Innovative Natural Gas Processes and Products. ingap. Partnere: Universitetet i Oslo NTNU SINTEF Borealis Hydro Statoil

Transkript

1 Innovative Natural Gas Processes and Products ingap Partnere: Universitetet i Oslo NTNU SINTEF Borealis Hydro Statoil

2 Hvorfor ingap? Fra søknadsteksten: A universal challenge is to meet the increasing demand for energy and consumables with concepts leading to minimized emissions of green-house gases and other pollutants. Petroleum is the world-wide dominating source of energy and bulk chemicals and will remain so in the foreseeable future. Natural gas is the most environmentally friendly component of petroleum.

3 Hvorfor ingap? Forventet økning i energiforbruk (2006) ExxonMobil Tomorrow s energy (feb. 2006)

4 Hvorfor ingap? Global energikilde-forecast (2006) ExxonMobil Tomorrow s energy (feb. 2006)

5 Hvorfor ingap? Ressurssituasjonen på norsk sokkel Olje- og energidepartementet, Fakta norsk petroleumsverksemd 2006

6 Hva brukes petroleum til? Drivstoff er et hovedprodukt Petrokjemiske produkter står for ca. 5% av det totale petroleumsforbruket. Samtidig er 85% av alle kjemiske produkter basert på petroleum som råstoff. National Geographics (2006)

7 Verdimultiplikator Relativ verdi ingap vil fokusere på dette området: Kjemisk foredling av naturgass Naturgass Eten/propen Plastråstoff Ferdig produkt Det anslås at den årlige verdiøkningen ved å omdanne 10% av norske naturgass-ressurser til drivstoff og plastråstoffer, mot 1% i dag, tilsvarer milliarder kroner per år. Kilder: 1) Borealis; 2) Gassmaksutredningen (2006)

8 Katalyse er en nøkkelkomponent i foredlingsprosessene > 90% av alle petrokjemiske prosesser foregår ved hjelp av en katalysator Katalysedemo: Katalytisk splitting av H 2 O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 (g) Katalysatorer en den magiske forbindelsen som får reaksjonen til å gå: Raskere Ved mildere betingelser I ønsket retning Mindre reaktorvolum (økonomisk gevinst) Lavere energiforbruk, tryggere operasjon (miljøgevinst) Mindre forurensning (miljøgevinst og økonomisk gevinst)

9 Hva skal vi gjøre i ingap? ingap s visjon: Value creation in natural-gas processes through rational design of processes and products based on atomistic and mechanistic insight in catalyst and reactor parameters under operative conditions 1. Kommersiell visjon: Vi skal studere systemer av interesse for industripartnerne 2. Kunnskapsvisjon: Vi skal øke vår kunnskap om katalysatorer s oppbygging og virkemåte

10 Hvem er vi? Katalysemiljøene ved UiO, NTNU og SINTEF

11 Hva vet vi om katalysatorers virkemåte i dag? En typisk katalysator består av mange ulike aktive seter, hvert av dem har ulik aktivitet og selektivitet

12 Hva vet vi om katalysatorers virkemåte i dag? Fra intelligent gjetting I testet Haber, Bosch og Mittach (BASF) 6500 (!) ulike katalysatorer for Haber-Bosch prosessen: N H 2 2 NH 3 De konkluderte at en jern-basert katalysator var best. Denne katalysatoren, med små endringer, er fortsatt dominerende i dag. Til rasjonell design: I 2001 designet forskere ved DTU og Haldor-Topsøe en ny katalysator for prosessen, basert på detaljerte kunnskaper om reaksjonsmekanismen og katalysatorens overflate, ved hjelp av kvantekjemisk modellering.

