Front Lines of Hope CL CLEAN ENERGY IS POSSIBLE How ¡Scripps ¡and ¡NextEra ¡Collaborate ¡to ¡Make ¡it ¡Prac9cal ¡and ¡Plen9ful ¡ ¡
An intro An introduction t duction to o PROF. ROY PERIANA EDUCATION B.S. ¡University ¡of ¡Michigan ¡ • Ph.D. ¡University ¡of ¡California ¡Berkeley ¡ ¡ • COMPANIES Dow ¡Chemical ¡Company ¡ • Monsanto ¡ • Cataly9ca, ¡Inc. ¡ • Cataly9ca ¡Advanced ¡Technologies ¡ ¡ • ¡ ACADEMIC APPOINTMENTS The ¡University ¡of ¡Southern ¡California ¡ ¡ • Director ¡of ¡the ¡Scripps ¡Energy ¡& ¡Materials ¡Center ¡at ¡ • The ¡Scripps ¡Research ¡Ins9tute ¡ ¡
An intro An introduction t duction to o THE TEAM DR. BRIAN HASHIGUCHI DR. MIKE KONNICK PROF. DANIEL ESS MR. STEVEN BISCHOF Brigham ¡Young ¡University ¡ TSRI ¡ University ¡of ¡Wisconsin, ¡ University ¡of ¡Wisconsin, ¡ Ph.D. ¡ Ph.D. ¡
THE CH CHALLENGE
The Challenge ENERGY SECURITY Source: ¡hNp://www.energybulle9n.net/37329.html ¡
The Challenge WHERE DOES OUR ENERGY COME FROM? 21% COAL 37% OIL 25% NATURAL GAS 8% 9% RENEWABLE NUCLEAR ¡
The Challenge CAN WE SUSTAIN OUR LIFESTYLE? • Climate ¡change ¡ • Energy ¡security ¡ • Limited ¡resources ¡ • Sustainability ¡
THE VISION THE VISION
The Vision FUEL ENERGY MATERIALS RENEWABLES ECONOMY ¡ NATURAL GAS Clean ¡unlimited ¡supply ¡ ECONOMY ¡ Cleaner ¡300 ¡year ¡ Supply ¡in ¡the ¡US ¡ OIL ECONOMY ¡ Limited ¡ insecure ¡
The Vision SCRIPPS & NextEra A ¡partnership ¡to ¡take ¡on ¡global ¡ energy ¡challenges. ¡
THE SOLUTION THE SOLUTION
The Vision A RELEVANT POINT “The ¡ significant ¡ problems ¡ we ¡ face ¡ can ¡not ¡be ¡solved ¡at ¡the ¡same ¡level ¡ of ¡ thinking ¡ we ¡ were ¡ at ¡ when ¡ we ¡ created ¡them.” ¡ ¡ - Albert Einstein
The Solution THE REAL CULPRIT “...we ¡are ¡failing ¡to ¡understand ¡why ¡we ¡are ¡failing. ¡All ¡of ¡these ¡problems ¡have ¡a ¡single, ¡ liNle ¡no9ced ¡root ¡cause: ¡We ¡have ¡been ¡living ¡off ¡low-‑hanging ¡fruit ¡(Technology) ¡for ¡at ¡ least ¡three ¡hundred ¡years. ¡We ¡have ¡built ¡social ¡and ¡economic ¡ins9tu9ons ¡on ¡the ¡ expecta9on ¡of ¡a ¡lot ¡of ¡low-‑hanging ¡fruit, ¡but ¡that ¡fruit ¡is ¡mostly ¡gone.” ¡ ¡
The Solution NEED NEW NATURAL GAS TECHNOLOGY TODAY TOMORROW Heat ¡It ¡and ¡Beat ¡It ¡ Cool ¡Chemistry ¡ Too ¡expensive ¡and ¡complex ¡ Low ¡cost ¡and ¡simple ¡ NOT POSSIBLE TODAY WHY?
