Энергосберегающие топливные установки работают на двух ключевых технологиях.
Одностадийное химическое преобразование упрощает то, что в настоящее время является многоступенчатым процессом. Новый запатентованный PNNL катализатор превращает биотопливо (этанол) непосредственно в универсальный химический элемент «платформу», называемый н-бутен.
Конструкция микроканального реактора дополнительно снижает затраты, обеспечивая при этом масштабируемую модульную систему обработки.
Новый процесс обеспечит более эффективный способ превращения возобновляемого этанола и этанола из отходов в полезные химические вещества.
В настоящее время н-бутен производится из ископаемого сырья с использованием энергоемкого крекинга – или разрушения – больших молекул. Новая технология снижает выбросы углекислого газа за счет использования возобновляемого или переработанного углеродного сырья. Используя устойчиво полученный н-бутен в качестве отправной точки, существующие процессы могут дополнительно очищать химикат для различных коммерческих применений, включая дизельное и реактивное топливо, а также промышленные смазочные материалы.
Посмотрите, как запатентованный PNNL катализатор в сочетании с уникальным микроканальным реактором может превратить этанол в полезный химикат, имеющий множество коммерческих применений, включая топливо для реактивных двигателей. (Видео Эрика Франкавиллы; анимация Майка Перкинса | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)
«Биомасса – сложный источник возобновляемой энергии из-за ее высокой стоимости.
Кроме того, масштабы биомассы вызывают потребность в небольших распределенных перерабатывающих предприятиях », – сказала Ванесса Дагл, соучредитель первоначального исследования, которое было опубликовано в журнале ACS Catalysis. «Мы снизили сложность и повысили эффективность процесса, одновременно сократив капитальные затраты. После демонстрации модульной масштабируемой обработки этот подход предлагает реалистичный вариант для локализованного распределенного производства энергии."
Топливо для реактивных двигателей от микро до макро
Стремясь к коммерциализации, PNNL сотрудничает с давними сотрудниками из Университета штата Орегон, чтобы интегрировать запатентованный процесс химического преобразования в микроканальные реакторы, построенные с использованием недавно разработанной технологии 3D-печати. 3D-печать, также называемая аддитивным производством, позволяет исследовательской группе создавать гофрированные соты из мини-реакторов, которые значительно увеличивают эффективное отношение площади поверхности к объему, доступное для реакции.
«Возможность использовать новые технологии аддитивного производства из нескольких материалов для объединения производства микроканалов с носителями катализаторов с большой площадью поверхности на одной стадии процесса может значительно снизить стоимость этих реакторов», – говорит ведущий исследователь OSU Брайан Пол. "Мы рады быть партнерами PNNL и LanzaTech в этом начинании."
«В связи с недавними достижениями в методах производства микроканалов и связанным с этим снижением затрат, мы считаем, что настало время адаптировать эту технологию к новым коммерческим приложениям биоконверсии», – сказал Роберт Дагл, соучредитель исследования.
Технология микроканалов позволит строить биореакторы промышленного масштаба вблизи сельскохозяйственных центров, где производится большая часть биомассы. Одним из самых серьезных препятствий для использования биомассы в качестве топлива является необходимость транспортировки ее на большие расстояния к крупным централизованным производственным предприятиям.
«Модульная конструкция сокращает время и риски, необходимые для развертывания реактора», – сказал Роберт Дагл. "Модули могут быть добавлены со временем по мере роста спроса.
Мы называем это масштабирование нумерацией вверх."
Четвертая часть испытательного реактора промышленного масштаба будет производиться методом 3D-печати с использованием методов, разработанных в сотрудничестве с OSU, и будет эксплуатироваться на заводе Richland, Wash. кампус PNNL.
После того, как испытательный реактор будет завершен, коммерческий партнер PNNL, компания LanzaTech, поставит этанол для подачи в процесс. Запатентованный компанией LanzaTech процесс превращает богатые углеродом отходы и остатки, производимые в таких отраслях, как производство стали, нефтепереработка и химическое производство, а также газы, образующиеся при газификации лесных и сельскохозяйственных отходов и городских отходов, в этанол.
Испытательный реактор будет потреблять этанол, эквивалентный половине сухой тонны биомассы в день. LanzaTech уже расширила масштабы первого поколения технологии PNNL для производства реактивного топлива из этанола и создала новую компанию, LanzaJet, для коммерциализации LanzaJet ™ Alcohol-to-Jet. Текущий проект представляет собой следующий шаг в оптимизации этого процесса, обеспечивая при этом дополнительные потоки продуктов из н-бутена.
«PNNL была надежным партнером в разработке технологии производства этанола в реактивной струе, которую дочерняя компания LanzaTech, LanzaJet, использует на нескольких разрабатываемых заводах», – сказала Дженнифер Холмгрен, генеральный директор LanzaTech. «Этанол может поступать из различных экологически чистых источников и, как таковой, становится все более важным сырьем для устойчивого авиационного топлива. Этот проект показывает большие перспективы для альтернативной реакторной технологии, которая может иметь преимущества на этом ключевом пути декарбонизации авиационного сектора."
Настраиваемый процесс
С момента первых экспериментов команда продолжала совершенствовать процесс.
Когда этанол пропускают через твердый катализатор на основе серебра и диоксида циркония, нанесенный на диоксид кремния, он выполняет важные химические реакции, в результате которых этанол превращается либо в н-бутен, либо, с некоторыми изменениями условий реакции, в бутадиен.
Но что еще более важно, после длительных исследований катализатор остается стабильным. В последующем исследовании группа исследователей показала, что если катализатор теряет активность, его можно регенерировать с помощью простой процедуры удаления кокса?твердое покрытие на углеродной основе, которое со временем может накапливаться. Еще более эффективный, обновленный состав катализатора будет использоваться для увеличения масштаба.
«Мы открыли концепцию этой каталитической системы, которая является высокоактивной, селективной и стабильной», – сказала Ванесса Дагл. «Регулируя давление и другие переменные, мы также можем настроить систему для производства либо бутадиена, строительного блока для синтетического пластика или резины, либо н-бутена, который подходит для производства топлива для реактивных двигателей или таких продуктов, как синтетическая смазка. С момента нашего первого открытия другие исследовательские учреждения также начали изучать этот новый процесс."
Помимо Ванессы Дейл и Роберта Дагла, в команду разработчиков катализатора входили исследователи PNNL Остин Винкельман, Николас Джегерс, Джонни Сааведра-Лопес, Джианжи Ху, Марк Энгельхард, Снеха Ахаде, Либор Коварик, Василлики-Александра Глезаку, Роджер Руссо и Йонг.
Старший научный сотрудник Сьюзан Хабас из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии также внесла свой вклад в. Штатные ученые PNNL Уорд Тегротенхейс, Ричард Чжэн и Джонни Сааведра-Лопес внесли свой вклад в развитие микроканальной технологии.
Исследование химического разговора было поддержано U.S. Министерство энергетики (DOE), Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, в рамках Консорциума химического катализа для биоэнергетики (ChemCatBio), спонсируемого Управлением биоэнергетических технологий (BETO).
ChemCatBio – это научно-исследовательский консорциум под руководством национальной лаборатории Министерства энергетики, занимающийся выявлением и преодолением проблем катализа для преобразования биомассы и отходов в топливо, химические вещества и материалы. Государственно-частное партнерство с расширением масштабов поддерживается DOE-BETO и Фондом инновационных исследований университета штата Орегон.