーラブルなモジュラー処理システムを提供しながら、コストをさらに削減します。
PNNLが特許を取得した触媒を、独自のマイクロチャネルリアクターと組み合わせることで、ジェット燃料を含む複数の商業用途でエタノールを有用な化学物質に変換する方法をご覧ください。 クレジット：EricFrancavillaによるビデオ。 マイク・パーキンスによるアニメーション| パシフィックノースウェスト国立研究所
新しいプロセスは、再生可能で廃棄物由来のエタノールを有用な化学物質に変換するためのより効率的なルートを提供します。 現在、n-ブテンは、大きな分子のエネルギーを大量に消費する分解（または分解）を使用して、化石ベースの原料から製造されています。 この新技術は、再生可能またはリサイクルされた炭素原料を使用することにより、二酸化炭素の排出を削減します。 持続可能な方法で得られたn-ブテンを出発点として使用することで、既存のプロセスでは、ディーゼル燃料やジェット燃料、工業用潤滑油など、複数の商業用途向けに化学物質をさらに精製できます。
「バイオマスはコストが高いため、再生可能エネルギーの挑戦的な供給源です。 さらに、バイオマスの規模により、より小規模な分散処理プラントの必要性が高まっています」と、 最初の調査研究、ジャーナルに掲載されました ACS触媒作用。 「プロセスの複雑さを軽減し、効率を向上させると同時に、資本コストを削減しました。 モジュール式のスケーリングされた処理が実証されると、このアプローチは、局所的な分散型エネルギー生産のための現実的なオプションを提供します。」
マイクロからマクロへのジェット燃料
商業化に向けた飛躍において、PNNLはオレゴン州立大学の長年の協力者と提携して、特許取得済みの化学変換プロセスを、新しく開発された3D印刷技術を使用して構築されたマイクロチャネルリアクターに統合しています。 アディティブマニュファクチャリングとも呼ばれる3D印刷により、研究チームはミニリアクターのプリーツハニカムを作成して、反応に利用できる有効表面積対体積比を大幅に向上させることができます。
「新しいマルチマテリアルアディティブマニュファクチャリングテクノロジーを使用して、マイクロチャネルの製造と高表面積の触媒担体をXNUMXつのプロセスステップで組み合わせることができるため、これらのリアクターのコストを大幅に削減できる可能性があります」とOSUの主任研究員であるブライアンポールは述べています。 。 「この取り組みにおいて、PNNLおよびLanzaTechとパートナーになることに興奮しています。」
Robert Dagleは、バイオマス変換から作成された燃料のバイアルを保持しています。 クレジット：AndreaStarrによる写真|パシフィックノースウェスト国立研究所
「マイクロチャネルの製造方法の最近の進歩とそれに伴うコスト削減により、この技術を新しい商用生物変換アプリケーションに適応させる時期が来たと考えています」と、研究の共同主任研究員であるロバート・デーグルは述べています。
マイクロチャネル技術により、ほとんどのバイオマスが生産される農業センターの近くに商業規模のバイオリアクターを建設することができます。 バイオマスを燃料として使用する上での最大の障害のXNUMXつは、バイオマスを大規模な集中型生産プラントに長距離輸送する必要があることです。
「モジュラー設計により、原子炉の配備に必要な時間とリスクが軽減されます」とロバート・デイグル氏は述べています。 「モジュールは、需要の増加に応じて時間の経過とともに追加される可能性があります。 番号を付けることで、このスケールアップと呼びます。」
3分のXNUMXの商業規模のテストリアクターは、OSUと共同で開発された方法を使用して、XNUMXD印刷によって製造され、PNNLのワシントン州リッチランドキャンパスで運用されます。
マイクロチャネルミニリアクターは、バイオ燃料の化学変換の効率を大幅に向上させます。 クレジット：オレゴン州立大学の写真提供
