Una relación de colaboración multidisciplinar, desarrollado entre los investigadores del Penn State EMS Energy Institute y una empresa de nueva creación con sede en Pittsburgh, puede tener la respuesta para reducir las emisiones globales de gases de efecto invernadero y al mismo tiempo allanar el camino para alterar las industrias químicas y de materiales.

Desde 2015, Randy Vander Wal, profesor de ingeniería energética y de minerales y ciencia e ingeniería de materiales, y afiliado al EMS Energy Institute, ha estado colaborando con H Quest Vanguard en un número creciente de proyectos que utilizan la tecnología de plasma de la compañía para habilitar nuevos y potenciales Usos no emisores de carbón y gas natural.

"Las capacidades únicas del Laboratorio de Caracterización de Materiales de Penn State brindan información invaluable sobre las propiedades de los materiales producidos por plasma de H Quest y son cruciales para establecer un producto apto para la comercialización, "dijo George Skoptsov, Director ejecutivo de H Quest.

La colaboración ha dado lugar a cinco proyectos de investigación que tienen como objetivo reinventar el carbón y el gas natural en el siglo XXI como limpio, fuentes rentables de combustibles y materiales de alto rendimiento.

Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero

Si bien el clima de la Tierra ha cambiado a lo largo de la historia, el consenso científico actual es que la actual tendencia al calentamiento global es probablemente el resultado de la actividad humana, a saber, las emisiones de gases de efecto invernadero debidas a la combustión de combustibles fósiles.

El cambio a combustibles más limpios se reconoce como un componente clave para reducir estas emisiones. Hidrógeno, en particular, es un portador de energía prometedor porque quemarlo produce solo agua y no dióxido de carbono. Pero el hidrógeno es muy raro en su forma molecular pura. Es abundante, sin embargo, en forma de agua (11% de hidrógeno en masa) y metano, un componente principal del gas natural:25% de hidrógeno en masa. De hecho, según el Departamento de Energía de EE. UU., Actualmente, el 95% del hidrógeno para combustible en los EE. UU. se extrae del gas natural.

El proceso industrial más utilizado para la producción de hidrógeno, el reformado con vapor de metano, calienta el metano a partir de gas natural utilizando vapor para producir monóxido de carbono e hidrógeno. Desafortunadamente, este proceso tiene una gran huella de emisión de gases de efecto invernadero y consume grandes cantidades de agua.

La descomposición térmica del metano calienta el gas natural a más de 2, 000 grados Fahrenheit, que rompe las moléculas de hidrocarburos, extrayendo hidrógeno como gas y dejando atrás el carbono sólido. La introducción de catalizadores en este proceso puede reducir la temperatura requerida, pero presenta el problema de separar el carbono sólido de las superficies del catalizador. En general, debido a las limitaciones asociadas con la calefacción, este proceso sigue siendo costoso, energía intensiva, y proceso emisor de gases de efecto invernadero.

La tecnología de plasma por microondas de H Quest cataliza reacciones de una manera novedosa y permite una velocidad muy rápida:1, 000 grados Fahrenheit por segundo:calentamiento de gas, lo que no es posible con tecnologías de calefacción convencionales como calderas, hornos intercambiadores de calor, o calentadores inductivos.

Debido a que la electricidad renovable puede alimentar microondas, y la descomposición del metano no utiliza oxígeno, La extracción de hidrógeno del gas natural mediante la tecnología de plasma de microondas puede estar completamente libre de emisiones de gases de efecto invernadero. Además, La tecnología de plasma por microondas permite modular, en pequeña escala, despliegue de bajo capital de plantas de conversión química, hacer que la industria química sea más eficiente, eficaz, flexible y competitivo.

En un proyecto recientemente premiado de la Coalición Universitaria para la Investigación de Energía Fósil Básica y Aplicada, patrocinado por el DOE, Vander Wal busca desarrollar una comprensión más profunda de cómo las condiciones del proceso dentro del reactor de H Quest definen los parámetros del producto de carbono.

Vitales para este esfuerzo son las capacidades del Laboratorio de Caracterización de Materiales, que cuenta con una amplia variedad de técnicas de caracterización en las áreas de microscopía, espectroscopia, análisis de superficie, y técnicas termofísicas que ayudarán a esclarecer por qué los diferentes materiales muestran propiedades y comportamientos diferentes.

El proyecto, titulado "Optimización de sistemas impulsados ​​por microondas, Conversión asistida por plasma de metano en hidrógeno y grafeno, "tiene como objetivo identificar el diseño del reactor y las condiciones del proceso para la producción de hidrógeno con la capacidad de ajustar las características del producto de carbono y evaluar la conversión de metano, rendimientos del producto, y selectividad.

El objetivo es desarrollar relaciones entre la forma del producto de carbono, características, y parámetros de proceso. Dichas relaciones permitirán la producción selectiva de formas de carbono específicas y la capacidad de adaptar sus propiedades físico-químicas. Los investigadores esperan que esto conduzca a tecnologías de hidrógeno de próxima generación que podrían permitir el uso de recursos energéticos domésticos varados. como reservas de gas natural varadas, al mismo tiempo que se diversifican las materias primas de hidrógeno.

Si tiene éxito, también podría reducir los costos asociados con los productos de energía de hidrógeno a gran escala; crear demanda de mercado, tecnologías e infraestructura para permitir el despliegue de energía de hidrógeno; y utilizar gas natural doméstico para fabricar energía y productos de carbono sintético.

"El procesamiento por microondas de gas natural representa la descarbonización de un combustible fósil al tiempo que allana el camino hacia la economía del hidrógeno, ", Dijo Vander Wal.

También crearía un camino hacia la limpieza, productos de carbono de menor costo. Grafeno por ejemplo, es un material más fuerte que el acero y más conductor que el cobre.

"Grafeno, como aditivo para el hormigón, puede aumentar la fuerza y ​​la durabilidad, contribuir a la mejora de la infraestructura mientras se captura a gran escala la producción de carbono / grafeno, ", Dijo Vander Wal.

Los investigadores del Penn State EMS Energy Institute y H Quest también se están asociando a través de un premio del Programa de Transferencia de Tecnología para Pequeñas Empresas de la National Science Foundation para probar el material de la compañía en estos roles. También están investigando aplicaciones de plasma de microondas para convertir carbón en productos de carbono a través de un premio del Laboratorio Nacional de Tecnología de Energía del DOE.

La amplitud de los productos derivados del plasma es inmensa, desde carbón activado hasta plásticos imprimibles en 3-D hasta electrodos de carbón industrial para la fundición de acero y aluminio, las posibilidades son inconmensurables, Dijo Skoptsov.

"El carbón ha sido fundamental para la química orgánica industrial moderna, ", agregó." Tantos productos sintéticos, desde la aspirina hasta el nailon, se han producido a partir del carbón, antes de que se convirtiera en sinónimo de generación de electricidad en la era del petróleo barato en la década de 1950. Esta investigación revelará el verdadero valor de nuestros recursos fósiles como fuente de materiales de alto rendimiento, pero lo hará de una manera más sostenible y rentable que nunca ".