Kimyada Bir Dönüm Noktası: Daha Hızlı ve Daha Ucuz Etanolden Jet Yakıtına
Yeni katalizör ve mikro kanallı reaktörler verimliliği artırırken maliyeti düşürmektedir.
Yenilenebilir veya endüstriyel atık gazlardan elde edilen alkolün jet yakıtına veya dizel yakıta dönüştürülmesine ilişkin patentli bir süreç, Oregon Eyalet Üniversitesi’ndeki ortakların ve LanzaTech’te karbonun geri dönüşümü üzerine çalışan uzmanların yardımıyla ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Pacific Northwest National Laboratory’de yaygınlaştırılmaktadır.
Enerji açısından verimli yakıt üretimi birimlerine iki temel teknoloji güç sağlar.
Tek adımlı bir kimyasal dönüşüm, mevcut durumda çok adımlı bir süreci kolaylaştırır. Yeni PNNL patentli katalizör, biyoyakıtı (etanol) doğrudan n-büten adı verilen çok yönlü bir “platform” kimyasalına dönüştürür. Mikro kanallı reaktör tasarımı, ölçeklenebilir bir modüler işleme sistemi sunarken maliyetleri daha da düşürür.
Benzersiz bir mikro kanallı reaktör ile birleştirilen PNNL patentli bir katalizörün, etanolü jet yakıtı da dahil olmak üzere birden fazla ticari kullanıma sahip yararlı bir kimyasala nasıl dönüştürebildiğini videoda görebilirsiniz. Kredi: Eric Francavilla’nın videosu; Mike Perkins’ten Animasyon | Pacific Northwest National Laboratory
Yeni süreç, yenilenebilir ve atık türevli etanolün faydalı kimyasallara dönüştürülmesi için daha verimli bir yol sağlayacaktır. n-büten, mevcut durumda büyük moleküllerin yoğun enerji ile parçalanması sonucunda fosil bazlı hammaddelerden üretilmektedir. Yeni teknoloji, yenilenebilir veya geri dönüştürülmüş karbon bazlı hammaddeleri kullanarak karbondioksit emisyonlarını azaltır. Başlangıç noktası olarak sürdürülebilir şekilde üretilmiş n-bütenin kullanıldığı mevcut süreçler dizel, jet yakıtları ve endüstriyel yağlayıcılar da dahil olmak üzere birden fazla ticari kullanım için kimyasalın daha da iyileştirilmesini sağlayabilir.
AVS Catalysis dergisinde yayımlanan ilk araştırma çalışmasında yer alan Vanessa Dagle, “Biyokütle, yüksek maliyeti nedeniyle zorlu bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Ayrıca, biyokütle ölçeği daha küçük ve dağılmış proses tesislerine olan ihtiyacı artırmaktadır” dedi. “Sürecin karmaşıklığını azalttık ve verimi daha iyi bir hale getirdik, aynı zamanda maliyetleri de düşürdük. Modüler, ölçeklendirilmiş proses bir kez gösterildiğinde, bu yaklaşım yerelleştirilmiş, dağılmış enerji üretimi için gerçekçi bir seçenek sunmaktadır.”
Mikrodan Makroya Jet Yakıtı
PNNL, ticarileştirmeye yönelik bir atılımda, kimyasalın patentli dönüştürülme sürecinin yeni geliştirilmiş 3D baskı teknolojisi kullanılarak inşa edildiği mikrokanallı reaktörlere entegre edilebilmesi için Oregon Eyalet Üniversitesi’ndeki çalışanlarla uzun süredir ortaklık kurmaktadır. Malzeme ilavesi ile üretim olarak da adlandırılan 3D baskı, araştırma ekibinin reaksiyon için mevcut olan ve etkin yüzey alanı/hacim oranını büyük ölçüde artıran katlanır bir mini reaktör oyuğu oluşturmasına olanak tanır.
OSU’nun baş araştırmacısı Brian Paul, “Mikro kanalların üretimini yüksek yüzey alanına sahip katalizörlerle destekleyerek tüm sürecin tek bir adımda birleştirilmesine ilişkin yeni çok malzemeli eklemeli üretim teknolojilerinin kullanılma yeteneği, bu reaktörlerin maliyetlerini önemli ölçüde azaltma potansiyeline sahiptir” dedi. “Bu çabada PNNL ve LanzaTech ile ortak olmaktan heyecan duyuyoruz.”
Fotoğraf: Robert Dagle, biyokütle dönüşümünden elde edilen yakıt dolu bir şişeyi tutmaktadır. Kredi: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Çalışmadaki yardımcı araştırmacılardan Robert Dagle, “Mikro kanal üretimine ilişkin yöntemlerdeki son gelişmeler ve buna bağlı olarak maliyetlerde meydana gelen düşüşler nedeniyle, bu teknolojinin ticari olarak biyo-dönüşüm üzerindeki yeni uygulamalara uyarlanmasının zamanının geldiğine inanıyoruz” dedi.
Mikrokanal teknolojisi, ticari ölçekli biyoreaktörlerin biyokütlenin üretildiği tarım merkezlerinin birçoğunun yakınında inşa edilmesine izin verecektir. Biyokütleyi yakıt olarak kullanmanın önündeki en büyük engellerden biri, biyokütlenin büyük merkezi üretim tesislerine uzun mesafeler boyunca taşınması ihtiyacıdır.
