Нова стъпка към производството на авиационно гориво от биомаса

Изследователи от Масачузетския технологичен институт превръщат растителния материал лигнин във въглеводородни молекули, които биха могли да помогнат за превръщането на самолетното гориво в 100 % устойчиво. В статия, публикувана в списанието на MIT Energy Initiative се разказва за научното постижение. Ето подробностите:

През 2021 г. почти една четвърт от световните емисии на въглероден диоксид идват от транспортния сектор, като авиацията има значителен принос. Въпреки че нарастващото използване на електрически превозни средства помага за изчистване на наземния транспорт, днешните батерии не могат да се конкурират с течните въглеводороди, получени от изкопаеми горива, по отношение на енергията, доставяна на килограм тегло - основен проблем, когато става въпрос за летене. Междувременно, въз основа на прогнозирания ръст в търсенето на пътувания, се предвижда потреблението на реактивно гориво да се удвои между сега и 2050 г. - годината, до която международната авиационна индустрия обеща да бъде въглеродно неутрална.

Много групи са се насочили към 100 % устойчиво въглеводородно гориво за самолети, но без особен успех. Част от предизвикателството е, че авиационните горива са толкова строго регулирани. „Това е подклас горива, който има много специфични изисквания по отношение на химията и физическите свойства на горивото, защото не можете да рискувате нещо да се обърка в двигател на самолет“, казва Юрий Роман-Лешков. "Ако летите на 30 000 фута, навън е много студено и не искате горивото да се сгъсти или замръзне. Ето защо формулата е много специфична".

Авиационното гориво е комбинация от два големи класа химични съединения. Около 75 до 90 % от него се състои от „алифатни“ молекули, които се състоят от дълги вериги от въглеродни атоми, свързани заедно. „Това е подобно на това, което бихме намерили в дизеловите горива, така че това е класически въглеводород, който е там“, обяснява Роман-Лешков. Останалите 10 до 25 % се състоят от "ароматни" молекули, всяка от които включва поне един пръстен, съставен от шест свързани въглеродни атома.

В повечето транспортни горива ароматните въглеводороди се разглеждат като източник на замърсяване, така че те се отстраняват възможно най-много. В авиационните горива обаче трябва да останат някои ароматни молекули, тъй като те определят необходимите физически и горивни свойства на цялата смес. Те изпълняват и още една критична задача: гарантират, че уплътненията между различните компоненти в горивната система на самолета са плътни. „Ароматите се абсорбират от пластмасовите уплътнения и ги карат да набъбват“, обяснява Роман-Лешков. „Ако по някаква причина горивото се промени, уплътненията също могат да се променят, а това е много опасно.“

В резултат на това ароматните съединения са необходим компонент - но те също са пречка в движението за създаване на устойчиви авиационни горива или SAF. Компаниите знаят как да направят алифатната фракция от негодни за консумация части от растения и други възобновяеми източници, но все още не са разработили одобрен метод за генериране на ароматна фракция от устойчиви източници. В резултат на това има „смесваща се стена“, обяснява Роман-Лешков. „Тъй като имаме нужда от това ароматно съдържание – независимо от неговия източник – винаги ще има ограничение за това колко от устойчивите алифатни въглеводороди можем да използваме, без да променяме свойствата на сместа.“ Той отбелязва подобна стена на смесване с бензин. „Имаме много етанол, но не можем да добавим повече от 10 %, без да променим свойствата на бензина.

Без недостиг на възобновяем изходен материал или опити за преобразуването му

През последните пет години разбирането и решаването на проблема "Устойчиво авиационно гориво (SAF)" беше целта на изследванията на Роман-Лешков и неговия екип от Масачузетския технологичен институт, както и техните сътрудници във Вашингтонския Държавен университет, Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) и Тихоокеанската северозападна национална лаборатория. Тяхната работа е фокусирана върху лигнин, здрав материал, който дава на растенията структурна опора и защита срещу микроби и гъбички. Около 30 % от въглерода в биомасата е в лигнин, но когато етанолът се генерира от биомаса, лигнинът остава като отпадъчен продукт.

Въпреки храбрите усилия, никой не е намерил икономически жизнеспособен, мащабируем начин да превърне лигнина в полезни продукти, включително ароматните молекули, необходими, за да направи реактивното гориво 100 процента устойчиво. Защо не - казва Роман-Лешков: „Това е заради неговата химическа непокорност“. Трудно е да го накараш да реагира химически по полезни начини. В резултат на това всяка година милиони тонове отпадъчен лигнин се изгарят като нискокачествено гориво, използват се като тор или просто се изхвърлят.

