Elaborado a partir de materiales renovables como biomasa y desechos agrícolas, el combustible de aviación sostenible tiene un enorme potencial para descarbonizar la industria de la aviación.Pero la adopción generalizada aún no ha despegado.

Aviación sosteniblecombustible(SAF) constituye menos del 1% del combustible utilizado en elindustria de la aviación, mientras que el combustible de aviación contribuye alrededor del 3% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero (GEI).Producir SAF que sea más eficiente energéticamente, más barato y competitivo en costos con respecto al combustible para aviones de origen fósil es fundamental para un uso comercial generalizado.

Ahora los científicos del Laboratorio Nacional Argonne han desarrollado unnueva tecnologíaeso crea un SAF rentable que podría reducir las emisiones de GEI en la industria de la aviación hasta en un 70%.Se utilizaron el ciclo de vida y los modelos tecnoeconómicos de Argonne para analizar los impactos ambientales y la viabilidad económica del SAF.

ElinvestigaciónenACS Química e Ingeniería Sosteniblemuestra que el nuevo metano fue detenidodigestión anaeróbica(MAAD) convierte las aguas residuales orgánicas de alta resistencia en ácidos grasos volátiles, que pueden convertirse en SAF.

Como precursores clave para la producción de SAF, los ácidos grasos volátiles pueden desempeñar un papel fundamental en la descarbonización de la industria de la aviación, dijo Haoran Wu, investigador postdoctoral de Argonne.

"Los ácidos grasos volátiles de los flujos de desechos pueden hacer que la producción de biocombustibles sea más rentable y sostenible", afirmó Wu."La nueva tecnología de Argonne utiliza un biorreactor asistido por membrana para mejorar la producción de ácidos grasos volátiles".

La investigación avanza los objetivos descritos en el Gran Desafío de Combustible de Aviación Sostenible del DOE, que apunta a aumentar la producción de SAF a tres mil millones de galones para 2030. El objetivo es producir suficiente combustible para satisfacer el 100% de la demanda de combustible para aviones comerciales para 2050.

Convertir flujos de residuos en biocombustibles

Hay demanda de biocombustibles para descarbonizar sectores difíciles de electrificar, como la aviación.La conversión de biomasa en biocombustible es un proceso complejo que involucra variables en los materiales orgánicos utilizados como materia prima, así como tecnologías de conversión, separación y purificación para cumplir con las especificaciones del combustible.

En lugar de depender de recursos más convencionales como grasas, aceites y grasas, los científicos utilizaron aguas residuales ricas en carbono de cervecerías y granjas lecheras como materia prima para su tecnología innovadora.En un avance clave, la tecnología eliminacarbono orgánicode estos flujos de residuos de alta resistencia que de otro modo serían difíciles de tratar de manera rentable.

"Ambas corrientes de aguas residuales son ricas en materia orgánica y su tratamiento con métodos tradicionales de tratamiento de aguas residuales requiere una gran cantidad de carbono", dijo el autor del estudio, Taemin Kim, analista de sistemas energéticos de Argonne."Al utilizar nuestra tecnología, no sólo estamos tratando estos flujos de desechos, sino que también estamos produciendo combustible sostenible con bajas emisiones de carbono para la industria de la aviación".

La tecnología de Argonne también abre nuevos caminos en la conversión de estos flujos de residuos a SAF.

La digestión anaeróbica es una tecnología establecida para convertir biomasa en metano y luego en biocombustible.Desarrollada por Meltem Urgun Demirtas, director del departamento de Materiales y Procesos Sostenibles de Argonne, la tecnología MAAD se centra en la producción de ácidos grasos volátiles (como el ácido butírico) y ácido láctico.

Sin embargo, los ácidos lácticos limitan la producción de SAF a partir de ácidos grasos volátiles.La tecnología Argonne MAAD supera esa limitación para aumentar el rendimiento de ácidos grasos volátiles.

"El ácido láctico reduce la eficiencia del carbono al convertir los ácidos grasos volátiles en SAF", dijo Wu."Por lo tanto, alejar la conversión deácido lácticohacia la producción de ácidos grasos volátiles es clave".

En otra innovación novedosa, los científicos desarrollaron un método de separación electroquímica para mejorar la tecnología MAAD asistida por membrana.

"Desarrollamos un proceso de recuperación de productos in situ para aumentar el tiempo de retención en los digestores asistidos por membranas, lo que permitió comunidades microbianas resistentes con abundantes productores de ácido butírico y aumentó la productividad y concentración del ácido, disminuyendo así el costo de producción de ácido y la toxicidad del ácido", dijo Urgun.Demirtas, investigador principal de la investigación.

Análisis de impactos económicos y ambientales

Con eldatos experimentales, los científicos utilizaron las herramientas avanzadas de simulación y modelado de Argonne para diseñar tres posibles vías de conversión de residuos a SAF y las compararon con el combustible para aviones convencional producido a partir de combustibles fósiles.

Utilizando los modelos de proceso, los científicos realizaron un análisis tecnoeconómico y del ciclo de vida de las vías.El análisis del ciclo de vida se realizó utilizando el modelo de I+D de gases de efecto invernadero, emisiones reguladas y uso de energía en tecnologías (R&D GREET) de Argonne para evaluar los impactos de los GEI desde la producción hasta el uso final.

Los científicos dicen que la vía de conversión de desechos en combustible de aviación reduce significativamente las emisiones de carbono en comparación con el combustible para aviones convencional.El estudio también amplía el uso de materiales de desecho menos utilizados en un momento en que la demanda de materia prima biológica típica para SAF resulta en escasez.

Si bien la investigación continuará, en última instancia, los científicos esperan comercializar el proceso pendiente de patente y ampliar la tecnología para su uso generalizado.

"Diseñar una tecnología asistida por membranas que logre una reducción del 70% de los gases de efecto invernadero a un costo comparable al del combustible para aviones convencional es un avance significativo", afirmó Wu.

"Continuaremos trabajando para mejorar la sostenibilidad y comenzar a explorar otras materias primas para usar con nuestra tecnología".

Pahola Thathiana Benavides Gallego, analista principal de sistemas energéticos de Argonne, también se desempeñó como investigadora principal de la investigación.