The Solution CHALLENGE: METHANE IS VERY STABLE No ¡chemistry ¡to ¡break ¡strong ¡ ¡ C-‑H ¡bond ¡at ¡lower ¡temperatures ¡ H ¡ C ¡ H ¡ H ¡ ~200 o C ¡ H ¡ ~1000 o C ¡ TODAY TODAY TOM TOMORROW ORROW H H O C H H ¡ METHANOL : weak ¡bonds ¡ “OIL OF THE FUTURE”
The Solution NEXT GENERATION ENERGY STORAGE Must ¡store ¡energy ¡during ¡peak ¡produc9on ¡9mes ¡ RENEWABLES WHY? STORAGE THE MISSING LINK
The Solution NEED NEW BATTERY STORAGE TECHONOLOGY EN ENERG ERGY D Y DEN ENSITY TY SUBSTANCE CE (MJ/L) (M LiBH 4 ¡ 43.4 ¡ Gasoline ¡ 34.8 ¡ 17 ¡miles ¡ Li ion batteries Liquid ¡Hydrogen ¡ 8 ¡ Li ¡Ion ¡BaNery ¡ 2 ¡ 300 ¡miles ¡ Gasoline CHEAPER SMALLER RELIABLE SAFE 370 ¡miles ¡ NOT POSSIBLE TODAY WHY? Next Generation LiBH 4 batteries
The Solution CHALLENGE: BORAX IS VERY STABLE O ¡ H ¡ O ¡ O ¡ AIR (O 2 ) + BORAX Strong ¡B-‑O ¡bonds ¡ NOT POSSIBLE TODAY -‑ ¡ H ¡ H ¡ B ¡ -‑ ¡ O ¡ O ¡ O ¡ B ¡ H ¡ H ¡ H ¡ H ¡ H ¡ No ¡chemistry ¡to ¡break ¡strong ¡ ¡ BH 4 ¡ :“fuel” ¡ B-‑O ¡bonds ¡at ¡low ¡temperatures ¡ Weak ¡B-‑H ¡bonds ¡
The Solution WHY LIBH 4 & BORAX? NEXT GENERATION BATTERY ¡ High ¡energy ¡weak ¡bonds ¡ H ¡ -‑ ¡ B ¡ H ¡ H ¡ H ¡ ≈ RENEWABLES H ¡ O ¡ -‑ ¡ H ¡ B ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H ¡ H ¡ BORAX ¡ Low ¡energy ¡strong ¡bonds ¡
The Solution CHEMISTRY OF STRONG BONDS: BROAD APPLICABILITY H ¡ H ¡ H ¡ NATURAL GAS ECONOMY O ¡ C ¡ H ¡ Weak ¡ C ¡ H ¡ C-‑H ¡ H ¡ bonds ¡ H ¡ METHANE H ¡ CORE SCIENCE Strong ¡C-‑H ¡bonds ¡ OF SEMC H ¡ O ¡ H ¡ -‑ ¡ -‑ ¡ H ¡ B ¡ H ¡ B ¡ H ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H ¡ Weak ¡ H ¡ H ¡ NEW BATTERY STORAGE BORAX B-‑H ¡ TECHONOLOGY Strong ¡B-‑O ¡bonds ¡ bonds ¡
WHAT CH CHEMISTRY TO BREAK BREAK S STRONG TRONG BOND BONDS AT LOW TEM AT LOW TEMPERATURES ERATURES? ?
The Solution CURRENT CHEMISTRY: HIGH TEMPERATURE TO BREAK STRONG BONDS MIXTURE OF PRODUCTS STARTING “TRANSITION” VERY REACTIVE MATERIALS STATE SPECIES H 3 C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H 3 C ¡ H 3 C ¡ H ¡ H 3 C ¡ H ¡ H 3 C ¡ H 3 C ¡ H ¡ O ¡ H 3 C ¡ Strong ¡force ¡ Free ¡atoms ¡and ¡ Vibrate ¡atoms ¡with ¡heat ¡ ¡ O ¡ H ¡ between ¡atoms ¡ fragments ¡ to ¡overcome ¡force ¡ (bonds) ¡ O ¡ O ¡ CO 2 + H 2 O
The Solution CATALYSIS TO THE RESCUE STARTING “TRANSITION” STABLE MATERIALS STATE INTERMEDIATE STATE O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ PRODUCTS H 3 C ¡ O ¡ H ¡ H ¡ H 3 C ¡ H 3 C ¡ H ¡ H 3 C ¡ H ¡ Catalysis-‑person ¡ Lower ¡temperatures ¡ Control ¡fragments ¡
The Solution THE MAGIC OF CATALYSIS