Разбирането на проблема изисква разбиране какво се случва на атомно ниво. Една единствена молекула лигнин - отправната точка на предизвикателството, е голяма "макромолекула", съставена от мрежа от много ароматни пръстени, свързани с кислородни и водородни атоми. Казано просто, ключът към превръщането на лигнина в ароматната фракция на SAF е да се разбие тази макромолекула на по-малки парчета, докато в процеса се отърват от всички кислородни атоми.

Като цяло, повечето промишлени процеси започват с химическа реакция, която предотвратява последващото надграждане на лигнин: Тъй като лигнинът се извлича от биомасата, ароматните молекули в него реагират една с друга, свързвайки се заедно, за да образуват силни мрежи, които няма да реагират повече. В резултат на това лигнинът вече не е полезен за производство на авиационни горива.

За да избегнат този резултат, Роман-Лешков и неговият екип използват друг подход - те използват катализатор, за да предизвикат химическа реакция, която обикновено не би се случила по време на екстракция. Чрез реагиране на биомасата в присъствието на катализатор на основата на рутений, те са в състояние да отстранят лигнина от биомасата и да произведат черна течност, наречена лигниново масло. Този продукт е химически стабилен, което означава, че ароматните молекули в него вече няма да реагират една с друга.

Така че сега изследователите успешно са разбили оригиналната макромолекула лигнин на фрагменти, които съдържат само един или два ароматни пръстена всеки. Въпреки това, докато изолираните фрагменти не реагират химически, те все още съдържат кислородни атоми. Следователно остава една задача - намирането на начин за отстраняване на кислородните атоми.

Всъщност, казва Роман-Лешков, преминаването от молекулите в лигниновото масло до целевите ароматни молекули изисква от тях да извършат три неща в една стъпка: Те трябваше селективно да разкъсат въглеродно-кислородните връзки, за да освободят кислородните атоми; те трябваше да избягват включването на невъглеродни атоми в ароматните пръстени (например атоми от водородния газ, който трябва да присъства, за да се появят всички химични трансформации); и те трябваше да запазят въглеродния гръбнак на молекулата - т.е. серията от свързани въглеродни атоми, които свързват оставащите ароматни пръстени.

В крайна сметка Роман-Лешков и неговият екип откриха специална съставка, която ще свърши работа - катализатор от молибденов карбид. „Това всъщност е наистина невероятен катализатор, защото може да изпълнява тези три действия много добре“, казва Роман-Лешков. „Освен това е изключително устойчив на отрови. Растенията могат да съдържат много компоненти като протеини, соли и сяра, които често отравят катализаторите, така че те вече не работят. Но молибденовият карбид е много здрав и не се влияе силно от такива примеси.

Пробвайки го върху лигнин от тополи

За да тестват подхода си в лабораторията, изследователите първо проектираха и построиха специализиран реактор с "trickle-bed” - вид химически реактор, в който както течности, така и газове текат надолу през натъпкан слой от частици катализатор. След това те получиха биомаса от топола - дърво, известно като „енергийна култура“, защото расте бързо и не изисква много тор.

Като начало те реагираха на биомасата от топола в присъствието на техния катализатор на основата на рутений, за да извлекат лигнина и да произведат лигниново масло. След това те прекараха маслото през техния реактор с плавно легло, съдържащ молибденовия карбид катализатор. Образуваната смес съдържа част от целевия продукт, но също така и много други, които все още съдържат кислородни атоми.

Роман-Лешков отбелязва, че в реактор с промивно легло времето, през което лигнинът е изложен на катализатора, зависи изцяло от това колко бързо капе надолу през натъпкания слой. За да увеличат времето на излагане, те се опитаха да прекарат маслото през същия катализатор два пъти. Въпреки това, разпределението на продуктите, които се образуваха при второто преминаване, не беше както те бяха предвидили въз основа на резултата от първото преминаване.

С по-нататъшно разследване те разбраха защо. Първият път, когато лигниновото масло капе през реактора, то отлага кислород върху катализатора. Отлагането на кислород променя поведението на катализатора, така че определени продукти се появяват или изчезват - като температурата е критична. „Температурата и съдържанието на кислород определят състоянието на катализатора при първото преминаване“, казва Роман-Лешков. "След това, при второто преминаване, съдържанието на кислород в потока е по-ниско и катализаторът може напълно да разруши останалите въглеродно-кислородни връзки." По този начин процесът може да работи непрекъснато: два отделни реактора, съдържащи независими каталитични слоеве, ще бъдат свързани последователно, като първият ще обработва предварително лигниновото масло, а вторият ще отстранява останалия кислород.

