Hurtigere og billigere ethanol-til-jet-brændstof i horisonten

En patenteret proces til omdannelse af alkohol, der stammer fra vedvarende eller industrielt affaldsgasser til jet- eller dieselbrændstof, skaleres op på det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory med hjælp fra partnere ved Oregon State University og carbon-genbrugseksperterne på LanzaTech.

To nøgleteknologier driver de energieffektive brændstofproduktionsenheder.

En enkelttrins kemisk konvertering strømliner, hvad der i øjeblikket er en flertrinsproces. Den nye PNNL-patenterede katalysator omdanner biobrændstof (ethanol) direkte til en alsidig "platform" kemikalie kaldet n-buten. Et mikrokanalreaktordesign reducerer omkostningerne yderligere, mens det leverer et skalerbart modulært behandlingssystem.

Den nye proces ville give en mere effektiv vej til at omdanne vedvarende og affalds-afledt ethanol til nyttige kemikalier. I øjeblikket, n-buten fremstilles af fossilbaserede råvarer ved hjælp af energikrævende krakning - eller nedbrydning - af store molekyler. Den nye teknologi reducerer udledningen af ​​kuldioxid ved at bruge vedvarende eller genbrugte kulstofråvarer. Ved at bruge bæredygtigt afledt n-buten som udgangspunkt, eksisterende processer kan yderligere forfine kemikaliet til flere kommercielle anvendelser, herunder diesel og jetbrændstoffer, og industrielle smøremidler.

"Biomasse er en udfordrende kilde til vedvarende energi på grund af dens høje omkostninger. Derudover, omfanget af biomasse driver behovet for mindre, distribuerede forarbejdningsanlæg, " sagde Vanessa Dagle, co-primær efterforsker af det indledende forskningsstudie, som blev offentliggjort i tidsskriftet ACS katalyse . "Vi har reduceret kompleksiteten og forbedret effektiviteten af ​​processen, og samtidig reducere kapitalomkostningerne. En gang modulopbygget, skaleret behandling er blevet demonstreret, denne tilgang giver en realistisk mulighed for lokaliserede, distribueret energiproduktion."

Mikro-til-makro jetbrændstof

I et spring mod kommercialisering, PNNL samarbejder med mangeårige samarbejdspartnere ved Oregon State University for at integrere den patenterede kemiske konverteringsproces i mikrokanalreaktorer bygget ved hjælp af nyudviklet 3D-printteknologi. Også kaldet additiv fremstilling, 3D-print giver forskerholdet mulighed for at skabe en plisseret honeycomb af minireaktorer, der i høj grad øger det effektive overflade-areal-til-volumen-forhold, der er tilgængeligt for reaktionen.

"Evnen til at bruge nye multi-materiale additive fremstillingsteknologier til at kombinere fremstillingen af ​​mikrokanaler med katalysatorstøtter med højt overfladeareal i ét procestrin, har potentialet til betydeligt at reducere omkostningerne ved disse reaktorer, " siger OSU's ledende forsker Brian Paul. "Vi er glade for at være partnere med PNNL og LanzaTech i denne bestræbelse."

"På grund af de seneste fremskridt inden for mikrokanalfremstillingsmetoder og tilhørende omkostningsreduktioner, vi mener, at tiden er inde til at tilpasse denne teknologi til nye kommercielle biokonverteringsapplikationer, sagde Robert Dagle, co-primær efterforsker af forskningen.

Mikrokanalteknologien ville gøre det muligt at bygge bioreaktorer i kommerciel skala i nærheden af ​​landbrugscentre, hvor det meste af biomassen produceres. En af de største hindringer for at bruge biomasse til brændstof er behovet for at transportere den over lange afstande til store, centraliserede produktionsanlæg.

"Det modulære design reducerer mængden af ​​tid og risiko, der er nødvendig for at installere en reaktor, " sagde Robert Dagle. "Moduler kan tilføjes over tid, efterhånden som efterspørgslen vokser. Vi kalder denne skala op ved at nummerere. "

Den fjerdedel kommercielle testreaktor vil blive produceret ved 3D-print ved hjælp af metoder udviklet i samarbejde med OSU og vil blive drevet på Richland, Wash. campus af PNNL.

Når testreaktoren er færdig, PNNL kommerciel partner LanzaTech vil levere ethanol til at fodre processen. LanzaTechs patenterede proces omdanner kulstofrigt affald og restprodukter produceret af industrier, såsom stålfremstilling, olieraffinering og kemisk produktion, samt gasser genereret ved forgasning af skovbrug og landbrugsrester og kommunalt affald til ethanol.

Testreaktoren vil forbruge ethanol svarende til op til et halvt tørt ton biomasse pr. dag. LanzaTech har allerede opskaleret den første generation af PNNL-teknologi til jetbrændstofproduktion fra ethanol og dannet et nyt selskab, LanzaJet, at kommercialisere LanzaJet Alcohol-to-Jet. Det nuværende projekt repræsenterer det næste trin i at strømline denne proces og samtidig levere yderligere produktstrømme fra n-buten.

"PNNL har været en stærk partner i udviklingen af ​​ethanol-til-jet-teknologi, som LanzaTech-spin-off-virksomheden, LanzaJet, beskæftiger i flere anlæg under udvikling, " sagde Jennifer Holmgren, LanzaTech CEO. "Ethanol kan komme fra en række bæredygtige kilder og er som sådan et stadig vigtigere råmateriale til bæredygtigt flybrændstof. Dette projekt viser et stort løfte for alternativ reaktorteknologi, som kan have fordele for denne nøglevej til dekarbonisering af luftfartssektoren."

En afstemmelig proces

Siden deres tidlige eksperimenter, teamet er fortsat med at perfektionere processen. Når ethanol ledes over en solid sølv-zirconiumoxid-baseret katalysator understøttet på en silica, det udfører de væsentlige kemiske reaktioner, der omdanner ethanol til enten n-buten eller, med nogle ændringer af reaktionsbetingelserne, butadien.

Men endnu vigtigere, efter længerevarende studier, katalysatoren forbliver stabil. I en opfølgende undersøgelse offentliggjort i ChemCatChem , forskerholdet viste, at hvis katalysatoren mister aktivitet, det kan regenereres ved en simpel procedure til at fjerne koks ― en hård kulstofbaseret belægning, der kan bygge sig op over tid. En endnu mere effektiv, opdateret katalysatorformulering vil blive brugt til opskalering.

"Vi opdagede konceptet for dette katalyserede system, der er meget aktivt, selektiv, og stabil, "sagde Vanessa Dagle." Ved at justere trykket og andre variabler, vi kan også indstille systemet til at generere enten butadien, en byggesten til syntetisk plast eller gummi eller en n-buten, som er egnet til fremstilling af jetbrændstoffer eller produkter såsom syntetisk smøremiddel. Siden vores første opdagelse, andre forskningsinstitutioner er også begyndt at udforske denne nye proces."