En el Pacific Northwest National Laboratory del Departamento de Energía de EE.UU. se está ampliando un proceso patentado para convertir alcohol procedente de gases residuales renovables o industriales en combustible para aviones o diésel, con la ayuda de socios de la Oregon State University y los expertos en reciclaje de CO2 que forman parte de LanzaTech.
Dos tecnologías clave impulsan las unidades de producción de combustible de bajo consumo.
Se trata de una conversión química de un solo paso que agiliza lo que actualmente es un proceso de varios pasos. El nuevo catalizador patentado por el PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) convierte el biocombustible (etanol) directamente en una versátil “plataforma” química llamada n-buteno. Además, el diseño del reactor de microcanales reduce los costes al tiempo que proporciona un sistema de procesamiento modular escalable.
El nuevo proceso proporcionaría una ruta más eficiente para convertir el etanol renovable y derivado de residuos en productos químicos útiles. En la actualidad, el n-buteno se produce a partir de materias primas de origen fósil mediante el craqueo -o descomposición- de grandes moléculas, que requiere mucha energía.
La nueva tecnología reduce las emisiones de dióxido de carbono al utilizar materias primas renovables o recicladas. Utilizando el n-buteno derivado de forma sostenible como punto de partida, los procesos existentes pueden refinar aún más el producto químico para múltiples usos comerciales, incluyendo el gasóleo y los combustibles para aviones, y los lubricantes industriales.
“La biomasa es una fuente de energía renovable complicada por su elevado coste. Además, la escala de la biomasa impulsa la necesidad de contar con plantas de procesamiento más pequeñas y distribuidas”, dijo Vanessa Dagle, coinvestigadora del estudio inicial que se publicó en la revista ACS Catalysis.
“Hemos reducido la complejidad y mejorado la eficiencia del proceso, reduciendo al mismo tiempo los costes de capital. Una vez demostrado el procesamiento modular a escala, este enfoque ofrece una opción realista para la producción de energía localizada y distribuida.”
Combustible para aviones de micro a macro escala
En un salto hacia la comercialización, el PNNL se está asociando con colaboradores de larga data de la Oregon State University para integrar el proceso patentado de conversión química en reactores de microcanales construidos mediante una tecnología de impresión 3D recientemente desarrollada. También llamada fabricación aditiva, la impresión 3D permite al equipo de investigación crear un conjunto de mini-reactores plegados que aumentan en gran medida la relación superficie-volumen efectiva disponible para la reacción.
Figura 1. Los minirreactores con microcanales aumentan en gran medida la eficiencia de la conversión química de los biocombustibles. Crédito: Oregon State University.
“La capacidad de utilizar las nuevas tecnologías de fabricación aditiva multimaterial para combinar la fabricación de microcanales con soportes de catalizadores de alta superficie en un solo paso del proceso, tiene el potencial de reducir significativamente los costes de estos reactores“, dice el investigador principal de la OSU, Brian Paul. “Estamos muy contentos de ser socios de PNNL y LanzaTech en este esfuerzo”.
“Debido a los recientes avances en los métodos de fabricación de microcanales y a la reducción de costes asociada, creemos que ha llegado el momento de adaptar esta tecnología a nuevas aplicaciones comerciales de bioconversión”, dijo Robert Dagle, coinvestigador principal de la investigación.
La tecnología de microcanales permitiría construir biorreactores a escala comercial cerca de los centros agrícolas donde se produce la mayor parte de la biomasa. Uno de los mayores impedimentos para utilizar la biomasa como combustible es la necesidad de transportarla largas distancias hasta las grandes plantas de producción centralizadas.
“El diseño modular reduce el tiempo y el riesgo necesarios para desplegar un reactor”, afirma Robert Dagle. “Los módulos podrían añadirse con el tiempo a medida que crezca la demanda. A esto lo llamamos ampliación por numeración”.
El reactor de prueba a escala comercial se fabricará mediante impresión 3D utilizando métodos desarrollados en colaboración con la OSU y funcionará en el campus de Richland (Washington) del PNNL.
Una vez completado el reactor de prueba, el socio comercial del PNNL, LanzaTech, suministrará etanol para alimentar el proceso. El proceso patentado de LanzaTech convierte en etanol los desechos y residuos ricos en carbono producidos por industrias como la fabricación de acero, el refinado de petróleo y la producción química, así como los gases generados por la gasificación de residuos forestales y agrícolas y los residuos municipales.
El reactor de prueba consumirá el etanol equivalente a media tonelada seca de biomasa al día. LanzaTech ya ha mejorado la primera generación de la tecnología del PNNL para la producción de combustible de aviación a partir de etanol y ha creado una nueva empresa, LanzaJet, para comercializar LanzaJet Alcohol-to-Jet. El proyecto actual representa el siguiente paso en la racionalización de ese proceso al tiempo que proporciona flujos de productos adicionales a partir del n-buteno.
“PNNL ha sido un socio fuerte en el desarrollo de la tecnología de etanol a chorro que la empresa derivada de LanzaTech, LanzaJet, está empleando en múltiples plantas en desarrollo”, dijo Jennifer Holmgren, CEO de LanzaTech.
“El etanol puede proceder de diversas fuentes sostenibles y, como tal, es una materia prima cada vez más importante para el combustible de aviación sostenible. Este proyecto es muy prometedor para la tecnología de reactores alternativos que podría tener beneficios para esta vía clave de descarbonización del sector de la aviación.”
Video. Observe cómo un catalizador patentado por el PNNL, combinado con un reactor de microcanales único, puede convertir el etanol en un producto químico útil para múltiples usos comerciales, incluido por ejemplo como combustible para aviones. Crédito: Eric Francavilla; Animación de Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory
Un proceso ajustable
Desde sus primeros experimentos, el equipo ha seguido perfeccionando el proceso. Al pasar el etanol por un catalizador sólido a base de plata y circonio soportado en sílice, se producen las reacciones químicas esenciales que convierten el etanol en n-buteno o, con algunas modificaciones en las condiciones de reacción, en butadieno.
Pero lo más importante es que, tras estudios de larga duración, el catalizador se mantiene estable. En un estudio de seguimiento publicado en ChemCatChem, el equipo de investigación demostró que, si el catalizador pierde actividad, puede regenerarse mediante un sencillo procedimiento para eliminar el coque, una dura capa de carbono que puede acumularse con el tiempo. Para el escalado se utilizará una formulación del catalizador aún más eficiente y actualizada.
“Descubrimos el concepto de este sistema catalizado que es altamente activo, selectivo y estable”, dijo Vanessa Dagle. “Ajustando la presión y otras variables, también podemos afinar el sistema para generar butadieno, un componente básico para el plástico o el caucho sintéticos, o un n-buteno, que es adecuado para fabricar combustibles para aviones o productos como el lubricante sintético. Desde nuestro descubrimiento inicial, otras instituciones de investigación también han empezado a explorar este nuevo proceso”.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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