Kleinere, billigere Biokraftstoffreaktoren

Forscher der University of Minnesota haben eine schnelle Methode entwickelt, um Sägemehl und Abfallbiomasse direkt in ein Gasgemisch umzuwandeln, das zur Stromerzeugung verbrannt oder zu flüssigen Kraftstoffen wie Diesel verarbeitet werden kann. Wenn der Prozess skaliert werden kann, könnte er eine energieeffizientere Methode zur Herstellung von Biokraftstoffen sein, indem er kleine, schnelle Reaktoren in der Nähe von Biomassequellen ermöglicht.

Glühender Katalysator: Ein Katalysatorbett glüht, während es millimetergroße Zellulosepartikel (weiß) in ein wertvolles Gasgemisch umwandelt.

Die Forscher entwickelten ein System, das es ermöglicht, Feststoffe direkt in ein nützliches Gasgemisch umzuwandeln. Der Prozess beginnt, wenn millimetergroße Partikel mit einer 700 bis 800 Grad Celsius heißen porösen Oberfläche in Kontakt kommen und sofort ein Gemisch aus gasförmigen Verbindungen bilden. Diese interagieren mit einem Katalysator aus dem Edelmetall Rhodium, der partielle Oxidationsreaktionen ermöglicht, die sowohl das System heiß halten als auch die Gase in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandeln. Dieses Gasgemisch, Syngas oder Synthesegas genannt, kann dann in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt oder nach bekannten Verfahren gereinigt und zu verschiedenen Brennstoffen verarbeitet werden.



Der Schlüssel zu dem neuen Verfahren ist ein Katalysatorbett mit der richtigen porösen Struktur, um die für die chemischen Reaktionen erforderlichen Temperaturen und Materialbewegungen aufrechtzuerhalten. Das resultierende System baut die Biomasse in nur 70 Millisekunden ab. Das ist zehnmal schneller als andere Methoden zur Herstellung von Synthesegas, sagt Lanny Schmidt , Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota. Das bedeutet im Idealfall, dass ein Reaktor mit einem gegebenen Volumen mit dem neuen Verfahren zehnmal so viel Synthesegas herstellen könnte wie mit herkömmlichen Verfahren. Oder anders ausgedrückt, es könnten Reaktoren mit einem Zehntel der Größe ermöglicht werden, sagt er.

Der katalytische Ansatz ist eine von mehreren in der Entwicklung befindlichen Methoden, mit denen kostengünstige Quellen zellulosehaltiger Biomasse wie Sägemehl, Gras und landwirtschaftliche Abfälle in flüssige Brennstoffe umgewandelt werden könnten. Es ist noch nicht klar, welche von zwei großen Kategorien von Ansätzen praktikabler sein werden, thermochemische Methoden wie die von Schmidt oder Methoden, die Enzyme und Organismen verwenden. Thermochemische Verfahren sind teuer, haben aber den potenziellen Vorteil, dass sie eine Reihe verschiedener Ausgangsmaterialien verwenden können, während biologische Systeme wahrscheinlich auf bestimmte Rohstoffe abgestimmt werden müssen.

Die Möglichkeit, kleinere Reaktoren für die Umwandlung von Abfallbiomasse in Synthesegas herzustellen, könnte jedoch dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Brennstoffen aus Biomasse zu meistern. Der Transport von sperrigen Materialien wie Hackschnitzeln und Maisabfällen über weite Strecken zu zentralen Einrichtungen verbraucht viel Energie, oft in Form von fossilen Brennstoffen. Es verteuert auch den Gesamtprozess. Kleine, verteilte Synthesegasanlagen könnten diese Transportkosten reduzieren, indem sie die Transportwege der Biomasse verkürzen. Verteilte Reaktoren könnten auch in Entwicklungsländern wertvoll sein, sagt Schmidt, da sie Gemeinden ohne zuverlässige Verkehrsinfrastruktur mit Strom und Brennstoff versorgen.

Die Gesamterschwinglichkeit eines solchen Systems hängt teilweise davon ab, ob Rhodium, das bis zu 6.000 US-Dollar pro Unze kosten kann, in ausreichend kleinen Mengen und über einen ausreichend langen Zeitraum verwendet werden kann. Der Prozess muss auch für kleine verteilte Systeme skaliert werden. Im Moment verwendet der Prototyp ein experimentelles Katalysatorbett von der Größe eines menschlichen Daumens. Die Forscher schätzen, dass ein System, das genug Synthesegas herstellen kann, um 10 Gallonen Benzin pro Tag zu produzieren, ein Katalysatorbett erfordern würde, das um ein Vielfaches dieser Größe, etwa 15 Zentimeter breit und 3 tief, liegt. Es könnte sich als schwierig erweisen, sagt Theodore Krause , Leiter Grundlagen- und Angewandte Wissenschaften bei Argonne National Laboratory , um ein größeres System zu erstellen, das schnell und effizient bleibt.

Obwohl die Herausforderungen bestehen bleiben, stellt Schmidts System einen deutlichen Fortschritt in der Wissenschaft der Kraftstoffherstellung aus Biomasse dar, sagt Krause. Durch den Nachweis der Fähigkeit, Feststoffe direkt in Synthesegas umzuwandeln, habe die Forschung etwas gezeigt, was die meisten Menschen zunächst für unmöglich gehalten hätten.

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