Въз основа на поредица от експерименти, включващи лигниново масло от тополова биомаса, изследователите определиха работните условия, даващи най-добър резултат: 350 градуса по Целзий в първия етап и 375 C във втория етап. При тези оптимизирани условия сместа, която се образува, е доминирана от целевите ароматни продукти, като остатъкът се състои от малки количества други алифатни молекули на реактивно гориво и някои останали молекули, съдържащи кислород. Катализаторът остава стабилен, докато генерира повече от 87 процента (тегловни) ароматни молекули.

„Когато правим нашата химия с катализатор молибденов карбид, нашите общи въглеродни добиви са почти 85 процента от теоретичния въглероден добив“, казва Роман-Лешков. „При повечето процеси на преобразуване на лигнин, добивите на въглерод са много ниски, от порядъка на 10 процента. Ето защо общността на катализата беше много развълнувана от нашите резултати - защото хората не са виждали въглеродни добиви толкова високи, колкото тези, които генерирахме с този катализатор.

Остава един ключов въпрос: сместа от компоненти, която се образува, притежава ли свойствата, необходими за авиационно гориво? „Когато работим с тези нови субстрати, за да произвеждаме нови горива, сместа, която създаваме, е различна от стандартното реактивно гориво“, казва Роман-Лешков. „Освен ако няма точните свойства, които се изискват, няма да отговаря на условията за сертифициране като реактивно гориво.“

За да проверят своите продукти, Роман-Лешков и неговият екип изпращат проби до Вашингтонския държавен университет, където екип управлява лаборатория за горене, посветена на тестване на горива. Резултатите от първоначалното изпитване на състава и свойствата на пробите са обнадеждаващи. Въз основа на състава и публикуваните инструменти и процедури за предварителен преглед, изследователите са направили първоначални прогнози за свойствата на своите проби и те изглеждат добре. Например, предвижда се точката на замръзване, вискозитетът и праговият индекс на сажди да бъдат по-ниски от стойностите за конвенционалните авиационни ароматни съединения. (С други думи, техният материал трябва да тече по-лесно и да е по-малко вероятно да замръзне от конвенционалните ароматни съединения, като същевременно генерира по-малко сажди в атмосферата, когато горят.)

Следващи стъпки

Изследователите продължават да проучват как се държат техните смеси от проби при различни температури и по-специално колко добре изпълняват тази ключова задача: накисване и подуване на уплътненията вътре в реактивните двигатели. „Тези молекули не са типичните ароматни молекули, които се използват в реактивното гориво“, посочи Роман-Лешков. „Предварителните тестове с пробни уплътнения показват, че няма разлика в начина, по който с нашите ароматни вещества, получени от лигнин, уплътненията набъбват, но трябва да потвърдим това. Няма място за грешка.”

В допълнение, той и неговият екип работят със своите сътрудници от Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL), за да разширят своите методи. NREL има много по-големи реактори и друга инфраструктура, необходима за производството на големи количества от новата устойчива смес. Въз основа на обещаващите резултати досега екипът иска да бъде подготвен за по-нататъшните тестове, необходими за сертифицирането на реактивни горива. В допълнение към тестването на проби от горивото, пълната процедура за сертифициране изисква демонстриране на поведението му в работещ двигател - „не по време на полет, а в лаборатория“, пояснява Роман-Лешков. В допълнение към изискването за големи проби, тази демонстрация отнема много време и е скъпа - поради което е последната стъпка в стриктното тестване, необходимо за одобрение на ново устойчиво авиационно гориво.

Роман-Лешков и колегите му сега проучват използването на техния подход с други видове биомаса, включително бор, горска трева и царевица (листа, стъбла и кочани, останали след прибиране на царевицата). Но техните резултати с тополова биомаса са обещаващи. Ако по-нататъшни тестове потвърдят, че техните ароматни продукти могат да заменят ароматните съединения в реактивното гориво, „стената на смесване може да изчезне“, казва Роман-Лешков. „Ще разполагаме със средства за производство на всички компоненти в авиационното гориво от възобновяем материал, което потенциално ще доведе до самолетно гориво, което е 100 % устойчиво.“

Повече информация за финансирането на изследването и за неговите автори, можете да намерите в оригиналната статия, която е публикувана в списанието на MIT Energy Initiative и е достъпна ТУК.