Fabricar combustible de aviación a partir de biomasa

Imagen anterior Imagen siguiente

En 2021, casi una cuarta parte de los Las emisiones mundiales de dióxido de carbono provinieron del sector del transporte, siendo la aviación un contribuyente importante. Si bien el uso creciente de vehículos eléctricos está ayudando a limpiar el transporte terrestre, las baterías actuales no pueden competir con los hidrocarburos líquidos derivados de combustibles fósiles en términos de energía entregada por libra de peso, una preocupación importante cuando se trata de volar. Mientras tanto, según el crecimiento previsto de la demanda de viajes, se prevé que el consumo de combustible para aviones se duplique de aquí a 2050, año en el que la industria de la aviación internacional se ha comprometido a ser neutra en carbono.

Muchos grupos han apuntado a un combustible de hidrocarburos 100 por ciento sostenible para aviones, pero sin mucho éxito. Parte del desafío es que los combustibles de aviación están tan estrictamente regulados. "Se trata de una subclase de combustibles que tiene requisitos muy específicos en términos de química y propiedades físicas del combustible, porque no se puede correr el riesgo de que algo salga mal en el motor de un avión", dice Yuriy Román-Leshkov, director del Instituto Robert T. Profesor Haslam de Ingeniería Química. “Si vuelas a 30.000 pies, hace mucho frío afuera y no quieres que el combustible se espese o se congele. Por eso la formulación es muy específica”.

El combustible de aviación es una combinación de dos grandes clases de compuestos químicos. Entre el 75 y el 90 por ciento está formado por moléculas "alifáticas", que consisten en largas cadenas de átomos de carbono unidos entre sí. "Esto es similar a lo que encontraríamos en los combustibles diésel, por lo que es un hidrocarburo clásico que existe", explica Román-Leshkov. El 10 al 25 por ciento restante está formado por moléculas “aromáticas”, cada una de las cuales incluye al menos un anillo formado por seis átomos de carbono conectados.

En la mayoría de los combustibles para el transporte, los hidrocarburos aromáticos se consideran una fuente de contaminación, por lo que se eliminan en la medida de lo posible. Sin embargo, en los combustibles de aviación, algunas moléculas aromáticas deben permanecer porque establecen las propiedades físicas y de combustión necesarias de la mezcla general. También realizan una tarea más crítica: aseguran que los sellos entre varios componentes del sistema de combustible de la aeronave estén herméticos. "Las sustancias aromáticas son absorbidas por las juntas de plástico y se hinchan", explica Román-Leshkov. "Si por alguna razón el combustible cambia, también pueden hacerlo los sellos, y eso es muy peligroso".

Como resultado, los aromáticos son un componente necesario, pero también son un obstáculo en el camino hacia la creación de combustibles de aviación sostenibles, o SAF. Las empresas saben cómo producir la fracción alifática a partir de partes no comestibles de plantas y otras energías renovables, pero aún no han desarrollado un método aprobado para generar la fracción aromática a partir de fuentes sostenibles. Como resultado, se forma un “muro de fusión”, explica Román-Leshkov. "Dado que necesitamos ese contenido aromático, independientemente de su fuente, siempre habrá un límite en la cantidad de hidrocarburos alifáticos sostenibles que podemos usar sin cambiar las propiedades de la mezcla". Observa una pared similar de mezcla con gasolina. “Tenemos mucho etanol, pero no podemos agregar más del 10 por ciento sin cambiar las propiedades de la gasolina. De hecho, los motores actuales no pueden soportar ni siquiera un 15 por ciento de etanol sin modificaciones”.

No hay escasez de material de origen renovable, ni intentos de convertirlo

Durante los últimos cinco años, comprender y resolver el problema SAF ha sido el objetivo de la investigación de Román-Leshkov y su equipo del MIT (Michael L. Stone PhD '21, Matthew S. Webber y otros), así como sus colaboradores en Washington. State University, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. Su trabajo se ha centrado en la lignina, un material resistente que brinda a las plantas soporte estructural y protección contra microbios y hongos. Alrededor del 30 por ciento del carbono de la biomasa está en la lignina, pero cuando se genera etanol a partir de biomasa, la lignina queda como producto de desecho.

A pesar de los valientes esfuerzos, nadie ha encontrado una forma económicamente viable y escalable de convertir la lignina en productos útiles, incluidas las moléculas aromáticas necesarias para hacer que el combustible para aviones sea 100 por ciento sostenible. ¿Por qué no? Como dice Román-Leshkov: "Se debe a su obstinación química". Es difícil hacerlo reaccionar químicamente de manera útil. Como resultado, cada año millones de toneladas de lignina residual se queman como combustible de baja calidad, se utilizan como fertilizante o simplemente se desechan.

