CL CLEAN ENERGY IS POSSIBLE How Scripps and NextEra Collaborate - - PowerPoint PPT Presentation

How ¡Scripps ¡and ¡NextEra ¡Collaborate ¡to ¡Make ¡it ¡Prac9cal ¡and ¡Plen9ful ¡

¡

CL CLEAN ENERGY IS POSSIBLE

Front Lines of Hope

An intro An introduction t duction to

• 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

• THE TEAM
• DR. BRIAN HASHIGUCHI

University ¡of ¡Wisconsin, ¡ Ph.D. ¡

• PROF. DANIEL ESS

Brigham ¡Young ¡University ¡

• MR. STEVEN BISCHOF

TSRI ¡

• DR. MIKE KONNICK

University ¡of ¡Wisconsin, ¡ Ph.D. ¡

THE CH CHALLENGE

ENERGY SECURITY

The Challenge

Source: ¡hNp://www.energybulle9n.net/37329.html ¡

The Challenge

WHERE DOES OUR ENERGY COME FROM?

21% COAL 25% NATURAL GAS 9% NUCLEAR 8% 37% OIL RENEWABLE

¡

The Challenge

CAN WE SUSTAIN OUR LIFESTYLE?

• Climate ¡change ¡
• Energy ¡security ¡
• Limited ¡resources ¡
• Sustainability ¡

THE VISION THE VISION

OIL ECONOMY ¡ NATURAL GAS ECONOMY ¡ RENEWABLES ECONOMY ¡

The Vision

Clean ¡unlimited ¡supply ¡

FUEL ENERGY MATERIALS

Cleaner ¡300 ¡year ¡ Supply ¡in ¡the ¡US ¡ Limited ¡ insecure ¡

The Vision

SCRIPPS & NextEra

A ¡partnership ¡to ¡take ¡on ¡global ¡ energy ¡challenges. ¡

THE SOLUTION THE SOLUTION

A RELEVANT POINT

The Vision

“The ¡ significant ¡ problems ¡ we ¡ face ¡ can ¡not ¡be ¡solved ¡at ¡the ¡same ¡level ¡

• f ¡ thinking ¡ we ¡ were ¡ at ¡ when ¡ we ¡

created ¡them.” ¡ ¡

• Albert Einstein

THE REAL CULPRIT

The Solution

“...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.” ¡ ¡

NEED NEW NATURAL GAS TECHNOLOGY

The Solution TODAY TOMORROW

Heat ¡It ¡and ¡Beat ¡It ¡ Cool ¡Chemistry ¡ Too ¡expensive ¡and ¡complex ¡ Low ¡cost ¡and ¡simple ¡ NOT POSSIBLE TODAY WHY?

C ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

~200oC ¡

TOM TOMORROW ORROW

~1000oC ¡

TODAY TODAY

METHANOL : weak ¡bonds ¡ C

H H

O

H

H ¡

CHALLENGE: METHANE IS VERY STABLE

The Solution

“OIL OF THE FUTURE”

No ¡chemistry ¡to ¡break ¡strong ¡ ¡ C-­‑H ¡bond ¡at ¡lower ¡temperatures ¡

NEXT GENERATION ENERGY STORAGE

The Solution

Must ¡store ¡energy ¡during ¡peak ¡produc9on ¡9mes ¡

RENEWABLES STORAGE THE MISSING LINK

WHY?

NEED NEW BATTERY STORAGE TECHONOLOGY

The Solution

Li ion batteries Next Generation LiBH4 batteries 17 ¡miles ¡ 370 ¡miles ¡ Gasoline 300 ¡miles ¡ SUBSTANCE CE EN ENERG ERGY D Y DEN ENSITY TY (M (MJ/L) LiBH4 ¡ 43.4 ¡ Gasoline ¡ 34.8 ¡ Liquid ¡Hydrogen ¡ 8 ¡ Li ¡Ion ¡BaNery ¡ 2 ¡

NOT POSSIBLE TODAY WHY? CHEAPER SMALLER RELIABLE SAFE

CHALLENGE: BORAX IS VERY STABLE

The Solution

NOT POSSIBLE TODAY

• ­‑ ¡

B ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

B ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

• ­‑ ¡

Strong ¡B-­‑O ¡bonds ¡ Weak ¡B-­‑H ¡bonds ¡

O ¡ O ¡ BH4

¡:“fuel” ¡

AIR (O2)

+

BORAX

No ¡chemistry ¡to ¡break ¡strong ¡ ¡ B-­‑O ¡bonds ¡at ¡low ¡temperatures ¡

WHY LIBH4 & BORAX?

