Une relation de collaboration pluridisciplinaire, développé entre les chercheurs du Penn State EMS Energy Institute et une start-up basée à Pittsburgh, peut détenir la réponse à la réduction des émissions mondiales de gaz à effet de serre tout en ouvrant la voie à la perturbation des industries chimiques et des matériaux.

Depuis 2015, Randy Vander Wal, professeur de génie énergétique et minéral et de science et génie des matériaux, et affilié à l'EMS Energy Institute, a collaboré avec H Quest Vanguard sur un nombre croissant de projets qui utilisent la technologie plasma de l'entreprise pour permettre de nouveaux, utilisations non émissives du charbon et du gaz naturel.

« Les capacités uniques du laboratoire de caractérisation des matériaux de Penn State fournissent des informations inestimables sur les propriétés des matériaux produits par plasma de H Quest et sont cruciales pour établir un produit adapté à la commercialisation, " a déclaré George Skoptsov, PDG de H Quest.

La collaboration a abouti à cinq projets de recherche qui visent à réinventer le charbon et le gaz naturel au 21e siècle comme propres, sources rentables de carburants et de matériaux à haute performance.

Réduire les émissions de gaz à effet de serre

Alors que le climat de la Terre a changé au cours de l'histoire, le consensus scientifique actuel est que la tendance actuelle au réchauffement climatique est probablement le résultat de l'activité humaine, à savoir les émissions de gaz à effet de serre dues à la combustion de combustibles fossiles.

Le passage à des carburants plus propres est reconnu comme un élément clé de la réduction de ces émissions. Hydrogène, en particulier, est un vecteur énergétique prometteur car sa combustion ne produit que de l'eau et non du dioxyde de carbone. Mais l'hydrogène est très rare sous sa forme moléculaire pure. il est abondant, cependant, sous forme d'eau - 11 % d'hydrogène en masse - et de méthane, un composant principal du gaz naturel :25 % d'hydrogène en masse. En réalité, selon le département américain de l'énergie, Actuellement, 95 % de l'hydrogène utilisé comme carburant aux États-Unis est extrait du gaz naturel.

Le procédé industriel le plus largement utilisé pour la production d'hydrogène, le reformage vapeur-méthane, chauffe le méthane à partir de gaz naturel en utilisant de la vapeur pour produire du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Malheureusement, ce procédé a une forte empreinte d'émission de gaz à effet de serre et consomme de grandes quantités d'eau.

La décomposition thermique du méthane chauffe le gaz naturel à plus de 2, 000 degrés Fahrenheit, qui craque les molécules d'hydrocarbures, extraire l'hydrogène sous forme de gaz et laisser le carbone solide derrière. L'introduction de catalyseurs dans ce procédé peut réduire la température requise mais introduit le problème de la séparation du carbone solide des surfaces du catalyseur. Globalement, en raison des contraintes liées au chauffage, ce procédé reste coûteux, énergivore, et processus d'émission de gaz à effet de serre.

La technologie plasma à micro-ondes de H Quest catalyse les réactions d'une manière nouvelle et permet une très rapide—1, 000 degrés Fahrenheit par seconde - chauffage du gaz, ce qui n'est pas possible avec les technologies de chauffage conventionnelles telles que les chaudières, fourneaux, échangeurs de chaleur, ou radiateurs inductifs.

Parce que l'électricité renouvelable peut alimenter les micro-ondes, et la décomposition du méthane n'utilise pas d'oxygène, extraire l'hydrogène du gaz naturel à l'aide de la technologie plasma micro-ondes peut être totalement exempt d'émissions de gaz à effet de serre. En outre, la technologie plasma micro-ondes permet modulaire, à petite échelle, déploiement à faible capitalisation d'usines de conversion chimique, rendre l'industrie chimique plus efficace, efficace, flexible et compétitif.

Dans un projet récemment récompensé de la Coalition universitaire pour la recherche fondamentale et appliquée sur l'énergie fossile, parrainé par le DOE, Vander Wal cherche à mieux comprendre comment les conditions de traitement dans le réacteur de H Quest définissent les paramètres du produit carboné.

Les capacités du laboratoire de caractérisation des matériaux, qui dispose d'une grande variété de techniques de caractérisation dans les domaines de la microscopie, spectroscopie, analyse de surface, et des techniques thermophysiques qui aideront à faire la lumière sur les raisons pour lesquelles différents matériaux présentent des propriétés et des comportements différents.

Le projet, intitulé « Optimisation des micro-ondes, Conversion assistée par plasma du méthane en hydrogène et en graphène, " vise à identifier la conception du réacteur et les conditions de procédé pour la production d'hydrogène avec la capacité d'ajuster les caractéristiques du produit carboné et d'évaluer la conversion du méthane, rendements des produits, et la sélectivité.

L'objectif est de développer des relations entre la forme du produit carboné, caractéristiques, et les paramètres de processus. De telles relations permettront la production sélective de formes carbonées spécifiques et la capacité d'adapter leurs propriétés physico-chimiques. Les chercheurs espèrent que cela conduira à des technologies de l'hydrogène de nouvelle génération qui pourraient permettre d'utiliser les ressources énergétiques domestiques échouées, comme les réserves de gaz naturel échouées, tout en diversifiant les charges d'hydrogène.

En cas de succès, cela pourrait également réduire les coûts associés aux produits énergétiques à grande échelle à base d'hydrogène ; créer une demande sur le marché, les technologies, et l'infrastructure pour permettre le déploiement de l'énergie hydrogène ; et utiliser le gaz naturel domestique pour la fabrication de produits énergétiques et de carbone synthétique.

"Le traitement par micro-ondes du gaz naturel représente la décarbonisation d'un combustible fossile tout en ouvrant la voie vers l'économie de l'hydrogène, ", a déclaré Vander Wal.

Cela créerait également une voie vers un environnement plus propre, produits carbonés à moindre coût. Graphène, par exemple, est un matériau plus résistant que l'acier et plus conducteur que le cuivre.

"Graphène, comme additif au béton, peut augmenter la résistance et la durabilité, contribuer à l'amélioration des infrastructures tout en séquestrant à grande échelle la production de carbone/graphène, ", a déclaré Vander Wal.

Les chercheurs du Penn State EMS Energy Institute et H Quest s'associent également dans le cadre d'un programme de transfert de technologie pour les petites entreprises de la National Science Foundation pour tester le matériel de l'entreprise dans ces rôles. Ils étudient également les applications du plasma micro-ondes pour convertir le charbon en produits carbonés grâce à un prix du Laboratoire national de technologie énergétique du DOE.

L'étendue des produits dérivés du plasma est immense, du charbon actif aux plastiques imprimables en 3D en passant par les électrodes de carbone industrielles pour la fonte de l'acier et de l'aluminium, les possibilités sont incommensurables, dit Skoptsov.

"Le charbon a été à la base de la chimie organique industrielle moderne, " Il a ajouté. " Tant de produits synthétiques - de l'aspirine au nylon - ont été fabriqués à partir du charbon, avant de devenir synonyme de production d'électricité à l'ère du pétrole bon marché dans les années 1950. Cette recherche révélera la vraie valeur de nos ressources fossiles en tant que source de matériaux de haute performance, mais le fera d'une manière plus durable et plus rentable que cela n'a jamais été possible."