Comprender el problema requiere comprender lo que está sucediendo a nivel atómico. Una sola molécula de lignina (el punto de partida del desafío) es una gran “macromolécula” formada por una red de muchos anillos aromáticos conectados por átomos de oxígeno e hidrógeno. En pocas palabras, la clave para convertir la lignina en la fracción aromática de SAF es romper esa macromolécula en pedazos más pequeños mientras en el proceso se eliminan todos los átomos de oxígeno.

En general, la mayoría de los procesos industriales comienzan con una reacción química que impide la posterior mejora de la lignina: a medida que la lignina se extrae de la biomasa, las moléculas aromáticas que contiene reaccionan entre sí, uniéndose para formar redes fuertes que no reaccionarán más. . Como resultado, la lignina ya no es útil para fabricar combustibles de aviación.

Para evitar ese resultado, Román-Leshkov y su equipo utilizan otro enfoque: utilizan un catalizador para inducir una reacción química que normalmente no ocurriría durante la extracción. Al hacer reaccionar la biomasa en presencia de un catalizador a base de rutenio, pueden eliminar la lignina de la biomasa y producir un líquido negro llamado aceite de lignina. Ese producto es químicamente estable, lo que significa que las moléculas aromáticas que contiene ya no reaccionarán entre sí.

Así, los investigadores han conseguido romper la macromolécula de lignina original en fragmentos que contienen sólo uno o dos anillos aromáticos cada uno. Sin embargo, aunque los fragmentos aislados no reaccionan químicamente, todavía contienen átomos de oxígeno. Por lo tanto, queda una tarea: encontrar una manera de eliminar los átomos de oxígeno.

De hecho, dice Román-Leshkov, pasar de las moléculas del aceite de lignina a las moléculas aromáticas objetivo requirió que lograran tres cosas en un solo paso: necesitaban romper selectivamente los enlaces carbono-oxígeno para liberar los átomos de oxígeno; necesitaban evitar la incorporación de átomos distintos del carbono en los anillos aromáticos (por ejemplo, átomos del gas hidrógeno que deben estar presentes para que se produzcan todas las transformaciones químicas); y necesitaban preservar la columna vertebral de carbono de la molécula, es decir, la serie de átomos de carbono unidos que conectan los anillos aromáticos que quedan.

Al final, Román-Leshkov y su equipo encontraron un ingrediente especial que funcionaría: un catalizador de carburo de molibdeno. "En realidad, es un catalizador realmente sorprendente porque puede realizar muy bien esas tres acciones", afirma Román-Leshkov. “Además de eso, es extremadamente resistente a los venenos. Las plantas pueden contener muchos componentes como proteínas, sales y azufre, que a menudo envenenan los catalizadores y dejan de funcionar. Pero el carburo de molibdeno es muy robusto y no se ve muy influenciado por este tipo de impurezas”.

Probarlo con lignina de álamos

Para probar su enfoque en el laboratorio, los investigadores primero diseñaron y construyeron un reactor especializado de "lecho de goteo", un tipo de reactor químico en el que tanto líquidos como gases fluyen hacia abajo a través de un lecho lleno de partículas de catalizador. Luego obtuvieron biomasa de un álamo, un tipo de árbol conocido como “cultivo energético” porque crece rápidamente y no requiere muchos fertilizantes.

Para empezar, hicieron reaccionar la biomasa de álamo en presencia de su catalizador a base de rutenio para extraer la lignina y producir el aceite de lignina. Luego hicieron fluir el aceite a través de su reactor de lecho percolador que contenía el catalizador de carburo de molibdeno. La mezcla que se formó contenía parte del producto objetivo pero también muchos otros que todavía contenían átomos de oxígeno.

Román-Leshkov señala que en un reactor de lecho percolador, el tiempo durante el cual el aceite de lignina está expuesto al catalizador depende enteramente de la rapidez con la que gotea a través del lecho empacado. Para aumentar el tiempo de exposición, intentaron pasar el aceite dos veces por el mismo catalizador. Sin embargo, la distribución de productos que se formaron en el segundo paso no fue la que habían predicho según el resultado del primer paso.

Con más investigación, descubrieron por qué. La primera vez que el aceite de lignina gotea a través del reactor, deposita oxígeno en el catalizador. La deposición de oxígeno cambia el comportamiento del catalizador de modo que ciertos productos aparecen o desaparecen, siendo la temperatura crítica. "La temperatura y el contenido de oxígeno determinan el estado del catalizador en la primera pasada", afirma Román-Leshkov. "Luego, en la segunda pasada, el contenido de oxígeno en el flujo es menor y el catalizador puede romper completamente los enlaces carbono-oxígeno restantes". De este modo, el proceso puede funcionar de forma continua: dos reactores separados que contienen lechos de catalizador independientes se conectarían en serie, el primero pretrataría el aceite de lignina y el segundo eliminaría el oxígeno restante.

