Reduktion af drivhusgasemissioner ved hjælp af mikrobølgeplasmateknologi

Et tværfagligt samarbejde, udviklet mellem Penn State EMS Energy Institute-forskere og en Pittsburgh-baseret start-up virksomhed, kan indeholde svaret på at reducere de globale drivhusgasemissioner og samtidig bane vejen for at forstyrre den kemiske og materielle industri.

Siden 2015 har Randy Vander Wal, professor i energi- og mineralteknik og materialevidenskab og teknik, og tilknyttet EMS Energy Institute, har samarbejdet med H Quest Vanguard om et voksende antal projekter, der bruger virksomhedens plasmateknologi til at muliggøre potentielle nye, ikke-emissionsgivende anvendelser af kul og naturgas.

"De unikke egenskaber i Penn State's Material Characterization Laboratory giver uvurderlig indsigt i egenskaberne af H Quests plasma-producerede materialer og er afgørende for at etablere et produkt, der er egnet til kommercialisering, " sagde George Skoptsov, H Quest CEO.

Samarbejdet har resulteret i fem forskningsprojekter, der har til formål at genopfinde kul og naturgas i det 21. århundrede som rene, omkostningseffektive kilder til brændstoffer og højtydende materialer.

Reduktion af drivhusgasemissioner

Mens jordens klima har ændret sig gennem historien, den nuværende videnskabelige konsensus er, at den nuværende globale opvarmningstendens sandsynligvis er resultatet af menneskelig aktivitet, nemlig udledning af drivhusgasser som følge af forbrænding af fossile brændstoffer.

Skift til renere brændstoffer er anerkendt som en nøglekomponent i at reducere disse emissioner. Brint, i særdeleshed, er en lovende energibærer, fordi afbrænding kun producerer vand og ikke kuldioxid. Men brint er meget sjældent i sin rene molekylære form. Det er rigeligt, imidlertid, i form af vand — 11 vægtprocent brint — og metan, en hovedbestanddel af naturgas - 25 vægtprocent brint. Faktisk, ifølge det amerikanske energiministerium, i øjeblikket udvindes 95% af brinten til brændstof i USA fra naturgas.

Den mest udbredte industrielle proces til brintproduktion - damp-methanreformering - opvarmer metan fra naturgas ved hjælp af damp til at producere kulilte og brint. Desværre, denne proces har et stort fodaftryk af drivhusgasemissioner og forbruger store mængder vand.

Termisk metan-nedbrydning opvarmer naturgas til mere end 2, 000 grader Fahrenheit, som knækker kulbrintemolekylerne, udvinder brint som gas og efterlader det faste kulstof. Introduktion af katalysatorer til denne proces kan reducere den nødvendige temperatur, men introducerer problemet med at adskille det faste kulstof fra katalysatoroverfladerne. Samlet set, på grund af begrænsninger forbundet med opvarmning, denne proces er fortsat en omkostningsfuld, energikrævende, og drivhusgas-emissionsproces.

H Quests mikrobølgeplasmateknologi katalyserer reaktioner på en ny måde og tillader meget hurtig—1, 000 grader Fahrenheit per sekund - opvarmning af gas, hvilket ikke er muligt med konventionelle varmeteknologier såsom kedler, ovne, varmevekslere, eller induktive varmelegemer.

Fordi vedvarende elektricitet kan drive mikrobølger, og metan-nedbrydning bruger ikke ilt, udvinding af brint fra naturgas ved hjælp af mikrobølgeplasmateknologi kan være fuldstændig fri for drivhusgasemissioner. Ud over, mikrobølgeplasmateknologi muliggør modulopbygget, lille skala, lavkapital udbredelse af kemiske konverteringsanlæg, at gøre den kemiske industri mere effektiv, effektiv, fleksibel og konkurrencedygtig.

I et nyligt tildelt universitetskoalition for grundlæggende og anvendt fossil energiforskningsprojekt, sponsoreret af DOE, Vander Wal søger at udvikle en dybere forståelse af, hvordan procesforhold inden for H Quests reaktor definerer kulstofproduktparametre.

Vital for denne indsats er evnerne i Material Characterization Laboratory, som har en bred vifte af karakteriseringsteknikker inden for mikroskopi, spektroskopi, overfladeanalyse, og termofysiske teknikker, der vil hjælpe med at kaste lys over, hvorfor forskellige materialer viser forskellige egenskaber og adfærd.

Projektet, med titlen "Optimering af mikrobølgedrevet, Plasma-assisteret omdannelse af metan til hydrogen og grafen, " har til formål at identificere reaktordesign og procesbetingelser for brintproduktion med evnen til at tune kulstofproduktegenskaber og evaluere methankonvertering, produktudbytte, og selektivitet.

Målet er at udvikle relationer mellem kulstofproduktformen, egenskaber, og procesparametre. Sådanne forhold vil tillade selektiv produktion af specifikke kulstofformer og evnen til at skræddersy deres fysisk-kemiske egenskaber. Forskerne håber, at dette vil føre til næste generations brintteknologier, der kan gøre det muligt at bruge strandede indenlandske energiressourcer, såsom strandede naturgasreserver, samtidig med at man diversificerer brintråvarer.

Hvis det lykkes, det kunne også reducere omkostningerne forbundet med brintenergiprodukter i stor skala; skabe efterspørgsel på markedet, teknologier, og infrastruktur til at muliggøre udbredelse af brintenergi; og bruge indenlandsk naturgas til fremstilling af energi og syntetiske kulstofprodukter.

"Mikrobølgebehandling af naturgas repræsenterer dekarbonisering af et fossilt brændstof, mens det baner vejen mod brintøkonomien, " sagde Vander Wal.

Det ville også skabe en vej til renere, billigere kulstofprodukter. grafen, for eksempel, er et materiale, der er stærkere end stål og mere ledende end kobber.

"Grafen, som tilsætning til beton, kan øge styrke og holdbarhed, at bidrage til forbedring af infrastrukturen, samtidig med at de sekvestrerer ved produktion af kulstof/grafen i stor skala, " sagde Vander Wal.

Penn State EMS Energy Institute-forskere og H Quest samarbejder også gennem en National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program-pris for at teste virksomhedens materiale i disse roller. De undersøger også anvendelser af mikrobølgeplasma til at omdanne kul til kulstofprodukter gennem en pris fra DOE's National Energy Technology Laboratory.

Bredden af ​​de plasma-afledte produkter er enorm, fra aktivt kul til 3-D-printbar plast til industrielle kulelektroder til stål- og aluminiumssmeltning, mulighederne er umådelige, sagde Skoptsov.

"Kul har været grundlaget for moderne industriel organisk kemi, " tilføjede han. "Så mange syntetiske produkter - fra aspirin til nylon - er blevet fremstillet af kul, før det blev synonymt med elproduktion i den billige olies æra i 1950'erne. Denne forskning vil frigøre den sande værdi af vores fossile ressourcer som kilden til højtydende materialer, men vil gøre det på en mere bæredygtig og omkostningseffektiv måde, end det nogensinde har været muligt."