Een gepatenteerd proces voor het omzetten van alcohol afkomstig van hernieuwbare of industriële afvalgassen in vliegtuig- of dieselbrandstof wordt opgeschaald in het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy met de hulp van partners van de Oregon State University en de koolstofrecycling-experts van LanzaTech.

Twee sleuteltechnologieën drijven de energie-efficiënte brandstofproductie-eenheden aan.

Een chemische omzetting in één stap stroomlijnt wat momenteel een meerstapsproces is. De nieuwe PNNL-gepatenteerde katalysator zet biobrandstof (ethanol) direct om in een veelzijdige "platform"-chemische stof genaamd n-buteen. Een microkanaalreactorontwerp verlaagt de kosten verder en levert een schaalbaar modulair verwerkingssysteem op.

Het nieuwe proces zou een efficiëntere route bieden voor het omzetten van hernieuwbare en van afval afgeleide ethanol in bruikbare chemicaliën. Momenteel, n-buteen wordt geproduceerd uit fossiele grondstoffen met behulp van het energie-intensieve kraken - of afbreken - van grote moleculen. De nieuwe technologie vermindert de uitstoot van kooldioxide door gebruik te maken van hernieuwbare of gerecyclede koolstofgrondstoffen. Met duurzaam gewonnen n-buteen als uitgangspunt, bestaande processen kunnen de chemische stof verder verfijnen voor meerdere commerciële toepassingen, inclusief diesel en vliegtuigbrandstoffen, en industriële smeermiddelen.

"Biomassa is een uitdagende bron van hernieuwbare energie vanwege de hoge kosten. Bovendien, de schaal van biomassa drijft de behoefte aan kleinere, gedistribueerde verwerkingsfabrieken, " zei Vanessa Dagle, co-hoofdonderzoeker van de initiële onderzoeksstudie, die in het tijdschrift werd gepubliceerd ACS Katalyse . "We hebben de complexiteit van het proces verminderd en de efficiëntie verbeterd, terwijl tegelijkertijd de kapitaalkosten worden verlaagd. Eenmaal modulair, geschaalde verwerking is aangetoond, deze aanpak biedt een realistische optie voor gelokaliseerde, gedistribueerde energieproductie."

Micro-naar-macro vliegtuigbrandstof

In een sprong naar commercialisering, PNNL werkt samen met langdurige medewerkers van de Oregon State University om het gepatenteerde chemische conversieproces te integreren in microkanaalreactoren die zijn gebouwd met behulp van nieuw ontwikkelde 3D-printtechnologie. Ook wel additieve fabricage genoemd, Met 3D-printen kan het onderzoeksteam een ​​geplooide honingraat van minireactoren creëren die de effectieve oppervlakte-tot-volumeverhouding die beschikbaar is voor de reactie aanzienlijk vergroten.

"De mogelijkheid om nieuwe additieve productietechnologieën voor meerdere materialen te gebruiken om de productie van microkanalen te combineren met katalysatordragers met een groot oppervlak in één processtap, heeft het potentieel om de kosten van deze reactoren aanzienlijk te verlagen, " zegt OSU hoofdonderzoeker Brian Paul. "We zijn verheugd om partners te zijn met PNNL en LanzaTech in dit streven."

"Als gevolg van recente ontwikkelingen in productiemethoden voor microkanalen en de bijbehorende kostenverlagingen, wij geloven dat de tijd rijp is om deze technologie aan te passen aan nieuwe commerciële bioconversietoepassingen, " zei Robert Dagle, co-hoofdonderzoeker van het onderzoek.

De microkanaaltechnologie zou het mogelijk maken om bioreactoren op commerciële schaal te bouwen in de buurt van landbouwcentra waar de meeste biomassa wordt geproduceerd. Een van de grootste belemmeringen voor het gebruik van biomassa als brandstof is de noodzaak om deze over lange afstanden naar grote, gecentraliseerde productie-installaties.

"Het modulaire ontwerp vermindert de hoeveelheid tijd en risico die nodig is om een ​​reactor in te zetten, " zei Robert Dagle. "Modules kunnen in de loop van de tijd worden toegevoegd als de vraag groeit. We noemen dit opschalen door te nummeren."

De een vierde testreactor op commerciële schaal zal worden geproduceerd door 3D-printen met behulp van methoden die zijn ontwikkeld in samenwerking met OSU en zal worden geëxploiteerd op de Richland, Wascampus van PNNL.

Zodra de testreactor is voltooid, PNNL commerciële partner LanzaTech zal ethanol leveren om het proces te voeden. Het gepatenteerde proces van LanzaTech zet koolstofrijk afval en residuen om die door industrieën worden geproduceerd, zoals staalproductie, olieraffinage en chemische productie, evenals gassen die worden gegenereerd door de vergassing van bos- en landbouwresiduen en gemeentelijk afval tot ethanol.

De testreactor zal ethanol verbruiken dat overeenkomt met maximaal een halve droge ton biomassa per dag. LanzaTech heeft de eerste generatie PNNL-technologie voor de productie van vliegtuigbrandstof uit ethanol al opgeschaald en een nieuw bedrijf opgericht, LanzaJet, om LanzaJet Alcohol-to-Jet te commercialiseren. Het huidige project vertegenwoordigt de volgende stap in het stroomlijnen van dat proces en het leveren van extra productstromen uit n-buteen.

"PNNL is een sterke partner geweest in de ontwikkeling van ethanol-to-jet-technologie die het spin-offbedrijf van LanzaTech, LanzaJet, is werkzaam in meerdere fabrieken in ontwikkeling, " zei Jennifer Holmgren, CEO van LanzaTech. "Ethanol kan uit verschillende duurzame bronnen komen en is als zodanig een steeds belangrijkere grondstof voor duurzame vliegtuigbrandstof. Dit project belooft veel goeds voor alternatieve reactortechnologie die voordelen zou kunnen hebben voor deze belangrijke weg naar decarbonisatie van de luchtvaartsector."

Een afstembaar proces

Sinds hun vroege experimenten, het team is het proces blijven perfectioneren. Wanneer ethanol wordt geleid over een vaste katalysator op basis van zilver-zirkoniumoxide gedragen op een silica, het voert de essentiële chemische reacties uit die ethanol omzetten in n-buteen of, met enkele wijzigingen in de reactieomstandigheden, butadieen.

Maar nog belangrijker, na langdurige studies, de katalysator blijft stabiel. In een vervolgonderzoek gepubliceerd in ChemCatChem , het onderzoeksteam toonde aan dat als de katalysator zijn activiteit verliest, het kan worden geregenereerd door een eenvoudige procedure om cokes te verwijderen - een harde op koolstof gebaseerde coating die zich in de loop van de tijd kan opbouwen. Een nog efficiëntere, bijgewerkte katalysatorformulering zal worden gebruikt voor opschaling.

"We ontdekten het concept voor dit gekatalyseerde systeem dat zeer actief is, selectief, en stabiel, " zei Vanessa Dagle. "Door de druk en andere variabelen aan te passen, we kunnen het systeem ook afstemmen om ofwel butadieen te genereren, een bouwsteen voor synthetisch plastic of rubber of een n-buteen, die geschikt is voor het maken van vliegtuigbrandstoffen of producten zoals synthetisch smeermiddel. Sinds onze eerste ontdekking, andere onderzoeksinstellingen zijn ook begonnen met het verkennen van dit nieuwe proces."