Basándose en una serie de experimentos con aceite de lignina procedente de biomasa de álamo, los investigadores determinaron las condiciones de funcionamiento que produjeron el mejor resultado: 350 grados Celsius en el primer paso y 375 C en el segundo paso. En esas condiciones optimizadas, la mezcla que se forma está dominada por los productos aromáticos específicos, y el resto consiste en pequeñas cantidades de otras moléculas alifáticas del combustible para aviones y algunas moléculas restantes que contienen oxígeno. El catalizador permanece estable mientras genera más del 87 por ciento (en peso) de moléculas aromáticas.

"Cuando hacemos nuestra química con el catalizador de carburo de molibdeno, nuestra producción total de carbono es casi el 85 por ciento de la producción teórica de carbono", dice Román-Leshkov. “En la mayoría de los procesos de conversión de lignina, los rendimientos de carbono son muy bajos, del orden del 10 por ciento. Es por eso que la comunidad de catálisis se entusiasmó mucho con nuestros resultados, porque la gente no había visto rendimientos de carbono tan altos como los que generamos con este catalizador”.

Queda una pregunta clave: ¿la mezcla de componentes que se forma tiene las propiedades necesarias para el combustible de aviación? "Cuando trabajamos con estos nuevos sustratos para fabricar nuevos combustibles, la mezcla que creamos es diferente del combustible para aviones estándar", dice Román-Leshkov. "A menos que tenga las propiedades exactas requeridas, no calificará para la certificación como combustible para aviones".

Para comprobar sus productos, Román-Leshkov y su equipo envían muestras a la Universidad Estatal de Washington, donde un equipo opera un laboratorio de combustión dedicado a probar combustibles. Los resultados de las pruebas iniciales de la composición y propiedades de las muestras han sido alentadores. Con base en la composición y las herramientas y procedimientos de preselección publicados, los investigadores hicieron predicciones de propiedades iniciales para sus muestras, y se veían bien. Por ejemplo, se prevé que el punto de congelación, la viscosidad y el índice umbral de hollín sean más bajos que los valores de los aromáticos de aviación convencionales. (En otras palabras, su material debería fluir más fácilmente y ser menos propenso a congelarse que los aromáticos convencionales y, al mismo tiempo, generar menos hollín en la atmósfera cuando se queman). En general, las propiedades previstas son cercanas o más favorables que las de los combustibles aromáticos convencionales. .

Próximos pasos

Los investigadores continúan estudiando cómo se comportan sus mezclas de muestras a diferentes temperaturas y, en particular, qué tan bien realizan esa tarea clave: empapar e hinchar los sellos dentro de los motores a reacción. "Estas moléculas no son las típicas moléculas aromáticas que se utilizan en el combustible para aviones", dice Román-Leshkov. “Las pruebas preliminares con sellos de muestra muestran que no hay diferencia en cómo nuestros aromáticos derivados de la lignina hinchan los sellos, pero necesitamos confirmarlo. No hay margen de error”.

Además, él y su equipo están trabajando con sus colaboradores del NREL para ampliar sus métodos. NREL tiene reactores mucho más grandes y otra infraestructura necesaria para producir grandes cantidades de la nueva mezcla sostenible. Basándose en los resultados prometedores hasta el momento, el equipo quiere estar preparado para las pruebas adicionales necesarias para la certificación de los combustibles para aviones. Además de probar muestras del combustible, el procedimiento de certificación completo exige demostrar su comportamiento en un motor en funcionamiento, "no durante el vuelo, sino en un laboratorio", aclara Román-Leshkov. Además de requerir muestras grandes, esa demostración requiere mucho tiempo y es costosa, razón por la cual es el último paso en las estrictas pruebas necesarias para que se apruebe un nuevo combustible de aviación sostenible.

Román-Leshkov y sus colegas ahora están explorando el uso de su enfoque con otros tipos de biomasa, incluidos pinos, pasto varilla y rastrojos de maíz (las hojas, tallos y mazorcas que quedan después de la cosecha del maíz). Pero sus resultados con la biomasa de álamo son prometedores. Si más pruebas confirman que sus productos aromáticos pueden sustituir a los que ahora se encuentran en el combustible para aviones, "la pared de mezcla podría desaparecer", afirma Román-Leshkov. "Tendremos un medio para producir todos los componentes del combustible de aviación a partir de materiales renovables, lo que potencialmente conducirá a un combustible para aviones que sea 100 por ciento sostenible".

Esta investigación fue financiada inicialmente por el Centro para la Innovación en Bioenergía, un centro de investigación del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) apoyado por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del DOE. La financiación más reciente provino de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del DOE y de Eni SpA a través de la Iniciativa de Energía del MIT. Michael L. Stone PhD '21 es ahora un posdoctorado en ingeniería química en la Universidad de Stanford. Matthew S. Webber es un estudiante de posgrado del grupo Román-Leshkov, ahora de licencia para realizar una pasantía en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

Este artículo aparece en la edición de primavera de 2023 de Energy Futures, la revista de la Iniciativa Energética del MIT.

Artículo anterior Artículo siguiente