Две ключевые технологии приводят в действие установки по производству энергоэффективного топлива.

Одноступенчатое химическое преобразование упрощает то, что в настоящее время является многоступенчатым процессом. Новый катализатор, запатентованный PNNL, преобразует биотопливо (этанол) непосредственно в универсальный "платформенный" химикат под названием н-бутен. Конструкция микроканального реактора дополнительно снижает затраты, обеспечивая при этом масштабируемую модульную систему обработки.

Новый процесс обеспечит более эффективный способ преобразования возобновляемого и получаемого из отходов этанола в полезные химические вещества. В настоящее время н-бутен получают из ископаемого сырья с использованием энергоемкого крекинга - или расщепления - крупных молекул. Новая технология сокращает выбросы углекислого газа за счет использования возобновляемого или переработанного углеродного сырья. Используя экологически чистый н-бутен в качестве отправной точки, существующие процессы могут дополнительно усовершенствовать химическое вещество для различных коммерческих применений, включая дизельное топливо и реактивные топлива, а также промышленные смазочные материалы.

Посмотрите, как запатентованный PNNL катализатор в сочетании с уникальным микроканальным реактором может превращать этанол в полезное химическое вещество с множеством коммерческих применений, включая реактивное топливо. (Видео Эрика Франкавиллы; Анимация Майка Перкинса | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория)

"Биомасса является сложным источником возобновляемой энергии из-за ее высокой стоимости. Кроме того, масштабы производства биомассы обуславливают потребность в небольших распределенных перерабатывающих установках", - сказала Ванесса Дагл, соавтор 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 локализованного, распределенного производства энергии".

Реактивное топливо от микро до макро

Стремясь к коммерциализации, PNNL сотрудничает с давними сотрудниками Университета штата Орегон, чтобы интегрировать запатентованный процесс химической конверсии в микроканальные реакторы, построенные с использованием недавно разработанной технологии 3D-печати. Также называемая аддитивным производством, 3D-печать позволяет исследовательской группе создавать гофрированные соты мини-реакторов, которые значительно увеличивают эффективное отношение площади поверхности к объему, доступному для реакции.

"Возможность использования новых технологий аддитивного производства из нескольких материалов для объединения производства микроканалов с катализаторными носителями с большой площадью поверхности на одной технологической стадии потенциально может значительно снизить затраты на эти реакторы", - 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 для новых коммерческих применений биоконверсии", - сказал Роберт Дагл, один из основных исследователей исследования.

Микроканальная технология позволила бы строить биореакторы коммерческого масштаба вблизи сельскохозяйственных центров, где производится большая часть биомассы. Одним из самых больших препятствий для использования биомассы в качестве топлива является необходимость транспортировки ее на большие расстояния к крупным централизованным производственным установкам.

"Модульная конструкция сокращает количество времени и рисков, необходимых для развертывания реактора", - сказал Роберт Дагл. "Модули могут быть добавлены со временем по мере роста спроса. Мы называем это масштабированием путем нумерации вверх."

Один четвертый испытательный реактор коммерческого масштаба будет изготовлен методом 3D-печати с использованием методов, разработанных в партнерстве с OSU, и будет эксплуатироваться в Ричленде, штат Вашингтон. кампус PNNL.

Как только тестовый реактор будет завершен, коммерческий партнер PNNL LanzaTech поставит этанол для питания процесса. Запатентованный процесс LanzaTech преобразует богатые углеродом отходы и шламы, образующиеся в таких отраслях промышленности, как производство стали, нефтепереработка и химическое производство, а также газы, образующиеся при газификации лесных и сельскохозяйственных отходов и коммунальных отходов, в этанол.

Испытательный реактор будет потреблять этанол, эквивалентный половине сухой тонны биомассы в день. LanzaTech уже внедрила технологию PNNL первого поколения для производства авиатоплива из этанола и создала новую компанию LanzaJet для коммерциализации LanzaJet™ Alcohol-to-Jet. Текущий проект представляет собой следующий шаг в оптимизации этого процесса при одновременном обеспечении дополнительных потоков продуктов из н-бутена.

"PNNL была надежным партнером в разработке технологии преобразования этанола в струйный, которую дочерняя компания LanzaTech, LanzaJet, использует на нескольких разрабатываемых заводах", - сказала Дженнифер Холмгрен, генеральный директор LanzaTech. "Этанол может поступать из различных устойчивых источников и как таковой становится все более важным сырьем для экологически чистого авиационного топлива. Этот проект демонстрирует большие перспективы для альтернативной реакторной технологии, которая могла бы принести пользу этому ключевому пути к декарбонизации авиационного сектора".

Настраиваемый процесс

С момента своих первых экспериментов команда продолжала совершенствовать этот процесс. Когда этанол пропускают через твердый катализатор на основе серебра и циркония, нанесенный на диоксид кремния, он выполняет основные химические реакции, которые превращают этанол 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 исследовательская группа показала, что если катализатор теряет активность, его можно регенерировать с помощью простой процедуры удаления кокса?твердое покрытие на основе углерода, которое может накапливаться с течением времени. Для расширения масштабов будет использоваться еще более эффективная, обновленная рецептура катализатора.

"Мы открыли концепцию этой катализируемой системы, которая является высокоактивной, селективной и стабильной", - сказала Ванесса Дагл. "Регулируя давление и другие переменные, мы также можем настроить систему на получение либо бутадиена, строительного материала для синтетического пластика или резины, либо н-бутена, который подходит для производства реактивного топлива или таких продуктов, как синтетическая смазка. С момента нашего первоначального открытия другие исследовательские институты также начали изучать этот новый процесс".

Помимо Ванессы Дагл и Роберта Дагла, в команду разработчиков catalyst входили исследователи PNNL Остин Винкельман, Николас Джегерс, Джонни Сааведра-Лопес, Цзяньчжи Ху, Марк Энгельхард, Снеха Ахаде, Либор Коварик, Василики-Александра Глезаку, Роджер Руссо и Ен Ван. Старший научный сотрудник Сьюзан Хабас из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии также внесла свой вклад. Ученые из штата PNNL Уорд Тегротенхейс, Ричард Чжэн и Джонни Сааведра-Лопес внесли свой вклад в разработку технологии микроканалов.

Исследование chemical conversation было поддержано Министерством энергетики США (DOE), Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии в рамках консорциума "Химический катализ для биоэнергетики" (ChemCatBio), спонсируемого Управлением биоэнергетических технологий (BETO). ChemCatBio - это консорциум исследований и разработок, возглавляемый национальной лабораторией Министерства энергетики США, занимающийся выявлением и преодолением проблем катализа для преобразования биомассы и отходов в топливо, химикаты и материалы. Масштабируемое партнерство между государственным и частным секторами поддерживается DOE-BETO и Фондом инновационных исследований Университета штата Орегон.