Pretvori ogljikov dioksid in sončna svetloba v tekočih gorivih To ni več le eksotična laboratorijska ideja. V zadnjih letih je več evropskih in azijskih raziskovalnih skupin sprejelo odločne ukrepe za zagotovitev, da bodo nekatera goriva prihodnosti pridobljena iz CO₂, ki trenutno velja za odpadni produkt.
V Španiji je projekt, ki ga je vodil Javna univerza v Navarri Tesno sodeluje s tehnološkimi centri in podjetji pri oblikovanju naprav, ki proizvajajo obnovljiva sintetična goriva iz vode in CO₂Medtem se v drugih državah izpopolnjujejo umetni sistemi fotosinteze, ki bi jih lahko vključili v te proizvodne verige, kar ustvarja sliko, v kateri "izdelava goriva iz zraka" ne zveni več kot znanstvena fantastika.
Od plošče do goriva: proizvodnja goriv s soncem, vodo in CO₂ v Španiji
Projekt Od plošče do goriva, ki ga promovira Javna univerza v Navarri (UPNA) prek inštituta INAMAT², Tehnološki center Lurederra in podjetje Strojništvo Navarra (INM)Namen je pokazati, da je mogoče proizvajajo sintetična goriva izključno z uporabo obnovljivih virov: sončno sevanje, voda in CO₂, zajeti iz zraka.
Osrednja ideja je zamenjava dela tekoča goriva, pridobljena iz nafte z alternativami, ki so združljive s trenutnimi motorji, vendar ustvarjene s procesi, ki ne povečujejo CO₂ v ozračju. V ta namen je predlagan cikel, v katerem CO₂ se zajema iz zraka, zeleni vodik pa se pridobiva z uporabo sončne svetlobe. in oboje se združi v sintetična goriva, uporabna v prometu.
Ta pristop si prizadeva obravnavati enega glavnih podnebnih izzivov: razogljičenje sektorjev, ki jih je težko elektrificirati, kot so težki cestni promet, pomorski ali letalski promet, kjer neposredna zamenjava z baterijami ni vedno tehnično ali ekonomsko izvedljiva.
Projekt ni omejen le na kemični razvoj, temveč vključuje tudi ekonomske in okoljske analize ugotoviti, ali lahko postopek srednjeročno konkurira tradicionalnim fosilnim gorivom in drugim obnovljivim alternativam, ki so že na trgu.
Fotokatalitska plošča, ki posnema rastline
V središču programa Panel-to-Fuel leži fotokatalitska plošča ki deluje drugače kot običajna fotovoltaična plošča. Namesto proizvodnje električne energije ta naprava uporablja sončno svetlobo za ločijo molekule vode in proizvedejo vodikbrez potrebe po uporabi energije iz omrežja.
UPNA modeli reaktorji, izdelani s 3D-tiskanjemz geometrijami, zasnovanimi tako, da aktivne materiale optimalno izpostavijo sončnemu sevanju. Cilj je boljša porazdelitev svetlobe po površini, kjer poteka reakcija, s čimer se poveča količina vodika, ki ga je mogoče pridobiti iz vode.
Tehnološki center Lurederra s svoje strani prispeva nanomateriali, ki lahko z visoko učinkovitostjo ujamejo in izkoristijo sončno svetloboTe spojine delujejo kot fotokatalizatorji, torej sprožijo in pospešijo kemijske reakcije, ko prejmejo fotone, podobno kot to počnejo pigmenti v rastlinskih listih med naravno fotosintezo.
Za to skrbi podjetje Ingeniería Navarra Mecánica inženiring prvega integriranega prototipa, demonstracijsko enoto, ki bo v enem sistemu združila proizvodnjo vodika, zajemanje CO₂ in poznejšo sintezo obnovljivih goriv.
Vzporedno z razvojem te opreme konzorcij dela na adsorbentni materiali za zajemanje CO₂ iz zraka, ki lahko ta plin zadržijo na svoji površini in ga nato nadzorovano sprostijo, da ga vnesejo v reakcije pretvorbe.
Od CO₂ in vodika do tekočih goriv: metanol in Fischer-Tropschova reakcija
Ko enkrat zeleni vodik in zajeti CO₂Naslednja faza je njihova pretvorba v molekule, ki jih je mogoče uporabiti kot tekoče gorivo. Ekipa, ki jo vodita Luis Gandía Pascual in Fernando Bimbela Serrano, analizira dve glavni poti da ga dosežemo
Prva letovišča za metanol kot vmesni korakV tem primeru CO₂ reagira z vodikom in tvori metanol, molekulo, ki jo je mogoče pretvoriti v bolj kompleksna goriva ali neposredno uporabiti v nekaterih industrijskih in energetskih aplikacijah.
