Projekti / Programi
Neposredna pretvorba metana v višje ogljikovodike z uporabo super-kislinskih katalizatorjev
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.04 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Kataliza in reakcijsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
Metan; Ogljikovodiki; Kataliza; Super-kisline; Kemijsko inženirstvo
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.942 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.664 |
Povzetek
Povzetek
Metan je dostopen ne le v fosilnih virih – komponenta v zemeljskem plinu, ležiščih premoga in plinu iz skrilavcev – temveč tudi v različnih obnovljivih virih kot bioplin. Predstavlja ekonomično in bolj trajno različico nafti. Zato je zanimanje za pretvorbo metana v tekoča goriva in bazične kemikalije v zadnjih letih ponovno poraslo, predvsem onkraj uveljavljenih tehnologij, kot je reforming metana.
Velika investicijska sredstva in (zaradi ekonomičnosti) zahtevana proizvodnja v velikem obsegu onemogočata uporabo odročnih in razpršenih virov zemeljskega plina, plina iz skrilavcev ali predelave bioplina. Pa vendar neposredna pretvorba metana v proizvode bazične kemije predstavlja velik izziv. Na splošno pride do težav v dveh ozirih. Prvi je ta, da ima metan samo nasičene C–H vezi z visoko energijo razcepa le-teh (435 kJ/mol) in je za pretvorbo metana običajno potreben prehod visoke aktivacijske energije. Drugi pa je, da je reaktivnost ciljnih snovi običajno mnogo višja od metana.
V okviru predlaganega projekta bomo pripravili in ovrednotili vrsto tekočih in trdnih super-kislin. Te katalizatorje bomo najprej uporabili v reaktorju s čepastim tokom za ugotavljanje stopnje pretvorbe metana in selektivnosti tvorbe ogljikovodikov pri milih reakcijskih pogojih (( 300 °C; ( 2 bar) ali pri aktivaciji z mikro-plazmo. Za odstranitev ravnotežnih omejitev pri pretvorbi metana in zajezitev obsega neželenih reakcij bomo uporabili tudi reaktor s temperaturno razliko za odstranjevanje C5+ produktov. Uporabili bomo in situ in ex situ spektroskopske metode za vrednotenje sprememb v zgradbi katalizatorja, pa tudi reaktantov in vmesnih produktov, kot so rentgenska spektroskopija (XRD), infrardeča spektroskopija s Fourier-ovo transformacijo (FTIR), jedrska magnetna resonanca (NMR) in foto-elektronska spektroskopija (XPS). To nam bo posledično omogočilo predlagati model reakcijskega mehanizma in enačbo reakcijske hitrosti. Z uporabo sklopljenega podrobnega vrednotenja z računsko fluidno dinamiko (CFD) in določeno reakcijsko kinetiko bomo tako lahko načrtovali reaktor in izboljšali celokupno obratovanje.
Predlagani projekt obravnava nove procesne rešitve, ki naj bi na imele kot smiselno posledico sestavljiva in prenosna postrojenja, s čimer bi zagotovili zmanjšanje obsega slabe izrabe surovin, pa tudi znižanje izpustov. Onkraj tega predlagani projekt spodbuja sodelovanje med vedami (znanost o materialih, kemijsko inženirstvo in strojništvo) kot pomembnimi sestavnimi deli s projektom povezanih premikov v okviru raziskav in razvoja. Na splošno je trg pretvorbe metana s svojimi 800 milijardami m3/leto ogromen, hkrati pa tudi rastoč, medtem ko se bo tudi delež zemeljskega plina v energetski mešanici po pričakovanjih do 2035 povečal na 31% (BP Energy Outlook 2035). Svetovno povpraševanje po zemeljskem plinu naj bi se glede na World Energy Outlook 2014 po pričakovanjih povečevalo s hitrostjo 1,6%/leto v obdobju 2015–2035, najhitreje od vseh prvenstvenih fosilnih surovin.
V smislu razvoja opreme, so glavne smernice, kot jih je očrtala Evropska komisija, izboljševanje postopkov (kot npr. s predlaganim združevanjem reakcij in ločevanja produkta) ter nižanje energetskih vnosov (predlagana tarčna aktivacija s plazmo). Predlagatelji projekta so tako vzeli v obzir dopolnjevanje in skupne cilje raziskav obstoječih projektov (H2020, SPIRE, MefCO2, KI kot glavni javni partner, PI: Blaž Likozar; H2020, SPIRE, ADREM, PI-ja: Blaž Likozar in Janez Levec; COST, CM1205, CARISMA, predstavnik: Blaž Likozar).
