Världsenergiförbrukningsprognoser förutspår att kol kommer att förbli en av världens viktigaste energikällor under de kommande decennierna, och en växande andel av det kommer att användas i CTL, omvandlingen av kol till flytande bränslen. Forskare från National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy i Peking och Eindhovens tekniska universitet har utvecklat järnbaserade katalysatorer som avsevärt minskar driftskostnaderna och öppnar dörren för att fånga upp de stora mängderna koldioxid ₂ som genereras av CTL. Deras resultat publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg .

För att förstå betydelsen av denna prestation, viss kunskap om CTL-processen krävs. Det första steget är omvandlingen av kol till syngas, en blandning av kolmonoxid (CO) och väte (H ₂ ). Genom att använda den så kallade Fischer-Tropsch-processen, dessa komponenter omvandlas till flytande bränslen. Men innan det kan göras, sammansättningen av syngasen måste ändras för att säkerställa att processen resulterar i flytande bränslen. Så en del av CO avlägsnas från syngasen genom att omvandla den till CO ₂ i en process som kallas vatten-gasskifte.

Forskarna tacklade ett nyckelproblem i Fischer-Tropsch-reaktorer. Som i de flesta kemiska processer, katalysatorer krävs för att möjliggöra reaktionerna. CTL-katalysatorer är huvudsakligen järnbaserade. Tyvärr, de omvandlar cirka 30 procent av CO till oönskad CO ₂ , en biprodukt som i detta skede är svår att fånga och därigenom ofta släpps ut i stora volymer, förbrukar mycket energi utan nytta.

Forskarna från Peking och Eindhoven upptäckte att CO ₂ frisättning sker eftersom de järnbaserade katalysatorerna inte är rena, men består av flera komponenter. De kunde producera en ren form av en specifik järnkarbid, kallad epsilon järnkarbid, som har en mycket låg CO ₂ selektivitet. Med andra ord, det genererar nästan ingen CO ₂ alls. Tillvaron var redan känd, men tills nu, den hade inte varit tillräckligt stabil för den hårda Fischer-Tropsch-processen. Den kinesisk-nederländska forskargruppen har nu visat att denna instabilitet orsakas av föroreningar i katalysatorn. Den fasrena epsilonjärnkarbiden de utvecklade är, däremot stabil och förblir funktionell, även under typiska industriella bearbetningsförhållanden på 23 bar och 250 grader C.

Den nya katalysatorn eliminerar nästan all CO ₂ generation i Fischer-Tropsch-reaktorn. Detta kan minska energibehovet och driftskostnaderna med cirka 25 miljoner euro per år för en typisk CTL-anläggning. Kompaniet ₂ som tidigare släppts ut i detta skede kan nu tas bort i föregående vatten-gasskifte. Det är goda nyheter, eftersom det är mycket lättare att fånga i detta skede. Tekniken för att få detta att hända kallas CCUS (carbon capture, användning och lagring). Den har utvecklats av andra parter och används redan i flera pilotanläggningar.

Omvandlingen av kol till flytande bränslen är särskilt relevant i kolrika länder som måste importera olja för sin leverans av flytande bränslen, som Kina och USA. "Vi är medvetna om att vår nya teknik underlättar användningen av fossila bränslen som härrör från kol. det är mycket troligt att kolrika länder kommer att fortsätta att exploatera sina kolreserver under de kommande decennierna. Vi vill hjälpa dem att göra detta på det mest hållbara sättet, " säger ledande forskarprofessor Emiel Hensen vid Eindhovens tekniska universitet.

Forskningsresultaten kommer sannolikt att minska ansträngningarna att utveckla CTL-katalysatorer baserade på kobolt. Koboltbaserade katalysatorer har inte CO ₂ problem, men de är dyra och blir snabbt en knapp resurs på grund av koboltanvändning i batterier, som står för hälften av den totala koboltförbrukningen.

Hensen förväntar sig att de nyutvecklade katalysatorerna också kommer att spela en importroll i framtidens energi- och baskemikalieindustri. Råvaran kommer inte att vara kol eller gas, men avfall och biomassa. Syngas kommer att fortsätta att vara det centrala elementet, eftersom det också är mellanprodukten i omvandlingen av dessa nya råvaror.