Produkcja paliw lotniczych od zera
W lotnictwie stosuje się głównie paliwa o dużej gęstości energetycznej, co czyni sektor drugim co do wielkości konsumentem energii po transporcie drogowym. Pomimo dziesięcioleci postępu technicznego związanego z poprawą efektywności energetycznej, sektor ten pozostaje zależny od paliw kopalnych, przyczyniając się w znacznym stopniu do 13% emisji gazów cieplarnianych w sektorze transportu.
Nowatorski sposób wytwarzania paliwa lotniczego
Aby zmniejszyć zależność lotnictwa od paliw kopalnych, w ramach finansowanego przez UE projektu 4AirCRAFT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) badano innowacyjne sposoby produkcji paliwa lotniczego bezpośrednio z CO2 i wodoru (H2). Zespół opracował technikę przekształcania CO2 w długołańcuchowe węglowodory (≥C8), które są wykorzystywane jako prekursory paliwa do silników odrzutowych. „Przekształciliśmy CO2 w tlenek węgla (CO) i wodór (H2) w temperaturze pokojowej, a następnie heksanol (rodzaj alkoholu) we frakcję heksenową w łagodnych warunkach (140-160 °C), a następnie przekształciliśmy je w długołańcuchowe węglowodory”, wyjaśnia koordynatorka projektu Vanesa Gil. Koncepcja opracowana w projekcie 4AirCRAFT opiera się na pojedynczym reaktorze kaskadowym składającym się z trzech połączonych ze sobą modułów. „Skupiliśmy się na optymalizacji selektywności względem CO2 i elektrochemicznej konwersji do użytecznych produktów (moduł reaktora elektrochemicznego) oraz na odwodnieniu alkoholu do heksenów, a następnie długołańcuchowych węglowodorów (za pomocą biomimetycznego modułu reaktora chemokatalitycznego)”, dodaje Gil. Całe podejście opiera się na produkcji alkoholi z gazu syntezowego (mieszanki CO i H2) przy użyciu modułu mikrobiologicznego jako etapu pośredniego. Moduł do elektroredukcji CO2 wykorzystuje konstrukcję elektrody membranowej z zerową przerwą, osiągając selektywność na poziomie 48-96% w przypadku CO i 52-96% w przypadku CO + H2 w temperaturze pokojowej. Biomimetyczny moduł chemokatalityczny pozwala przekształcać alkohole, na przykład 1-heksanol, w długołańcuchowe węglowodory i prekursory paliwa lotniczego. Korzystając z wydrukowanych przestrzennie katalizatorów wzorowanych na glinie, odwadnia on 1-heksanol do heksenów z wydajnością do 96% alkenów i przekształca alkeny w węglowodory i estry z 95-procentowym współczynnikiem konwersji.
Lepsze katalizatory na potrzeby czystszych paliw
W projekcie wykorzystano zaawansowane elektro- i chemokatalizatory, optymalizując ich środowisko w celu poprawy efektywności energetycznej całego procesu. Katalizatory na bazie cynku (Zn) osiągnęły selektywność na poziomie 90% w przypadku produkcji CO i 94% w przypadku mieszanki CO i H2. Drugi, trudny etap odwodnienia heksanolu do pożądanych heksenów osiągnął sprawność ponad 70% w najniższych temperaturach, jakie kiedykolwiek odnotowano dla tej reakcji. Najskuteczniejsze katalizatory obejmowały związki takie jak triflan hafnu, triflan miedzi, kwas triflowy i materiały na bazie gliny, przy czym wszystkie stosowane były w niskich ilościach katalitycznych (2-10 mol%).
Wykorzystanie enzymów jako biokatalizatorów
Ponadto naukowcy zbadali zastosowanie biokatalizatorów do odwadniania alkoholu, poprawiając sposób stabilizacji tych katalizatorów, a także poprawiając sprawność syntezy Fischera-Tropscha (procesu chemicznego przekształcającego CO i H2 w ciekłe węglowodory) w łagodnych warunkach. W przypadku biokatalizy skupiono się między innymi na badaniu izomerazy dehydratazy linalolu (LinD) – naturalnego enzymu, który odwadnia alkohole. Testowana w różnych formach, w tym w całych komórkach, oczyszczonym enzymie, granulkach komórkowych i surowych ekstraktach, pozwoliła ona skutecznie odwadniać niektóre alkohole pierwszorzędowe, takie jak geraniol, ale gorzej radziła sobie z innymi. Wykazała jednak duży potencjał do przekształcania alkoholi allilowych w produkty o wysokiej wartości.
Poprawa parametrów enzymów dzięki strukturom metaloorganicznym
Aby jeszcze bardziej poprawić parametry enzymów, zespół wykorzystał struktury metaloorganiczne (MOF), które pozwalają bezpiecznie hermetyzować enzymy. „Chociaż zmniejszyło to ich aktywność, stworzyło podstawę do opracowywania stabilnych hybryd enzym-MOF, otwierając nowe możliwości w zakresie zaawansowanej inżynierii katalizatorów”, podkreśla Gil.
Pokonywanie trudności
Konwencjonalne metody produkcji paliw oparte na źródłach kopalnych często nie są odpowiednio sprawne i selektywne oraz mają zbyt niskie współczynniki konwersji. Zespół 4AirCRAFT zademonstrował wydajną, elastyczną i skalowalną technikę przekształcania CO2 z recyklingu w zrównoważone paliwa płynne, koncentrując się na projektowaniu materiałów katalitycznych w celu pokonania barier energetycznych na kluczowych etapach reakcji.