Robert Dagle, “Modüler tasarım, bir reaktörün yerleştirilmesi için gereken süreyi ve riski azaltır” dedi. “Talep arttıkça modüller zamanla ilave edilebilir. Bu ölçeği numaralandırarak adlandırıyoruz. ”
Dörtte bir ticari ölçekli test reaktörü, OSU ile ortaklaşa geliştirilen yöntemler kullanılarak 3D baskı ile üretilecek ve PNNL’nin Richland, Washington yerleşkesinde işletilecek.
Fotoğraf: Mikrokanallı mini reaktörler, biyoyakıtın kimyasal dönüşümünün verimliliğini büyük ölçüde artırır. Kredi: Oregon Eyalet Üniversitesi
PNNL’nin ticari ortağı LanzaTech, test reaktörünün tamamlanmasının ardından sürecin başlatılabilmesi için etanol tedarik edecek. LanzaTech’in patentli süreci çelik üretimi, petrol arıtımı ve kimyasal üretimi gibi endüstriler tarafından neden olunan karbon açısından zengin atıkların ve kalıntıların gazlaştırılmasıyla üretilen gazları etanole dönüştürmektedir.
Test reaktörü günde yarım ton biyokütleye eşdeğer etanol tüketecektir. LanzaTech, etanolden jet yakıtı üretimi için ilk nesil PNNL teknolojisini şimdiden büyütmüştür ve LanzaJet™ Alkolden Jete adını verdikleri sistemin ticari bir hale getirilebilmesi için LanzaJet’i kurmuştur. Mevcut proje, n-bütenden ek ürün akışları sağlarken, bu sürecin bir düzene oturtulmasının bir sonraki adımını temsil etmektedir.
LanzaTech CEO’su Jennifer Holmgren, “PNNL, LanzaTech tarafından kurulan LanzaJet’in birden fazla tesiste kullanıldığı ve etanolün jete dönüştürüldüğü teknolojinin geliştirilmesinde güçlü bir ortak olmuştur” dedi. “Etanol, çeşitli sürdürülebilir kaynaklardan elde edilebilir ve bu nedenle sürdürülebilir havacılık yakıtı için giderek daha da önemli hale gelen bir hammaddedir. Bu proje, havacılık sektörünün karbondan arındırılmasına yönelik yolda önemli bir fayda sağlayabilecek alternatif reaktör teknolojisi için büyük umut vaat etmektedir.”
Ayarlanabilir Bir Süreç
Ekip, ilk deneylerinden bu yana süreci daha da mükemmel bir hale getirmiştir. Etanol, silika üzerinde desteklenmiş bir gümüş zirkonyum dioksit bazlı katalizörden geçirildiğinde n-bütene veya reaksiyon koşullarında meydana gelen bazı değişikliklerle bütadiyene dönüşür. Bu süreç de temel kimyasal reaksiyonları gerçekleştirir.
Ancak daha da önemlisi, uzun süreli çalışmalardan sonra katalizör kararlılığını korur. Araştırma ekibi tarafından gerçekleştirilen bir izleme çalışmasında, katalizörün aktivitesini kaybettiği durumlarda zamanla birikebilen ve sert karbon bazlı bir kaplama olan kok kömürünün giderilebilmesi için bu katalizörün basit bir prosedürle yeniden üretilebileceği gösterilmiştir. Ölçeğin büyütülebilmesi için daha verimli ve daha güncel bir katalizör formülasyonu kullanılacaktır.
Vanessa Dagle, “Son derece aktif, seçici ve kararlı olan katalize edilmiş bu sistemi keşfettik” dedi. “Plastikler veya kauçuklar için bir yapı taşı olan bütadienin, jet yakıtlarının veya sentetik yağ gibi ürünlerin elde edilmesinde uygun olan n-bütenin üretilebileceği şekilde basıncı ve diğer değişkenleri ayarlayarak sistemi daha da iyi bir hale getirebiliriz. İlk keşfimizden bu yana diğer araştırma kurumları da bu yeni süreci keşfetmeye başladı.”
Vanessa Dagle ve Robert Dagle dışında katalizörlerin geliştirilmesi üzerine çalışan PNNL araştırmacılarından Austin Winkelman, Nicholas Jaegers, Johnny Saavedra-Lopez, Jianzhi Hu, Mark Engelhard, Sneha Akhade, Libor Kovarik, Vassilliki-Alexandra Glezakou, Roger Rousseau ve Yong Wang da bu süreçte yer almıştır. Ayıca, National Renewable Energy Laboratory’deki kıdemli bilim insanlarından Susan Habas da bu çalışmaya katkıda bulunmuştur. PNNL’deki diğer bilim insanlarından Ward TeGrotenhuis, Richard Zheng ve Johnny Saavedra-Lopez ise mikrokanal teknolojisinin geliştirilmesi için çalışmıştır.
Kimyasal iletişim araştırması, Biyoenerji için Kimyasal Kataliz (ChemCatBio) Konsorsiyumu’nun desteklendiği Biyoenerji Teknoloji Ofisi (BETO) ile ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi tarafından desteklenmiştir. ChemCatBio, biyokütlenin ve atık kaynaklarının yakıtlara, kimyasallara ve malzemelere dönüştürülmesine yönelik katalizle ilgili zorlukların belirlenmesine ve bu zorlukların üstesinden gelinmesine kendini adamış bir DOE ulusal laboratuvarı liderliğindeki araştırma ve geliştirme konsorsiyumudur. Kamu-özel ortaklığı DOE-BETO ve Oregon Eyaleti Üniversitesi, İnovasyon Araştırma Fonu tarafından desteklenmektedir.
Kaynak: scitechdaily.com