The Solution CHEMISTRY OF STRONG BONDS: BROAD APPLICABILITY H ¡ LOWER TEMPERATURE H ¡ H ¡ CHEMISTRY O ¡ C ¡ H ¡ Weak ¡ H ¡ C ¡ C-‑H ¡ H ¡ bonds ¡ METHANE H ¡ H ¡ Strong ¡C-‑H ¡bonds ¡ H ¡ O ¡ CORE SCIENCE OF SEMC: H ¡ CATALYST DESINGED FOR STRONG BONDS -‑ ¡ -‑ ¡ H ¡ B ¡ B ¡ H ¡ O ¡ O ¡ H ¡ O ¡ H ¡ H ¡ Weak ¡ H ¡ NEW BATTERY STORAGE BORAX B-‑H ¡ TECHONOLOGY Strong ¡B-‑O ¡bonds ¡ bonds ¡
The Solution THE CHEMISTRY OF STRONG BONDS IS GAME CHANGING Technological ¡leadership ¡ • ¡ Reduced ¡dependence ¡on ¡oil ¡ • Borax ¡(B 2 O 3 ) ¡ ¡ Carbon ¡Dioxide ¡(CO 2 ) ¡ Sustainability ¡ • ¡ Cleaner ¡planet ¡ • ¡ Energy ¡security ¡ • ¡ Water ¡(H 2 O) ¡ New ¡economy ¡ Methane ¡(CH 4 ) ¡ • ¡ Jobs ¡ • ¡ Oxygen ¡(O 2 ) ¡ Mi9gate ¡climate ¡change ¡ • Nitrogen ¡(N 2 ) ¡ ¡ Global ¡leaders ¡ •
CU CURRENT STATUS
Current Status MOST ACTIVE CATALYST KNOWN TODAY H C H H H NOT FAST ENOUGH HOW TO REDUCE THE TIME TO MAKE IT? First ¡efficient ¡system ¡aher ¡~40 ¡years ¡of ¡ • research ¡by ¡community ¡ ¡ ¡ ¡ 5 ¡years ¡of ¡research ¡with ¡~2.5 ¡people ¡ •
Current Status METHANE TO METHANOL in ¡an ¡undergraduate ¡lab ¡
Current Status EARLY APPLICATION: ASSOCIATED GAS 25% ¡of ¡US ¡needs ¡flared ¡ • each ¡year ¡ ¡ Current ¡technology ¡ ¡ • cannot ¡be ¡use ¡ Need ¡a ¡small ¡compact ¡unit ¡ • ¡ Working ¡with ¡engineering ¡ • firm ¡in ¡Florida ¡to ¡secure ¡ investment ¡to ¡build ¡ prototype ¡
Current Status EARLY APPLICATIONS CAN DRIVE BATTERY RESEARCH
NE NEXT STE XT STEPS PS
Next Steps BREAKTHROUGH CHEMISTRY The ¡chemistry ¡of ¡strong ¡bonds ¡is ¡game ¡changing ¡ • Technological ¡leadership ¡ Borax ¡(B 2 O 3 ) ¡ ¡ Carbon ¡Dioxide ¡(CO 2 ) ¡ • Reduced ¡dependence ¡on ¡oil ¡ ¡ • Sustainability ¡ ¡ • Cleaner ¡planet ¡ ¡ Water ¡(H 2 O) ¡ Methane ¡(CH 4 ) ¡ • Energy ¡security ¡ ¡ • New ¡economy ¡ ¡ Oxygen ¡(O 2 ) ¡ Nitrogen ¡(N 2 ) ¡ • Jobs ¡ ¡ • Mi9gate ¡climate ¡change ¡ ¡ • Global ¡leaders ¡
Next Steps CATALYST DESIGN CANNOT BE EMPIRICAL
Next Steps KNOWLEDGE GUIDES WORK Scien9fic ¡progress ¡follows ¡“S-‑curve” ¡ GOALS Wrong ¡ Aromatization Halogenation CH Activation g ¡ o n r W High valent metal oxides OsO 4 , RuO n Methane mono-oxygenase Metal oxides MoO n , VPO n Oxidative coupling Need ¡Accurate ¡fundamental ¡knowledge ¡to ¡ know ¡when ¡to ¡“Move ¡to ¡New ¡Learning ¡Curve” ¡ Powerful oxidants Sacrificial reductants (CO, H 2 ) S 2 O 8 2- , H 2 O 2 Super-acids H+, O + , I + Many ¡approaches ¡but ¡ ¡ few ¡that ¡provide ¡solu9on ¡
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