Membranas de peneiro molecular de carbono para a purificação de gases relevantes para a descarbonização da energia

cSieve propõe-se desenvolver três módulos, demonstradores, de membranas de fibra oca de peneiro molecular de carbono, para realizar com elevado desempenho três separações gasosas críticas para a descarbonização do sector energético: i) produção de ar enriquecido em oxigénio, incluindo oxicombustão e purificação do metano para alavancar o teor de biometano na rede de gás natural (GN); ii) separação do dióxido de carbono das correntes de exaustão, nomeadamente de caldeiras de biomassa; iii) separação do hidrogénio do GN. Esta tecnologia ainda não existe no mercado, fazendo deste um projeto com alto-risco e alto-ganho. A realização deste objetivo principal permitirá impulsionar o desenvolvimento e industrialização das CMSM, e, por conseguinte, melhorar a eficiência energética e baixar os custos de separações de gases e vapores relevantes. Mas o cSieve tem outros objetivos de longo-prazo mais subtis, nomeadamente contribuindo para o conhecimento noutras áreas como adsorventes de peneiro molecular de carbono e membranas poliméricas. Objetivos específicos (OE): OE1) Otimização de CMSM planas com controlo rigoroso de síntese e processamento (dissolução, “espaçadores moleculares”, coagulação), fixando e validando métricas de referência em permeabilidade/seletividade para as separações-alvo. OE2) Transposição do conhecimento para fibras ocas integrais assimétricas (pele seletiva <3 μm), assegurando estabilidade térmica/química e desempenho ao nível do estado da arte. OE3) Produção e teste de demonstradores (módulos laboratoriais de 150 fibras por aplicação) para O2/N2 (+ O2/CH4), CO2/N2 + CO2/O2 e H2/CH4, com operação contínua =200 h e desempenho acima do reportado. OE4) Análise tecno-económica (LCoGS), benchmarking vs. criogenia/PSA e plano de negócios e de investimento para comercialização dos módulos. Metodologia / Desafios específicos (DE): DE1) Manufatura de CMSM planas de elevado desempenho, iterando formulações e parâmetros até atingir/ultrapassar marcos definidos para cada par gasoso. DE2) Desenvolvimento de fibras ocas de CMSM, recorrendo a fiadeira dedicada e a precursores/condições de carbonização otimizados para garantir porosidade ajustável e pele ultrafina. DE3) Fabrico de minimódulos (~15 fibras) por caso de uso, estabelecendo procedimentos reprodutíveis de moldagem, vedação e testes (pureza, fluxo, estabilidade). DE4) Desenvolvimento, pela HyCarb, de três módulos laboratoriais com 150 fibras (um por família de separação), otimizados e testados em condições relevantes com parceiros do setor energético. DE5) Análise técnico-económica com modelo detalhado de custos (CAPEX, OPEX, energia), comparação com alternativas do estado da arte, estudo de mercado, necessidades de investimento e estimativas de retorno, suportando a rota de industrialização e a proteção/valorização de PI. Objetivos SMART (OS): OS1 — CMSM-HF para ar enriquecido (O2/N2) e O2/CH4 (biometano) S - Conceber, fabricar e validar módulos CMSM-HF para oxicombustão, >98 % O2 e remover seletivamente O2 do biometano para cumprir especificações de rede; M - Seletividade =1000, PO2 =200 barrer, Robeson =200, custo <40 €/t O2, operação contínua =200 h, O2/CH4 sel. =100, PO2 =200 barrer, =200 h; A - Know-how U.Porto (recordes CMSM), transposição para fibras ocas integrais, linha piloto instalada; R - O2 barato viabiliza oxicombustão, aumenta eficiência e gera correntes ricas em CO2 para captura; T - Protótipo em módulo =150 fibras validado em ambiente relevante até M36. OS2 — CMSM-HF para CO2 de biomassa (CO2/N2; CO2/O2) S - Desenvolver CMSM-HF para concentrar CO2 de flue gas de biomassa, apto a síntese (i.e., metanol); M - CO2/N2 sel. =1500, PCO2 =500 barrer; Robeson =33, CO2/O2 sel. =8, PCO2 =500, operação =200 h, LCoGS competitivo; A - Know-how U.Porto em CMSM planas (recordes) + ajuste micro/ultramicroporos e banho de coagulação; R - Alternativa low CAPEX/OPEX a PSA/criogenia; T - Módulos =150 fibras validados até M36. OS3 — CMSM-HF para H2/CH4 (deblending) S - Extrair H2 do GN (blending) para cumprir especificações de rede; M - H2/CH4 sel. =5000, PH2 =600 barrer; Robeson =160, pureza H2 >99,5 %, custo <0,25 €/kg; A - Desempenho planar comprovado + transposição para fibras ocas integrais assimétricas; R - Suporta descarbonização do gás (segurança/qualidade); T - Validação em módulo =150 fibras até M36. OS4 — Módulos CMSM-HF e demonstração TRL6 S - Conceber, fabricar e integrar 3 módulos (30 cm; =150 fibras) por aplicação (O2/N2+O2/CH4; CO2/N2+CO2/O2; H2/CH4) e escalar o mais promissor para 2 módulos de 1000 fibras; M - Desempenho de módulo =70 % do planar (150 fibras) e =90 % no módulo de 1000 fibras, operação contínua =200 h (TRL6); A - Fiadeira instalada, especificações/LCoGS definidos, pipeline de ensaios; R - Reduz CAPEX/OPEX e acelera adoção; T - Demonstração em ambiente relevante até M36.