Druga pot temelji na prilagojeni različici postopka Fischer-Tropschdobro znana tehnologija, ki omogoča pretvorbo mešanic ogljikovega monoksida in vodika v tekoči ogljikovodiki, podobni konvencionalnim gorivomKljučno je prilagoditi pogoje in katalizatorje, da se začne s CO₂ in pridobijo ustrezne plinske mešanice za gorivo tega procesa.
Konzorcij primerja obe možnosti, da ugotovi katera pot se najbolje ujema s celotno verigoUpoštevajoč energetsko učinkovitost, obratovalne stroške, tehnično zahtevnost in integracijo z modulom za zajemanje CO₂ in fotokatalitsko ploščo za proizvodnjo vodika.
Po besedah raziskovalca Fernanda Bimbele, vodje skupine QuiProVal pri UPNA, so razviti prototipi že omogočili Pridobivanje sončnega metana iz CO₂ in zelenega vodikain potekajo dela za povečanje uporabe ogljikovodikov z večjim številom atomov ogljika, bližje tekočim gorivom, ki se uporabljajo vsakodnevno.
Ukrivljena oblika, modularni sistem in evropska podpora
Eden od značilnih elementov programa Panel-to-Fuel je razvoj reaktor z ukrivljeno zasnovo Ta zasnova koncentrira sončno sevanje natančno na območju, kjer potekajo najpomembnejše kemične reakcije. Ta geometrija omogoča boljšo izrabo sončne svetlobe in toplote, kar povečuje učinkovitost sistema.
Končni cilj je imeti modularna montaža, sposobna neprekinjenega in stabilnega delovanjahkrati opravljati tri naloge: proizvodnjo vodika, zajemanje CO₂ iz zraka in njegovo pretvorbo v sintetična goriva. Modularnost bi olajšala prilagajanje proizvodnih zmogljivosti različnim okoljem, od pilotnih obratov v bližini raziskovalnih centrov do večjih obratov v bližini industrijskih ali logističnih sektorjev.
Poleg tehnične zasnove projekt vključuje tudi študije ekonomske izvedljivosti in vplivov na okoljebistveno je oceniti, ali lahko ta sintetična goriva konkurirajo konvencionalnemu dizlu, bencinu ali kerozinu, pa tudi alternativam, kot so električna vozila ali stisnjen vodik.
Funkcije od plošče do goriva financiranje Državne agencije za raziskave, od. \ t Načrt okrevanja, preoblikovanja in odpornosti in iz evropskih sredstev NextGenerationEUkot tudi pomoč, kot je npr. RENOCogenTo krepi vlogo tovrstnih projektov v strategiji razogljičenja in zelene reindustrializacije Španije in Evropske unije.
Ekipa vključuje raziskovalce iz UPNA, kot so Luis Gandía, Fernando Bimbela in Ismael Pellejeroiz Lurederre, kot Cristina Salazar in Carmen Garijo; in iz podjetja Ingeniería Navarra Mecánica, med njimi Uxue LlorenteTo kaže na tesno sodelovanje med univerzo, tehnološkim centrom in poslovnim sektorjem.
Umetna fotosinteza: mednarodni napredek, ki kaže na sončna goriva
Medtem ko v Navarri delajo na integraciji celotnega procesa v enoten modularni sistem, druge mednarodne skupine napredujejo pri dopolnilni komponenti: visokozmogljivi fotonski katalizatorji sposoben pretvoriti CO₂ z uporabo le sončne svetlobe in vode kot glavnih vhodnih snovi.
Nedavni primer prihaja iz ekipe v Kitajska akademija znanosti in s Hongkonške univerze za znanost in tehnologijo, ki je predstavila sistem umetna fotosinteza objavljeno v reviji Nature Communications. Njihov pristop vključuje uporabo materiala, imenovanega Ag/WO₃, s srebrom modificiranega volframovega trioksida, ki deluje kot nekakšen začasno shranjevanje elektronov v katalizatorju.
Ko je ta material osvetljen, lahko shranjevanje in sproščanje elektronov na nadzorovan način, kar je ključnega pomena za učinkovitejše zmanjšanje CO₂. V kombinaciji z molekularnim katalizatorjem na osnovi kobalta kobaltov ftalocianinSistem uspe pretvoriti CO₂ in vodo v ogljikov monoksid s hitrostjo, ki je precej večja od prejšnjih konfiguracij.
V laboratorijskih pogojih so ravni proizvodnje v vrstnem redu 1,5 milimola ogljikovega monoksida na gram katalizatorja na uropribližno stokrat več kot isti kobaltov katalizator brez "rezervoarja naboja", ki ga zagotavlja Ag/WO₃. Čeprav je izboljšanje učinkovitosti še vedno v majhnem obsegu, je znanstveno pomembno.