The Solution

RENEWABLES B ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

• ­‑ ¡
• ­‑ ¡

B ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

BORAX ¡

High ¡energy ¡weak ¡bonds ¡

NEXT GENERATION BATTERY ¡

Low ¡energy ¡strong ¡bonds ¡

≈

CHEMISTRY OF STRONG BONDS: BROAD APPLICABILITY The Solution

• ­‑ ¡

B ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H ¡ H ¡ H ¡

H ¡

B ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

• ­‑ ¡

C ¡ H ¡ H ¡ H ¡ H ¡ C ¡ H ¡ H ¡ H ¡ O ¡ H ¡

NATURAL GAS ECONOMY NEW BATTERY STORAGE TECHONOLOGY Strong ¡B-­‑O ¡bonds ¡ BORAX Strong ¡C-­‑H ¡bonds ¡ METHANE Weak ¡ C-­‑H ¡ bonds ¡ Weak ¡ B-­‑H ¡ bonds ¡

CORE SCIENCE OF SEMC

WHAT CH CHEMISTRY TO BREAK BREAK S STRONG TRONG BOND BONDS AT LOW TEM AT LOW TEMPERATURES ERATURES? ?

CURRENT CHEMISTRY: HIGH TEMPERATURE TO BREAK STRONG BONDS

The Solution

“TRANSITION” STATE VERY REACTIVE SPECIES MIXTURE OF PRODUCTS STARTING MATERIALS

Strong ¡force ¡ between ¡atoms ¡ (bonds) ¡ Vibrate ¡atoms ¡with ¡heat ¡ ¡ to ¡overcome ¡force ¡ Free ¡atoms ¡and ¡ fragments ¡

O ¡ O ¡ H3C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ H3C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ H3C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H ¡ H ¡ H3C ¡ H3C ¡ H3C ¡ CO2 + H2O O ¡ H3C ¡

H3C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ H3C ¡

CATALYSIS TO THE RESCUE

The Solution

“TRANSITION” STATE STABLE INTERMEDIATE STATE PRODUCTS STARTING MATERIALS

Catalysis-­‑person ¡ Lower ¡temperatures ¡ Control ¡fragments ¡

O ¡ O ¡ H3C ¡ H ¡ O ¡ O ¡ H ¡ H ¡ H3C ¡ O ¡

THE MAGIC OF CATALYSIS

The Solution

CHEMISTRY OF STRONG BONDS: BROAD APPLICABILITY

The Solution

• ­‑ ¡

B ¡ O ¡ O ¡ O ¡ O ¡ H ¡ H ¡ H ¡

H ¡

B ¡

H ¡ H ¡ H ¡ H ¡

• ­‑ ¡

C ¡ H ¡ H ¡ H ¡ H ¡ C ¡ H ¡ H ¡ H ¡ O ¡ H ¡

LOWER TEMPERATURE CHEMISTRY NEW BATTERY STORAGE TECHONOLOGY Strong ¡B-­‑O ¡bonds ¡ BORAX Strong ¡C-­‑H ¡bonds ¡ METHANE Weak ¡ C-­‑H ¡ bonds ¡ Weak ¡ B-­‑H ¡ bonds ¡ CORE SCIENCE OF SEMC: CATALYST DESINGED FOR STRONG BONDS

THE CHEMISTRY OF STRONG BONDS IS GAME CHANGING

The Solution

• Technological ¡leadership ¡

¡

• Reduced ¡dependence ¡on ¡oil ¡

¡

• Sustainability ¡

¡

• Cleaner ¡planet ¡

¡

• Energy ¡security ¡

¡

• New ¡economy ¡

¡

• Jobs ¡

¡

• Mi9gate ¡climate ¡change ¡

¡

• Global ¡leaders ¡

Methane ¡(CH4) ¡ Water ¡(H2O) ¡ Nitrogen ¡(N2) ¡ Carbon ¡Dioxide ¡(CO2) ¡ Oxygen ¡(O2) ¡ Borax ¡(B2O3) ¡

CU CURRENT STATUS

MOST ACTIVE CATALYST KNOWN TODAY

Current Status

H H H

C

H

• First ¡efficient ¡system ¡aher ¡~40 ¡years ¡of ¡

research ¡by ¡community ¡ ¡ ¡ ¡

• 5 ¡years ¡of ¡research ¡with ¡~2.5 ¡people ¡

NOT FAST ENOUGH HOW TO REDUCE THE TIME TO MAKE IT?

