O echipă de ingineri din SUA a construit prima fabrică din lume care foloseşte bălegar de bovine pentru a produce combustibil sintetic pentru aviaţie

În ultimii ani, se vorbeşte tot mai intens despre necesitatea de a produce combustibili sintetici, care să înlocuiască benzina, motorina, metanolul, etanolul, amoniacul sau kerosenul. Teoretic, toţi aceşti compuşi pot fi produşi în laborator sau condiţii industriale, iar dacă toată materia primă şi energia necesară vine din surse regenerabile, atunci producţia de carburanţi sintetici permite eliminarea necesităţii de a extrage hidrocarburi din sol şi a elimina CO2 adiţional în atmosferă. Marea dilemă a acestor procese e costul lor şi complexitatea proceselor, care le împiedică de obicei să atingă o scalare rapidă. Dar acum o echipă de ingineri din SUA, de la startup-ul Circularity Fuels, a anunţat că a construit prima fabrică pilot din lume, care foloseşte bălegar de bovină de la ferme, pentru a produce combustibil sintetic pentru aviaţie.

Foto: Noua fabrică, aplasată lângă o fermă de bovine

Anul trecut, scriam despre profesorul Aldo Steinfeld din Elveţia şi compania sa, pe care a fondat-o împreună cu studenţii săi, Synhelion, pentru a produce trei tipuri de combustibil sintetic — benzină, motorină şi combustibil de aviaţie. Profesorul şi echipa sa puseseră la punct un proces industrial foarte logic şi clar, şi chiar construiseră o primă fabrică pilot în Germania. Iar ca să înţelegem ce fac inginerii din SUA, despre care vorbim azi, ar fi mai uşor dacă am aminti despre procesele folosite de Synhelion pentru producţia de benzină, diesel şi kerosen aviatic.

Foto: Combustibil sintetic produs de elveţieni

Procesul lor presupunea captarea de CO2 din aer sau din orice altă sursă la îndemână, drept sursă pentru atomul necesar de carbon. Apoi se asigura şi o sursă de apă, pentru atomul de hidrogen. Apoi, cu ajutorul acestor elemente demara producţia gazului de sinteză, format din CO + H2, numit şi syngas în industria rafinăriilor petroliere, or, şi acolo se ajunge la producţia gazului de sinteză ca un soi de materie primă purificată pentru producţia de mai departe a diverselor variaţii de carburanţi.

Căile de a produce gazul de sinteză pot fi diferite. S-ar putea face separarea fiecărui compus în etape individuale — producţia de hidrogen din apă prin electroliză, şi eliberându-se oxigenul, iar CO2-ul fiind separat printr-un proces dedicat, eliberându-se oxigenul şi păstrându-se carbonul. Acest proces de separare a CO2-ului e posibil, dar e energofag. Elveţienii folosesc o metodă cu randament mai mare, utilizând resturile vegetale sub formă de biomasă drept sursă de CO2. La biomasă, se consideră că CO2-ul a fost captat anterior din aer în procesul de creştere a plantelor şi fotosinteză, iar la arderea finală a combustibilului produs nu se va emite mai mult decât a fost captat. Avantajul în a folosi resturi vegetale e că se poate ca uz de procesul natural de fermentare anaerobă, ce produce o mixtură de metan CH4 şi CO2.

La elveţieni, acest amestec de CH4 şi CO2 e încălzit apoi până la 1.100 grade Celsius cu ajutorul energiei regenerabile, într-un reactor termochimic, unde cei doi atomi de carbon din metan şi CO2 ajung să formeze monoxidul de carbon CO cu oxigenul, iar atomii de hidrogen eliberaţi rămân în formă de H2. Anume amestecul de CO + H2 e şi gazul de sinteză dorit la această etapă, acest gaz stând la baza producţiei de mai departe a oricărui carburant dorit — benzină, diesel sau combustibil aviatic.

În paralel, elveţienii produc şi hidrogen din energie solară, prin electroliză, acest hidrogen fiind necesar pentru etapa finală, în care, după filtrarea mecanică a impurităţilor, gazul de sinteză e tratat cu hidrogen. Aici fiecare combustibil dorit e format din componente cu formulă chimică diferită de hidrocarburi, care sunt apoi amestecate, pentru a obţine benzina, dieselul sau alt carburant. Una din metodele de a obţine asta e reacţia Fischer-Tropsch, unde se pot obţine diverse formule de hidrocarburi cu apa ca produs auxiliar rezultat. Cel mai simplu de produs aici e metanolul, aşa cum face şi Porsche, pentru că e un compus final simplu şi omogen, cu formă CH3OH. Benzina, însă, e un amestec de hidrocarburi precum octani C8H18, heptani C7H16, ciclohexan C6H12, toluen C7H8, benzen C6H6 şi xilen C8H10. Deci, toate aceste hidrocarburi au legături de carbon şi hidrogen, doar numărul atomilor fiind diferit. Iar din gazul de sinteză se produc toate aceste variaţii, pentru a fi amestecate apoi mecanic în proporţia corectă şi a ajunge la benzina sau motorina aia identică celei produse la rafinării din petrolul extras din pământ.

