p Robert Dagle segura um frasco de combustível criado a partir da conversão de biomassa. Crédito:Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico
p Um processo patenteado para converter álcool proveniente de gases residuais renováveis ou industriais em combustível para jato ou diesel está sendo ampliado no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA com a ajuda de parceiros da Universidade Estadual de Oregon e especialistas em reciclagem de carbono da LanzaTech. p Duas tecnologias principais impulsionam as unidades de produção de combustível com eficiência energética.
p Uma conversão química de uma única etapa simplifica o que atualmente é um processo de várias etapas. O novo catalisador patenteado pelo PNNL converte o biocombustível (etanol) diretamente em um produto químico "plataforma" versátil chamado n-buteno. Um projeto de reator microcanal reduz ainda mais os custos, ao mesmo tempo que oferece um sistema de processamento modular escalonável.
p O novo processo forneceria uma rota mais eficiente para a conversão de etanol renovável e derivado de resíduos em produtos químicos úteis. Atualmente, O n-buteno é produzido a partir de matérias-primas fósseis usando o craqueamento - ou quebra - de grandes moléculas com uso intensivo de energia. A nova tecnologia reduz as emissões de dióxido de carbono usando matérias-primas de carbono renováveis ou recicladas. Usando n-buteno derivado de forma sustentável como ponto de partida, os processos existentes podem refinar ainda mais o produto químico para vários usos comerciais, incluindo diesel e combustíveis para aviação, e lubrificantes industriais.
p “A biomassa é uma fonte desafiadora de energia renovável devido ao seu alto custo. a escala da biomassa impulsiona a necessidade de menor, plantas de processamento distribuídas, "disse Vanessa Dagle, co-investigador principal do estudo de pesquisa inicial, que foi publicado no jornal
Catálise ACS . “Reduzimos a complexidade e melhoramos a eficiência do processo, ao mesmo tempo em que reduz os custos de capital. Uma vez modular, o processamento escalonado foi demonstrado, esta abordagem oferece uma opção realista para localização, produção de energia distribuída. "
p
Combustível de jato micro a macro
p Em um salto em direção à comercialização, A PNNL está fazendo parceria com colaboradores de longa data da Oregon State University para integrar o processo de conversão química patenteado em reatores de microcanais construídos com a tecnologia de impressão 3D recém-desenvolvida. Também chamada de manufatura aditiva, A impressão 3D permite que a equipe de pesquisa crie um favo de mel pregueado de minirreatores que aumentam muito a relação área de superfície efetiva para volume disponível para a reação.
p Os minirreatores de microcanais aumentam muito a eficiência da conversão química do biocombustível. Crédito:Oregon State University
p "A capacidade de usar novas tecnologias de manufatura aditiva multimaterial para combinar a manufatura de microcanais com suportes de catalisador de alta área de superfície em uma etapa do processo, tem o potencial de reduzir significativamente os custos desses reatores, "diz o pesquisador-chefe da OSU, Brian Paul." Estamos entusiasmados por sermos parceiros da PNNL e da LanzaTech neste empreendimento. "
p "Devido aos avanços recentes nos métodos de fabricação de microcanais e reduções de custos associadas, acreditamos que é o momento certo para adaptar esta tecnologia para novos aplicativos comerciais de bioconversão, "disse Robert Dagle, co-investigador principal da pesquisa.
p A tecnologia de microcanais permitiria que biorreatores em escala comercial fossem construídos perto de centros agrícolas onde a maior parte da biomassa é produzida. Um dos maiores impedimentos ao uso de biomassa como combustível é a necessidade de transportá-la por longas distâncias para grandes, unidades de produção centralizadas.
p "O design modular reduz a quantidade de tempo e risco necessários para implantar um reator, "disse Robert Dagle." Módulos podem ser adicionados com o tempo, conforme a demanda cresce. Chamamos isso de escala por numeração. "
p O quarto do reator de teste em escala comercial será produzido por impressão 3D usando métodos desenvolvidos em parceria com a OSU e será operado em Richland, Washington, campus do PNNL.
p Assim que o reator de teste for concluído, O parceiro comercial da PNNL, LanzaTech, fornecerá etanol para alimentar o processo. O processo patenteado da LanzaTech converte resíduos ricos em carbono e resíduos produzidos por indústrias, como a fabricação de aço, refino de petróleo e produção química, bem como gases gerados pela gaseificação de resíduos florestais e agrícolas e resíduos urbanos em etanol.
p O reator de teste consumirá etanol equivalente a até meia tonelada de biomassa seca por dia. A LanzaTech já ampliou a primeira geração da tecnologia PNNL para a produção de combustível de aviação a partir do etanol e formou uma nova empresa, LanzaJet, para comercializar LanzaJet Alcohol-to-Jet. O projeto atual representa a próxima etapa na agilização desse processo, enquanto fornece fluxos de produtos adicionais de n-buteno.
p "PNNL tem sido um forte parceiro no desenvolvimento de tecnologia de etanol para jato que a empresa spin-off da LanzaTech, LanzaJet, está empregando em várias fábricas em desenvolvimento, "disse Jennifer Holmgren, CEO da LanzaTech. "O etanol pode vir de uma variedade de fontes sustentáveis e, como tal, é uma matéria-prima cada vez mais importante para o combustível de aviação sustentável. Este projeto mostra uma grande promessa para a tecnologia de reator alternativo que pode trazer benefícios para este caminho chave para a descarbonização do setor de aviação."
Veja como um catalisador patenteado PNNL, combinado com um reator de microcanal exclusivo, pode converter o etanol em um produto químico útil com vários usos comerciais, incluindo combustível de aviação. Crédito:Eric Francavilla; Animação de Mike Perkins | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico p
Um processo ajustável
p Desde seus primeiros experimentos, a equipe continuou aperfeiçoando o processo. Quando o etanol é passado sobre um catalisador sólido à base de prata-zircônia suportado em uma sílica, ele realiza as reações químicas essenciais que convertem o etanol em n-buteno ou, com algumas modificações nas condições de reação, butadieno.
p Mas ainda mais importante, após estudos de duração prolongada, o catalisador permanece estável. Em um estudo de acompanhamento publicado em
ChemCatChem , a equipe de pesquisa mostrou que se o catalisador perder atividade, pode ser regenerado por um procedimento simples para remover o coque - um revestimento à base de carbono duro que pode se acumular com o tempo. Ainda mais eficiente, a formulação atualizada do catalisador será usada para aumento de escala.
p “Descobrimos o conceito deste sistema catalisado que é altamente ativo, seletivo, e estável, "disse Vanessa Dagle." Ajustando a pressão e outras variáveis, também podemos ajustar o sistema para gerar butadieno, um bloco de construção para plástico sintético ou borracha ou um n-buteno, que é adequado para fazer combustíveis de aviação ou produtos como lubrificantes sintéticos. Desde nossa descoberta inicial, outras instituições de pesquisa também começaram a explorar este novo processo. "