Projekt v splošnem izhaja iz nivoja tehnološke pripravljenosti (TRL) 3, ker smo sami predlagatelji projekta ideje v ozadju nadaljnjega razvoja že v grobem potrdili z meritvami v laboratorijskem merilu za sorodne postopke. Z izkazano izvedljivostjo priprave katalitskega materiala in nadaljnjega postopka za sorodne primere se možnost uspeha celokupnega koncepta poveča, kjer na koncu projekta ciljamo na TRL 4 pri aktivaciji CH4 z razvitimi super-kislinskimi kataliz
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani projekt bi moral imeti nezanemarljiv pomen za razvoj znanosti, predvsem področja kemijskega inženirstva, preko obravnave novih snovi (1) in postopkov (2) za aktivacijo metana, kajti slednji bo zelo verjetno predstavljal prvenstven vir energije in kemijskih komponent v naslednjih desetletjih. Vse to je napravilo aktivacijo metana za temo izrednega pomena, ki jo lahko po vsej verjetnosti primerjamo zgolj z redukcijo ogljikovega dioksida in njegovo aktivacijo ter uporabo kot energetski nosilec ali kemijski vmesni proizvod po ustrezni pretvorbi, kar je do neke mere tudi naslovljeno v predlogu projekta (sočasno napajanje metana in ogljikovega dioksida). Medtem ko je razvoj primernih snovi za omenjene pretvorbe neposredno povezano z vedo o materialih, kemijskim inženirstvom in strojništvom, predvsem pa reakcijskim inženirstvom ter katalizo, je pomen in vpliv veliko širši v smislu navezave tudi na druga znanstvena področja. Poleg tega, da predlagamo razvoj novih snovi, pa tudi prototipa reaktorja in procesa, je ena izmed glavnih predlaganih novosti aktivacija z uporabo »zelene« elektrike (preko tvorbe plazme) kot energijskega vira za pretvorbo (3). To je skladno z dejstvom, da se nove energijske vire, kot so plazma, mikrovalovi, ultrazvok itd., v zadnjem času preiskuje, da bi po eni strani neposredno uporabili obnovljive vire energije (npr. sončne ali vetrne) in da bi po drugi poskušali dosegati večjo učinkovitost izrabe energije z na primer uporabo plazme ali mikrovalov, da bi vzpostavili aktivacijo na samem mestu ter ne bi uporabljali toplotne energije, s čimer grejemo glavno maso reakcijske mešanice, kar se običajno počne in pri čemer ne-obhodno nastanejo ogromne izgube. Tri omenjene prispevke na dotičnih znanstvenih področjih se odslikavajo v zadnjih pripadajočih smernicah, pri čemer predlagani projekt tako naslavlja tri porajajoče se izzive, poleg tega pa le-to dela s trans-disciplinarnim pristopom. Kljub temu, da so bile vse tri teme razpoznane v znanstveni sredini, je prednost predlaganega projekta, da se jih loteva na integralni način (z razvojem rektorskega/procesnega prototipa), medtem ko pa ne obstaja veliko literature, ki bi se nanašala na tovrsten integriran (in torej seveda bolj realističen) pristop, kar vse izboljšuje možnosti projektnega predloga, da bi zaznamoval omenjena znanstvena področja.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagani projekt obravnava nove katalizatorje za aktivacijo metana in prilagodljive reaktorje za prožno in razpršeno proizvodnjo ter ugodno obratovanje. Te nove procesne rešitve naj bi na imele kot smiselno posledico sestavljiva in prenosna postrojenja, s čimer bi zagotovili zmanjšanje obsega slabe izrabe surovin, pa tudi znižanje izpustov. Onkraj tega predlagani projekt spodbuja sodelovanje med vedami (znanost o materialih, kemijsko inženirstvo in strojništvo) kot pomembnimi sestavnimi deli s projektom povezanih premikov v okviru raziskav in razvoja. Na splošno je trg pretvorbe metana s svojimi 800 milijardami m3/leto ogromen, hkrati pa tudi rastoč, medtem ko se bo tudi delež zemeljskega plina v energetski mešanici po pričakovanjih do 2035 povečal na 31% (BP Energy Outlook 2035). Svetovno povpraševanje po zemeljskem plinu naj bi se glede na World Energy Outlook 2014 po pričakovanjih povečevalo s hitrostjo 1,6%/leto v obdobju 2015–2035, najhitreje od vseh prvenstvenih fosilnih surovin. Trg za proizvodnjo bazičnih snovi trenutno obvladujejo proizvajalci, ki uporabljajo popolnoma razdelane poznane postopke v ogromnih obsegih (npr. več kot 1 milijon ton/leto za eten). Ti postopki posedujejo zgolj omejene možnosti za nadaljnje izboljšave. Porajajoči se tekmujoči postopki pa obljubljajo možne izboljšave v učinkovitosti in prožnosti, pa tudi veliko zmanjšanje okoljskega vpliva. Prav tako odpirajo možnosti uporabe manjših zmogljivosti in nihajočih virov (npr. bioplin ali metan, pridobljen iz sinteznega plina, izvirajočega iz biomase). Predlagani postopki (neposreden dvig vrednosti) bi na primer prav tako občutno povečali povpraševanje po uporabi metana, ki ga trenutno sežgemo zaradi odsotnosti plinovodov ali odsotnosti zmožnosti shranjevanja, s čimer bi priskrbeli opazno ekonomsko prednost pred obstoječimi tehnologijami. Samo sežig plina nanese približno 150 milijard m3/leto (t.j. 5% proizvodnje, kar je enako 30 milijard USD) in ustrezno prispeva k učinku tople grede z ničto učinkovitostjo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