Foto: Fabrica elveţienilor, construită în Germania

Ei bine, aici putem începe să explicăm şi ce face echipa din SUA, prin comparaţie cu procesul elveţian. Cea mai mare deosebire vine chiar la materia primă iniţială pentru a obţine atomul de carbon. Dacă elveţienii folosesc resturile vegetale sub formă de biomasă drept sursă de CO2, utilizând procesul natural de fermentare anaerobică, pentru a produce mixtura de metan CH4 şi CO2, atunci inginerii americani folosesc bălegarul vacilor pentru a obţine acelaşi amestec de CH4 şi CO2. Pentru asta, se foloseşte un digestor anaerob, amplasat direct la fermă, unde sunt deversate dejecţiile vacilor.

Procesul de mai departe e o procesare pe bază de bacterii, care permit formarea de biogaz, şi compus preponderent din metan, CO2, vapori de apă, hidrogen sulfurat şi urme de alte gaze. În mod normal, concentraţia de metan în biogazul rezultat pe cale naturală e de 50-75%, ceea ce impune necesitatea purificării lui, or, transportarea lui spre eventuale rafinării în asemenea formă brută are un randament relativ mic.

Aici intervine un proces adiţional gândit de inginerii americani, sub forma unui reactor numit Ouro, care se prezintă ca un reactor cu microcanale, ajutat de inteligenţa artificială, care operează cu încălzire electrică rezistivă pentru a încălzi biogazul până la 1.000°C. Rolul acestui reactor e să producă gazul de sinteză dorit pe o cale mai rapidă şi mai simplă, inspirându-se în construcţia sa internă de la catalizatoarele auto.

Foto: Construcţa internă a reactorului

Reactorul face simultan două reacţii de reformare, principala fiind cea în care CO2-ul şi CH4 din biogaz intră în reacţie sub acţiunea catalizatorilor şi formează 2CO şi 2H2. Această reacţie era considerată simplă întotdeauna, dar generatoare de depuneri carbonice în reactor. Americanii spun că au rezolvat problema depunerilor cu inteligenţa artificială, care controlează stabilitatea reacţiei, pentru a nu genera depuneri. Iar controlul are loc printr-un strat catalizator cu multiple puncte de ajustare pe suprafaţa sa.

Aici, în acest reactor cu construcţie similară cu catalizatoarele auto, se ascunde marea inovaţie a echipei de ingineri din SUA, or, reactorul a făcut acum viabilă şi posibilă o reacţie simplă prin care se obţine gazul de sinteză dorit la un cost de 100 ori mai mic decât procesele clasice, de tipul celui folosit de elveţieni, spun cei de la Circularity Fuels. Iar suplimentar, acolo unde există acces la abur, randamentul şi viteza reacţiilor poate creşte prin adăugarea reformării cu abur, pentru a obţine acelaşi rezultat în formă mai accelerată.

Având gazul de sinteză generat, inginerii americani îl trimit într-un al doilea reactor, numit Aion, unde acestea trece prin tratare similară cu hidrogen, pe principiul reacţiei Fischer-Tropsch. Practic, aici are loc formarea variaţiilor de carbon dorite pentru amestecul final sub formă de kerosen aviatic, diesel sau benzină. Doar că, scara fiind mai mică şi fabrica fiind mai lentă, inginerii americani spun că se descurcă fără sursă adiţională de hidrogen, care ar fi mărit viteza reacţiei, precizia şi randamentul. S-ar putea ca după primele etape pilot americanii să conştientizeze că pentru scalare e nevoie şi de hidrogen suplimentar, cum se întâmplă la elveţieni. Acum, însă, nu există producţie adiţională de hidrogen verde.

Dar lipsa producţiei de hidrogen e menţionată de inginerii americani pentru că ei obţin la final prin această metodă un semifabricat avansat şi concentrat, care poate fi transportat ulterior la o rafinărie pentru ultima etapă de standardizare prin hidrotratate cu hidrogen şi producţie a a combustibilului de aviaţie dorit. Deci, fabrica lor pilot de acum, pe care au operat-o timp de 6 luni, nu are partea de producţie de hidrogen şi hidrotratare finală, ei considerând că la o etapă iniţială e mai logic să se păstreze totul simplu şi ieftin, pentru ca fermierii să poată ulterior transporta produsul semifabricat la rafinării, care ar face doar ultima faţă în utilajele lor mai scumpe. Iar o versiune mai avansată ar putea avea şi hidrotratarea locală direct la sursă. Există argumente logice pentru această abordare, întrucât ea elimină complexitatea locală şi o centralizează la rafinării mai mari, care au anvergura necesară de a asigura ultima etapă complexă cu precizia necesară pentru a putea produce combustibilul conform de aviaţie.

Şi inginerii spun că au reuşit să obţină combustibil de aviaţie la final, conform cu standardele actuale, care poate fi turnat în rezervorul oricărui avion, fără vreo adaptare necesară. Deci, inginerii au reuşit să creeze ciclul complet de producţie de combustibil sintetic de aviaţie (SAF) din bălegarul de la ferme.

Inginerii spun că prima lor fabrică a operat 6 luni de test la o fermă cu 5.000 de bovine din California şi a demonstrat viabilitatea întregului proces. Unii dintre noi ar putea întreba dacă nu e mai logică folosirea bălegarului drept fertilizant, dar noul proces nu exclude partea de fertilizanţi, ori, după procesarea în digestor, când e evacuat metanului şi CO2-ul, masa rezultată poate fi în continuare folosită ca fertilizant, deci nu împiedică procesele actuale de la ferme.