13 Haber-Bosch prosessen N 2 +3H 2 2NH 3 Fra eksperimenter.... til teori 10 1 Ru Os 10 0 Fe TOF(s -1 ) Co 10-3 Mo 10-4 Ni Ozaki and Aika, Catalysis 1 (Anderson and Boudart, Ed.) [ E- E(Ru)](eV/N 2 ) Logadottir et al, J. Catal. 197 (2001) 229

14 Measured ammonia synthesis rates 400 C, 50 bar, H 2 :N 2 =3:1 Jacobsen et al JACS 123 (2001) 8404.

15 Vil vi kunne gjøre noe liknende? Ja, men det krever investeringer: Katalysatoroverflaten endrer seg med temperatur og atmosfære Vi må studere katalysatorene under reelle betingelser Noen prosesstrinn kan ikke studeres eksperimentelt Vi må bygge videre på våre kunnskaper innen teoretisk modellering samt at vi videreutvikler allerede eksisterende kunnskap: Eksempel: Omdanning av metanol til eten og propen Opprinnelig mekanismeforslag: 2 CH 3 OH C 2 H H 2 O CH 3 OH + C 2 H 4 C 3 H 6 + H 2 O C 10 H 8 koks

16 MTO-mekanismen Filmskaper: K.P. Lillerud (UiO)

17 Forsknings-syklus Reaksjon Katalysator Reaksjonsmekanisme MTO Chabazite (110 surface) Systematiske studier av hvordan endringer i katalysatorens egenskaper påvirker reaksjonsmekanismer og selektiviteter, kan gi opphav til helt nye katalysatorer for kjente prosesser.

18 Nye prosesser Drømmereaksjoner som venter på en katalysator: CH 4 + 1/2O 2 CH 3 OH Ny prosess Metanol Naturgass Syngas Bensin Voks L. Johansson et al. JACS, 121 (1999) K.P.Lillerud et al (UiO)

19 Fra katalysator- og reaktorkunnskap til prosess Nytt katalysatormateriale Oppskalering fra gram til kg $ Prosessdesign, pilotskala testing $$$ Formulering av industriell katalysator $$ Industriell prosess $$$$$$$$$$

20 Pressemelding , GTL breakthrough for Statoil Statoil's latest technology for producing liquid fuel from gas is ready for commercial expansion. Statoil, together with PetroSA and Lurgi, has had success demonstrating a technological solution for so-called gas-to-liquids (GTL). "This is a breakthrough for Statoil's and our partner's GTL technology," says vice president Roger Johansen who heads Statoil's GTL initiative. "Our goal is to demonstrate and ready the technology for full-scale production. This we have now achieved." The three partners formed GTL.F1 last year, a company that will upscale and commercialise GTL technology. Since 2004, the partners have tested the solution at PetroSA's production complex at Mossel Bay in South Africa. The complex is of semi-commercial size and the reactor itself is the world's largest in its class. The GTL complex has been in continuous operation in 2006 and it has produced as planned in much of this time. Since 1986, Statoil has developed patent-protected GTL technology. The principal is built on the Fisher-Tropsch process, a chemical reaction where natural gas is fed into the complex and converted to liquid hydrocarbons, mainly in the form of diesel and naphtha. "GTL is yet another example of Statoil's ability to develop and commercialise new technology," says Mr Johansen. "Through the joint owned company GTL.F1, the technology gives Statoil an important tool for achieving our ambitions in international growth. This places Statoil in a position to take part in gas projects that require a GTL solution." By Morten Eek Published 10/11/ :00:00 AM Copyright Statoil. Våre industripartnere har vilje og evne til å utvikle kommersielle prosesser basert på langsiktig forskning. MEN: Ting tar tid (i dette tilfellet 20 år)!

21 Hva skal ingap levere? Rekruttering og utdanning Utdanne Ph.D.-kandidater med utdannelse på høyt internasjonalt nivå Trene 6-10 postdoc-kandidater Være vertskap for en internasjonal katalyseskole Erfaringsutveksling industri - akademia Alle Ph.D.-kandidater skal ha opphold i industrien i løpet av utdanningsperioden. Personell fra industrien skal arbeide i akademia (minst 1 manneår for ingap per år). Publisering Minst 100 publikasjoner i høyt rankede internasjonale journaler Flere patenter Utstyrs- og kompetanseoppbygging Konstruere og bygge celler for in situ/operando studier av katalytiske materialer under reelle betingelser i hjemmelab og på synkrotronen i Grenoble Fremstille og studere modellforbindelser med systematiske endringer i egenskaper for minst to kjente prosesser. Utvikle teoretiske metoder basert på kvantekjemisk modellering som støtte for de eksperimentelle aktivitetene. Utvikle metoder for reaktormodellering Legge basis for utvikling av radikalt nye prosesser for omdanning av naturgass.

22 Fordelen med et langsiktig program er at vi kan tenke veien baklengs Rasjonell design X