METHANE TO METHANOL

Current Status

in ¡an ¡undergraduate ¡lab ¡

EARLY APPLICATION: ASSOCIATED GAS

Current Status

• 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 ¡

EARLY APPLICATIONS CAN DRIVE BATTERY RESEARCH

Current Status

NE NEXT STE XT STEPS PS

BREAKTHROUGH CHEMISTRY

Next Steps

The ¡chemistry ¡of ¡strong ¡bonds ¡is ¡game ¡changing ¡

• Technological ¡leadership ¡

¡

• Reduced ¡dependence ¡on ¡oil ¡

¡

• Sustainability ¡

¡

• Cleaner ¡planet ¡

¡

• Energy ¡security ¡

¡

• New ¡economy ¡

¡

• Jobs ¡

¡

• Mi9gate ¡climate ¡change ¡

¡

• Global ¡leaders ¡

Methane ¡(CH4) ¡ Water ¡(H2O) ¡ Nitrogen ¡(N2) ¡ Carbon ¡Dioxide ¡(CO2) ¡ Oxygen ¡(O2) ¡ Borax ¡(B2O3) ¡

CATALYST DESIGN CANNOT BE EMPIRICAL

Next Steps

KNOWLEDGE GUIDES WORK

Next Steps

GOALS

Need ¡Accurate ¡fundamental ¡knowledge ¡to ¡ know ¡when ¡to ¡“Move ¡to ¡New ¡Learning ¡Curve” ¡

W r

• n

g ¡ Wrong ¡ Many ¡approaches ¡but ¡ ¡ few ¡that ¡provide ¡solu9on ¡

Halogenation Methane mono-oxygenase Metal oxides MoOn, VPOn Powerful oxidants S2O8

2-, H2O2

Sacrificial reductants (CO, H2) High valent metal oxides OsO4, RuOn Super-acids H+, O+, I+ Aromatization Oxidative coupling CH Activation

Scien9fic ¡progress ¡follows ¡“S-­‑curve” ¡

• Integrate ¡mechanis9c ¡knowledge ¡with ¡

Combinatorial ¡Computa9on ¡ ¡

• Speed ¡up ¡and ¡Reduce ¡Costs ¡for ¡lead ¡

Iden9fica9on ¡and ¡Op9miza9on ¡

Experimental ¡ Mechanis9c ¡ model ¡

Catalyst ¡ Tes9ng ¡ Catalyst ¡ Synthesis ¡ ¡ Molecular ¡Design ¡ aided ¡by ¡rapid ¡ Quantum ¡ Chemistry ¡

INTEGRATION OF THEORY & EXPERIMENT

Next Steps

This ¡can ¡reduce ¡research ¡9me ¡by ¡50%. ¡

CONCEPTUAL DESIGNS

Next Steps

STILL NEED TO MAKE “STUFF”

Next Steps

Person-­‑power ¡intensive ¡

EXAMPLE OF NEW CATALYST DESIGN

Next Steps

• Labor ¡intensive ¡
• Can ¡take ¡6 ¡people-­‑months ¡to ¡

make! ¡

Assay ¡Development ¡ Compound ¡Library ¡ Screening ¡ System ¡ Hit-­‑picker ¡ Confirma9on ¡ Hit ¡profiling ¡

USE ROBOTICS TO SCREEN

Next Steps

Robo9cs ¡System ¡

Automated ¡ ¡ Worksta9ons ¡ Fully ¡ Automated ¡ Hit ¡Picker ¡

• Integrated ¡compound ¡

storage ¡

• Primary ¡screening ¡system ¡
• Follow–up ¡screening ¡system ¡

KEYS TO SUCCESS

Next Steps

• Molecular ¡catalysis ¡new ¡approach: ¡NEW ¡approach ¡to ¡FUELS, ¡ENERGY, ¡ ¡& ¡MATERIALS ¡

¡

• Focus ¡on ¡all ¡strong ¡bonds ¡
• “Cri9cal ¡Mass” ¡and ¡sustained ¡effort ¡by ¡best ¡minds ¡in ¡one ¡building ¡
• Mul9disciplinary ¡approach ¡
• Leverage ¡by ¡combina9on ¡of ¡Industry, ¡Government ¡and ¡philanthropy ¡
• Entrepreneurial ¡culture ¡
• Focus ¡on ¡solu9ons ¡as ¡opposed ¡to ¡only ¡study ¡

SCRIPPS & NextEra

Next Steps

A partnership to take on global energy challenges.

The world’s first center dedicated to chemistry

• f all strong bonds.

TECHNOLOGICAL ROAD MAP

Next Steps

High ¡Temperatures ¡technologies ¡ Petroleum ¡based ¡economy ¡ Insecurity ¡ ¡ Climate ¡Change ¡ Unsustainable ¡ No ¡technological ¡advantages ¡ Lower ¡temperatures ¡technologies ¡ Natural ¡gas ¡economy ¡ Energy ¡Security ¡ Reduce ¡CO2 ¡ ¡ Mi9gate ¡Climate ¡change ¡ More ¡sustainable ¡ Technological ¡advantages ¡ ¡ Next ¡Genera9on ¡technologies ¡ Clean ¡electricity ¡economy ¡ Energy ¡independence ¡ No ¡CO2 ¡ Sustainable ¡ Technology ¡leader ¡

TODAY TOMORROW LONG TERM

emissions ¡

¡

Excess ¡CO2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