テストリアクターが完成すると、PNNLの商用パートナーであるLanzaTechがプロセスに供給するエタノールを供給します。 LanzaTechの特許取得済みのプロセスは、鉄鋼製造、石油精製、化学製品などの産業で生成される炭素に富む廃棄物と残留物、および林業と農業の残留物と都市廃棄物のガス化によって生成されるガスをエタノールに変換します。
試験反応器は、XNUMX日あたり最大XNUMX乾燥トンのバイオマスに相当するエタノールを消費します。 LanzaTechは、エタノールからジェット燃料を製造するための第XNUMX世代のPNNLテクノロジーをすでにスケールアップしており、LanzaJet™Alcohol-to-Jetを商品化するために新しい会社LanzaJetを設立しました。 現在のプロジェクトは、n-ブテンからの追加の製品ストリームを提供しながら、そのプロセスを合理化する次のステップを表しています。
「PNNLは、LanzaTechのスピンオフ企業であるLanzaJetが開発中の複数のプラントで採用しているエタノールからジェットへの技術の開発における強力なパートナーです」とLanzaTechのCEOであるJenniferHolmgrenは述べています。 「エタノールはさまざまな持続可能な供給源から得られる可能性があるため、持続可能な航空燃料の原料としてますます重要になっています。 このプロジェクトは、航空セクターの脱炭素化へのこの重要な経路に利益をもたらす可能性のある代替原子炉技術に大きな期待を示しています。」
調整可能なプロセス
彼らの初期の実験以来、チームはプロセスを完成させ続けてきました。 エタノールがシリカに担持された固体の銀-ジルコニアベースの触媒を通過すると、エタノールをn-ブテンまたは反応条件にいくつかの変更を加えたブタジエンに変換する必須の化学反応を実行します。
しかし、さらに重要なことは、長期間の研究の後、触媒は安定したままです。 追跡調査で、研究チームは、触媒が活性を失った場合、時間の経過とともに蓄積する可能性のあるハードカーボンベースのコーティングであるコークスを除去する簡単な手順で再生できることを示しました。 スケールアップには、さらに効率的な最新の触媒配合が使用されます。
「私たちは、非常にアクティブで、選択的で、安定しているこの触媒システムのコンセプトを発見しました」と、VanessaDagle氏は述べています。 「圧力やその他の変数を調整することで、システムを調整して、合成プラスチックやゴムのビルディングブロックであるブタジエン、またはジェット燃料や合成潤滑油などの製品の製造に適したn-ブテンを生成することもできます。 私たちの最初の発見以来、他の研究機関もこの新しいプロセスの調査を開始しました。」
ヴァネッサ・デイグルとロバート・デイグルに加えて、触媒開発チームには、PNNLの研究者であるオースティン・ウィンケルマン、ニコラス・イェーガース、ジョニー・サーベドラ・ロペス、ジャンジー・フー、マーク・エンゲルハルト、スネハ・アハデ、リボル・コヴァジーク、ヴァシリキ・アレクサンドラ・グレザコウ、ロジャー・ルソー、ヨン・ワンが含まれていました。 国立再生可能エネルギー研究所の上級科学者スーザン・ハバスも寄稿しました。 PNNLのスタッフ科学者であるワードテグロテンハウス、リチャードチェン、ジョニーサアベドラロペスは、マイクロチャネル技術の開発に貢献しました。
化学会話の研究は、米国エネルギー省（DOE）、エネルギー効率および再生可能エネルギー局、バイオエネルギー技術局（BETO）が後援するバイオエネルギー化学触媒（ChemCatBio）コンソーシアム内でサポートされていました。 ChemCatBioは、バイオマスと廃棄物資源を燃料、化学物質、および材料に変換するための触媒作用の課題を特定して克服することを目的とした、DOEの全国ラボ主導の研究開発コンソーシアムです。 官民のスケールアップパートナーシップは、DOE-BETOとオレゴン州の大学イノベーション研究基金によってサポートされています。