Da ogljikov monoksid ni gorivo, ki bi bilo pripravljeno za uporabo v rezervoarju, vendar predstavlja enega od osnovni kemični gradniki za proizvodnjo sintetičnih goriv, po že znanih industrijskih poteh, kot je sinteza plina (singas), ki ji sledijo postopki tipa Fischer-Tropsch, natanko po isti logiki, ki se raziskuje v projektih, kot je Panel-to-Fuel.
Čistejša zasnova: voda kot vir elektronov
Ena od pogostih težav pri mnogih shemah umetne fotosinteze je potreba po uporabi potrošni materialiDodatne snovi olajšajo reakcijo, vendar se porabljajo in ustvarjajo odpadke. Kitajska zasnova poskuša premagati to omejitev z uporabo voda kot vir elektronov, pristop, ki je bližje delovanju pravega lista.
V naravi molekule, kot je plastokinon, za kratek čas shranijo elektrone za koordinacijo več fotokemijskih reakcij hkratiNavdihnjen s tem vedenjem, sistem Ag/WO₃ omogoča volframu, da spremeni svoje oksidacijsko stanje s sprejemanjem in oddajanjem elektronov, tako da ima katalizator, ki reducira CO₂, na voljo več naboja dlje časa.
Ta mehanizem občasno shranjevanje naboja Zmanjšuje izgube in izboljšuje splošno učinkovitost procesa, kar je bistveno, če želimo, da se ti sistemi premaknejo iz laboratorija v praktično uporabo, kjer so stroški na kilogram izdelka ključnega pomena.
Zanimivo je, da naprava ne deluje le pod nadzorovano umetno osvetlitvijo, temveč je bila preizkušena tudi z naravna sončna svetlobahkrati pa ohranja svojo sposobnost pretvorbe CO₂ v ogljikov monoksid. Ta podrobnost nakazuje, da bi tehnologijo lahko integrirali v reaktorji, ki jih napajajo neposredno obnovljivi viri energije, brez nujne uporabe električnega omrežja.
Z vidika načrtovanja materialov se strategija Ag/WO₃ predstavlja kot relativno vsestranski pristop, saj bi se lahko ista podpora kombinirala z različni specifični katalizatorji odvisno od želenega končnega izdelka, kar odpira vrata širši paleti goriv in kemičnih spojin sončnega izvora.
Vpliv podnebja, izzivi in usklajenost z evropskimi politikami
La posibilidad de s pomočjo sončne svetlobe pretvorijo CO₂ v sintetična goriva Popolnoma se ujema z evropskimi strategijami za razogljičenje, vendar bo njegov dejanski prispevek odvisen od celotnega življenjskega cikla. Da bi bila ta goriva podnebno nevtralna, mora uporabljeni CO₂ izvirati iz zajeti virine glede na to, ali gre za industrijske emisije ali neposredno iz zraka, in celoten proces mora biti oskrbovan z obnovljive energije.
Tudi če so ti pogoji izpolnjeni, strokovnjaki poudarjajo, da Splošna učinkovitost je še daleč od idealne.Vsaka faza – zajemanje CO₂, proizvodnja vodika, pretvorba v tekoča goriva, shranjevanje in distribucija – vključuje izgube energije, ki se odražajo v ekonomskih stroških in potrebi po večjih nameščenih obnovljivih zmogljivostih.
Kljub temu bi lahko ta sončna goriva igrala pomembno vlogo v tistih sektorjih, kjer Ni enostavno neposredno elektrificirati ali kratkoročno zamenjati obstoječe motorje in infrastrukturo. Letalstvo, pomorski promet in nekatere težke industrije se vedno znova pojavljajo na tem seznamu »težko zmanjšanih«.
Z vidika energetske politike se pojavljajo tudi zelo praktična vprašanja: Koliko bo stal liter te vrste goriva? Kako bo v primerjavi s tradicionalnim dizelskim gorivom ali bencinom integriran v obstoječe rafinerije in omrežja ter kakšno raven podpore bodo te tehnologije prejele v primerjavi z drugimi možnostmi, kot so električna vozila ali vodik za gorivne celice?
V Evropi je kombinacija projektov, kot je Panel-to-Fuel, z mednarodni napredek en umetna fotosinteza in novi katalizatorji To kaže na scenarij, v katerem se CO₂ ne obravnava več zgolj kot problem, temveč delno kot vir. Ker se podnebje segreva in cene goriv nihajo, se razvoj obnovljiva sintetična goriva na osnovi sončne svetlobe in CO₂ Pojavlja se kot dopolnilni način, da se industrija in okolje začneta premikati v isto smer.