Un rapporto di collaborazione multidisciplinare, sviluppato tra i ricercatori del Penn State EMS Energy Institute e una start-up con sede a Pittsburgh, potrebbe contenere la risposta per ridurre le emissioni globali di gas serra e allo stesso tempo aprire la strada alla distruzione delle industrie chimiche e dei materiali.

Dal 2015, Randy Vander Wal, professore di ingegneria energetica e mineraria e scienza e ingegneria dei materiali, e affiliato all'EMS Energy Institute, ha collaborato con H Quest Vanguard su un numero crescente di progetti che utilizzano la tecnologia al plasma dell'azienda per consentire potenziali nuovi, usi non emissivi di carbone e gas naturale.

"Le capacità uniche del Laboratorio di caratterizzazione dei materiali di Penn State forniscono preziose informazioni sulle proprietà dei materiali prodotti al plasma di H Quest e sono fondamentali per stabilire un prodotto adatto alla commercializzazione, " disse George Skoptsov, H Quest CEO.

La collaborazione ha portato a cinque progetti di ricerca che mirano a reinventare il carbone e il gas naturale nel 21° secolo come puliti, fonti economiche di combustibili e materiali ad alte prestazioni.

Ridurre le emissioni di gas serra

Mentre il clima della Terra è cambiato nel corso della storia, l'attuale consenso scientifico è che l'attuale tendenza al riscaldamento globale è probabilmente il risultato dell'attività umana, ovvero le emissioni di gas serra dovute alla combustione di combustibili fossili.

Il passaggio a combustibili più puliti è riconosciuto come una componente chiave per ridurre queste emissioni. Idrogeno, in particolare, è un promettente vettore energetico perché bruciando produce solo acqua e non anidride carbonica. Ma l'idrogeno è molto raro nella sua forma molecolare pura. è abbondante, però, sotto forma di acqua—11% di idrogeno in massa—e metano, un componente principale del gas naturale:25% di idrogeno in massa. Infatti, secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, attualmente il 95% dell'idrogeno per combustibile negli Stati Uniti viene estratto dal gas naturale.

Il processo industriale più utilizzato per la produzione di idrogeno, il reforming del metano a vapore, riscalda il metano dal gas naturale utilizzando il vapore per produrre monossido di carbonio e idrogeno. Sfortunatamente, questo processo ha una grande impronta di emissioni di gas serra e consuma grandi quantità di acqua.

La decomposizione termica del metano riscalda il gas naturale a più di 2, 000 gradi Fahrenheit, che rompe le molecole di idrocarburi, estraendo idrogeno come gas e lasciando dietro di sé il carbonio solido. L'introduzione di catalizzatori in questo processo può ridurre la temperatura richiesta ma introduce il problema della separazione del carbonio solido dalle superfici del catalizzatore. Globale, a causa dei vincoli legati al riscaldamento, questo processo rimane un costoso, energia intensa, e processo di emissione di gas serra.

La tecnologia al plasma a microonde di H Quest catalizza le reazioni in un modo nuovo e consente tempi molto rapidi—1, 000 gradi Fahrenheit al secondo:riscaldamento del gas, cosa non possibile con le tecnologie di riscaldamento convenzionali come caldaie, forni, scambiatori di calore, o riscaldatori induttivi.

Poiché l'elettricità rinnovabile può alimentare le microonde, e la decomposizione del metano non utilizza ossigeno, l'estrazione di idrogeno dal gas naturale utilizzando la tecnologia al plasma a microonde può essere completamente priva di emissioni di gas serra. Inoltre, La tecnologia al plasma a microonde consente la modularità, su piccola scala, impiego a basso capitale di impianti di conversione chimica, rendere l'industria chimica più efficiente, efficace, flessibile e competitivo.

In un progetto recentemente premiato della University Coalition for Basic and Applied Fossil Energy Research, sponsorizzato dal DOE, Vander Wal sta cercando di sviluppare una comprensione più profonda di come le condizioni di processo all'interno del reattore di H Quest definiscono i parametri del prodotto a base di carbonio.

Di vitale importanza per questo sforzo sono le capacità del Laboratorio di caratterizzazione dei materiali, che ha un'ampia varietà di tecniche di caratterizzazione nelle aree della microscopia, spettroscopia, analisi di superficie, e tecniche termofisiche che aiuteranno a far luce sul perché materiali diversi mostrano proprietà e comportamenti diversi.

Il progetto, dal titolo "Ottimizzazione del funzionamento a microonde, Conversione assistita dal plasma di metano in idrogeno e grafene, " mira a identificare la progettazione del reattore e le condizioni di processo per la produzione di idrogeno con la capacità di mettere a punto le caratteristiche del prodotto in carbonio e valutare la conversione del metano, resa del prodotto, e selettività.

L'obiettivo è sviluppare relazioni tra la forma del prodotto di carbonio, caratteristiche, e parametri di processo. Tali relazioni consentiranno la produzione selettiva di specifiche forme di carbonio e la capacità di adattare le loro proprietà fisico-chimiche. I ricercatori sperano che questo porterà a tecnologie dell'idrogeno di prossima generazione che potrebbero consentire l'utilizzo di risorse energetiche domestiche incagliate, come le riserve di gas naturale incagliate, allo stesso tempo diversificando le materie prime dell'idrogeno.

In caso di successo, potrebbe anche ridurre i costi associati ai prodotti energetici a idrogeno su larga scala; creare domanda di mercato, tecnologie, e infrastrutture per consentire la diffusione dell'energia a idrogeno; e utilizzare il gas naturale domestico per la produzione di energia e prodotti di carbonio sintetico.

"Il trattamento a microonde del gas naturale rappresenta la decarbonizzazione di un combustibile fossile mentre apre la strada verso l'economia dell'idrogeno, " ha detto Vander Wal.

Creerebbe anche un percorso per pulire, prodotti di carbonio a basso costo. Grafene, Per esempio, è un materiale più resistente dell'acciaio e più conduttivo del rame.

"Grafene, come additivo al calcestruzzo, può aumentare la forza e la durata, contribuendo al miglioramento delle infrastrutture mentre sequestrando su larga scala la produzione di carbonio/grafene, " ha detto Vander Wal.

I ricercatori del Penn State EMS Energy Institute e H Quest stanno anche collaborando attraverso un premio National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program per testare il materiale dell'azienda in questi ruoli. Stanno anche studiando le applicazioni del plasma a microonde per convertire il carbone in prodotti di carbonio attraverso un premio del National Energy Technology Laboratory del DOE.

L'ampiezza dei prodotti plasmaderivati ​​è immensa, dal carbone attivo alla plastica stampabile in 3D agli elettrodi industriali in carbonio per la fusione di acciaio e alluminio, le possibilità sono incommensurabili, ha detto Skoptsov.

"Il carbone è stato fondamentale per la moderna chimica organica industriale, " ha aggiunto. "Così tanti prodotti sintetici, dall'aspirina al nylon, sono stati prodotti dal carbone, prima che diventasse sinonimo di generazione di elettricità nell'era del petrolio a buon mercato negli anni '50. Questa ricerca sbloccherà il vero valore delle nostre risorse fossili come fonte di materiali ad alte prestazioni, ma lo farà in un modo più sostenibile ed economico di quanto non sia mai stato possibile".