En teknik som utvecklats vid det amerikanska energidepartementets Oak Ridge National Laboratory och skalats upp av Vertimass LLC för att omvandla etanol till bränslen som är lämpliga för luftfart, transport och andra tunga applikationer kan vara priskonkurrenskraftiga med konventionella bränslen och samtidigt behålla hållbarhetsfördelarna med biobaserad etanol, enligt en ny analys.

ORNL arbetade med teknologilicensinnehavaren Vertimass och forskare vid tio andra institutioner om en teknikekonomisk och livscykelanalys av processen-enstegskatalytisk omvandling av etanol till kolväteblandningar som kan läggas till jet, diesel, eller bensinbränslen för att minska sina växthusgasutsläpp. Denna nya teknik kallas för konsoliderad uttorkning och oligomerisering, eller CADO.

Analysen, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , visade att denna enstegsprocess för omvandling av våt etanolånga skulle kunna producera blandningar på $ 2/gigajoule (GJ) idag och $ 1,44/GJ i framtiden när processen förfinas, inklusive driftskostnader och årliga kapitalkostnader. Således, blandmaterialet skulle vara konkurrenskraftigt med konventionellt flygbränsle som produceras av olja till historiskt höga priser på cirka $ 100/fat. Till $ 60/fatolja, användningen av befintliga incitament för förnybart bränsle leder till prisparitet, analysen hittades.

Omvandlingen använder en typ av katalysator som kallas en zeolit, som direkt producerar längre kolvätekedjor från den ursprungliga alkoholen, i detta fall etanol, ersätta en traditionell flerstegsprocess med en som använder mindre energi och är mycket effektiv.

"Katalysatorns robusthet möjliggör direkt omvandling av våt etanol, vilket förenklar processen mycket, minskar kostnaden för etanolrening och gör produktionskostnaderna för kolväteblandningar konkurrenskraftiga baserat på analysen, "sa Zhenglong Li, personalvetare för biomassakatalys vid ORNL och en medarbetare på projektet.

Medan denna enstegskatalys var effektiv i laboratorieskala, ytterligare testning och förbättringar av Vertimass resulterade i ännu högre produktutbyte när de skalades upp 300 gånger med kommersiella katalysatorformuleringar. Konverteringsoperationen kan integreras i nya biobränsleverk eller installeras som en bolt-on-teknik till befintliga etanolanläggningar med minimal ny kapitalinvestering, forskarna noterade.

Avancerade biobränslen håller löften som renbränning, koldioxidneutrala förnybara energikällor. Målet är att skapa avancerade flytande biobränslen som kan dra nytta av befintlig infrastruktur för leverans av rörledningar och som kan användas i befintliga eller avancerade motorer utan förlust av prestanda. Bränslen är särskilt attraktiva för att minska koldioxidutsläppen i tunga motorer som i flygplan, fartyg och stora nyttofordon där elektrifiering är utmanande.

Med tanke på nuvarande standarder, det avancerade biobränslet kan blandas med 20% med petroleumsbaserat jetbränsle och något högre för bensin, föremål för certifiering och verifiering.

Under tiden, en livscykelanalys av konverteringsprocessen visade att dess utsläppsprofil för växthusgaser liknar den för etanolen som matas till processen.

"Hållbarheten för biohärledd etanol, nu mestadels framställd av majs i USA men med en del som nu tillverkas av majsstomare och så småningom dedikerade biomassafoder som växelgräs, fortsätter med den katalytiska processen, "sa Brian Davison, vetenskapsansvarig för DOE:s Center for Bioenergy Innovation (CBI) på ORNL och en samarbetspartner i projektet. CBI eftersträvar specifika forskningsmål för en blomstrande bioekonomi:hållbara biomassafoder; avancerade processer för att bryta ner och omvandla anläggningar till specialbiobränslen; och värdefulla bioprodukter, inklusive kemiska råvaror, tillverkad av ligninresten efter biobearbetning.

"Våra forskare sprider ständigt gränserna för vad som är möjligt för att leverera genombrott för ren energi, "sa Moe Khaleel, associerad laboratoriedirektör för energi och miljövetenskap vid ORNL. "Omvandlingen av etanol till kolväteblandningar utnyttjar en riklig inhemsk energiresurs samtidigt som den stöder utvecklingen av blomstrande amerikanska bioekonomier."

Förfiningar från Vertimass till originalet, laboratorieprocess inkluderar utveckling av billigare former av katalysatorn, samt mer än fördubbling av flytande bränsleutbyte, noterade tidningen.

Papperet beskriver förfiningarna samt resultaten från analyser från Argonne National Laboratory, the National Renewable Energy Laboratory, Vertimass, and ORNL in collaboration with Dartmouth, the Federal Aviation Administration, Boeing, Pennsylvania State University, University of California-Riverside, Imperial College of London, the Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory, and the Brazilian Center for Research in Energy and Materials.

"This research shows how ethanol, in addition to being a valuable fuel for cars, can be an effective intermediate for sustainable production of low-cost fuels for air travel and heavy-duty vehicles, " said professor Lee Lynd of Dartmouth College, who collaborated on the research and is the corresponding author. "The integration of biological and catalytic technologies shown here reflects the power of such hybrid systems."