Un procédé breveté de conversion de l'alcool provenant de gaz résiduaires renouvelables ou industriels en carburant aviation ou diesel est en cours de développement au laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest du département de l'Énergie des États-Unis avec l'aide de partenaires de l'Oregon State University et des experts en recyclage du carbone de LanzaTech.

Deux technologies clés alimentent les unités de production de carburant économes en énergie.

Une conversion chimique en une seule étape rationalise ce qui est actuellement un processus en plusieurs étapes. Le nouveau catalyseur breveté par le PNNL convertit le biocarburant (éthanol) directement en un produit chimique « plate-forme » polyvalent appelé n-butène. Une conception de réacteur à microcanaux réduit encore les coûts tout en offrant un système de traitement modulaire évolutif.

Le nouveau procédé fournirait une voie plus efficace pour convertir l'éthanol renouvelable et dérivé des déchets en produits chimiques utiles. Actuellement, Le n-butène est produit à partir de matières premières d'origine fossile en utilisant le craquage - ou la décomposition - à forte intensité énergétique de grosses molécules. La nouvelle technologie réduit les émissions de dioxyde de carbone en utilisant des matières premières de carbone renouvelables ou recyclées. En utilisant du n-butène dérivé de manière durable comme point de départ, les processus existants peuvent affiner davantage le produit chimique pour de multiples utilisations commerciales, y compris le diesel et les carburéacteurs, et lubrifiants industriels.

« La biomasse est une source difficile d'énergie renouvelable en raison de son coût élevé. l'échelle de la biomasse entraîne le besoin de plus petits, usines de transformation distribuées, " a déclaré Vanessa Dagle, co-investigateur principal de l'étude de recherche initiale, qui a été publié dans la revue Catalyse ACS . "Nous avons réduit la complexité et amélioré l'efficacité du processus, tout en réduisant les coûts d'investissement. Une fois modulaire, le traitement à grande échelle a été démontré, cette approche offre une option réaliste pour production d'énergie distribuée.

Carburéacteur micro à macro

Dans un bond vers la commercialisation, Le PNNL s'associe à des collaborateurs de longue date de l'Oregon State University pour intégrer le processus de conversion chimique breveté dans des réacteurs à microcanaux construits à l'aide de la nouvelle technologie d'impression 3D. Aussi appelée fabrication additive, L'impression 3D permet à l'équipe de recherche de créer un nid d'abeilles plissé de mini-réacteurs qui augmente considérablement le rapport surface/volume efficace disponible pour la réaction.

« La capacité d'utiliser de nouvelles technologies de fabrication additive multi-matériaux pour combiner la fabrication de microcanaux avec des supports de catalyseurs de grande surface en une seule étape de processus, a le potentiel de réduire considérablement les coûts de ces réacteurs, ", déclare Brian Paul, chercheur principal de l'OSU. "Nous sommes ravis d'être partenaires du PNNL et de LanzaTech dans cette entreprise."

« En raison des progrès récents des méthodes de fabrication de microcanaux et des réductions de coûts associées, nous pensons que le moment est venu d'adapter cette technologie vers de nouvelles applications commerciales de bioconversion, " dit Robert Dagle, co-investigateur principal de la recherche.

La technologie des microcanaux permettrait de construire des bioréacteurs à l'échelle commerciale à proximité des centres agricoles où la plupart de la biomasse est produite. L'un des principaux obstacles à l'utilisation de la biomasse comme combustible est la nécessité de la transporter sur de longues distances à grande, usines de production centralisées.

« La conception modulaire réduit le temps et les risques nécessaires au déploiement d'un réacteur, " a déclaré Robert Dagle. " Des modules pourraient être ajoutés au fil du temps à mesure que la demande augmente. Nous appelons cette échelle par numérotation."

Le quart du réacteur d'essai à l'échelle commerciale sera produit par impression 3D à l'aide de méthodes développées en partenariat avec OSU et sera exploité sur le Richland, Wash. campus du PNNL.

Une fois le réacteur d'essai terminé, Le partenaire commercial du PNNL, LanzaTech, fournira de l'éthanol pour alimenter le processus. Le procédé breveté de LanzaTech convertit les déchets et résidus riches en carbone produits par les industries, comme la fabrication de l'acier, le raffinage du pétrole et la production chimique, ainsi que les gaz générés par la gazéification des résidus forestiers et agricoles et des déchets municipaux en éthanol.

Le réacteur d'essai consommera de l'éthanol équivalant à jusqu'à une demi-tonne de biomasse sèche par jour. LanzaTech a déjà mis à l'échelle la première génération de la technologie PNNL pour la production de carburéacteur à partir d'éthanol et a formé une nouvelle société, LanzaJet, pour commercialiser LanzaJet Alcohol-to-Jet. Le projet actuel représente la prochaine étape dans la rationalisation de ce processus tout en fournissant des flux de produits supplémentaires à partir de n-butène.

« PNNL a été un partenaire solide dans le développement de la technologie de transformation de l'éthanol en jet que l'entreprise dérivée de LanzaTech, LanzaJet, emploie dans plusieurs usines en développement, " a déclaré Jennifer Holmgren, PDG de LanzaTech. « L'éthanol peut provenir de diverses sources durables et, en tant que tel, est une matière première de plus en plus importante pour le carburant d'aviation durable. Ce projet est très prometteur pour une technologie de réacteur alternative qui pourrait avoir des avantages pour cette voie clé vers la décarbonisation du secteur de l'aviation.

Un processus ajustable

Depuis leurs premières expériences, l'équipe a continué à perfectionner le processus. Lorsque l'éthanol est passé sur un catalyseur solide à base d'argent-zircone supporté sur une silice, il effectue les réactions chimiques essentielles qui convertissent l'éthanol en n-butène ou, avec quelques modifications des conditions de réaction, butadiène.

Mais plus important encore, après des études de longue durée, le catalyseur reste stable. Dans une étude de suivi publiée dans ChemCatChem , l'équipe de recherche a montré que si le catalyseur perd de son activité, il peut être régénéré par une procédure simple pour éliminer le coke, un revêtement dur à base de carbone qui peut s'accumuler avec le temps. Encore plus efficace, la formulation mise à jour du catalyseur sera utilisée pour la mise à l'échelle.

« Nous avons découvert le concept de ce système catalysé très actif, sélectif, et stable, " a déclaré Vanessa Dagle. " En ajustant la pression et d'autres variables, nous pouvons également régler le système pour générer soit du butadiène, un bloc de construction pour plastique ou caoutchouc synthétique ou un n-butène, qui convient à la fabrication de carburéacteurs ou de produits tels que les lubrifiants synthétiques. Depuis notre première découverte, d'autres instituts de recherche ont également commencé à explorer ce nouveau processus."