Konvertovať oxid uhličitý a slnečné svetlo v kvapalných palivách Už to nie je len exotický laboratórny nápad. V posledných rokoch niekoľko európskych a ázijských výskumných tímov podniklo pevné kroky k tomu, aby niektoré palivá budúcnosti pochádzali z CO₂, ktorý sa v súčasnosti považuje za odpadový produkt.
V Španielsku projekt vedený Verejná univerzita v Navarre Úzko spolupracuje s technologickými centrami a spoločnosťami na navrhovaní zariadení, ktoré produkujú obnoviteľné syntetické palivá z vody a CO₂Medzitým sa v iných krajinách zdokonaľujú umelé systémy fotosyntézy, ktoré by sa dali integrovať do týchto výrobných reťazcov, čím sa vytvára obraz, v ktorom „výroba paliva zo vzduchu“ už neznie ako sci-fi.
Panel-to-Fuel: výroba palív so slnkom, vodou a CO₂ v Španielsku
Projekt Z panelu na palivo, ktorú propaguje Verejná univerzita v Navarre (UPNA) prostredníctvom inštitútu INAMAT², Technologické centrum Lurederra a spoločnosť Strojárstvo v Navarre (INM)Jeho cieľom je ukázať, že je to možné vyrábajú syntetické palivá iba s použitím obnoviteľné zdroje: slnečné žiarenie, voda a CO₂ zachytené zo vzduchu.
Hlavnou myšlienkou je nahradiť časť kvapalné palivá získané z ropy alternatívami kompatibilnými so súčasnými motormi, ale generovanými procesmi, ktoré nezvyšujú emisie CO₂ v atmosfére. Na tento účel sa navrhuje cyklus, v ktorom CO₂ sa zachytáva zo vzduchu a zelený vodík sa získava pomocou slnečného žiarenia. a obe sa kombinujú za vzniku syntetických palív použiteľných v doprave.
Tento prístup sa snaží riešiť jednu z hlavných klimatických výziev: dekarbonizácia sektorov, ktoré je ťažké elektrifikovať, ako je ťažká cestná doprava, námorná alebo letecká doprava, kde priama náhrada batériami nie je vždy technicky alebo ekonomicky uskutočniteľná.
Projekt sa neobmedzuje len na chemický vývoj, ale zahŕňa aj ekonomické a environmentálne analýzy zistiť, či tento proces dokáže v strednodobom horizonte konkurovať tradičným fosílnym palivám a iným obnoviteľným alternatívam, ktoré sú už na trhu.
Fotokatalytický panel, ktorý napodobňuje rastliny
V jadre konceptu Panel-to-Fuel leží fotokatalytický panel ktorý funguje inak ako bežný fotovoltaický panel. Namiesto výroby elektriny toto zariadenie využíva slnečné svetlo na oddeľujú molekuly vody a vytvárajú vodíkbez nutnosti využívať energiu zo siete.
Návrhy UPNA reaktory vyrobené pomocou 3D tlačes geometriami navrhnutými tak, aby optimálne vystavili aktívne materiály slnečnému žiareniu. Cieľom je lepšie rozložiť svetlo po povrchu, kde prebieha reakcia, a tým zvýšiť množstvo vodíka, ktoré je možné získať z vody.
Technologické centrum Lurederra zo svojej strany prispieva nanomateriály schopné zachytávať a využívať slnečné svetlo s vysokou účinnosťouTieto zlúčeniny pôsobia ako fotokatalyzátory, to znamená, že pri prijímaní fotónov spúšťajú a urýchľujú chemické reakcie, podobne ako to robia pigmenty v listoch rastlín počas prirodzenej fotosyntézy.
Spoločnosť Ingeniería Navarra Mecánica má na starosti konštrukcia prvého integrovaného prototypu, demonštračnú jednotku, ktorá v jednom systéme spojí výrobu vodíka, zachytávanie CO₂ a následnú syntézu obnoviteľných palív.
Súbežne s vývojom tohto zariadenia konzorcium pracuje na adsorpčné materiály na zachytávanie CO₂ zo vzduchu, schopné zadržať tento plyn na svojom povrchu a potom ho kontrolovaným spôsobom uvoľniť, aby ho zaviedli do konverzných reakcií.
Od CO₂ a vodíka ku kvapalným palivám: metanol a Fischer-Tropschova reakcia
Keď už máte zelený vodík a zachytený CO₂Ďalšou fázou je ich transformácia na molekuly, ktoré možno použiť ako kvapalné palivo. Tím vedený Luisom Gandíom Pascualom a Fernandom Bimbelom Serranom analyzuje... dve hlavné trasy dosiahnuť to
Prvé strediská metanol ako medzistupeňV tomto prípade CO₂ reaguje s vodíkom za vzniku metanolu, molekuly, ktorá sa následne môže transformovať na zložitejšie palivá alebo priamo použiť v určitých priemyselných a energetických aplikáciách.
Druhá cesta je založená na upravenej verzii procesu Fischer-Tropschznáma technológia, ktorá umožňuje premenu zmesí oxidu uhoľnatého a vodíka na kvapalné uhľovodíky podobné konvenčným palivámKľúčom je upraviť podmienky a katalyzátory tak, aby sa začalo s CO₂ a získali sa vhodné zmesi plynov na pohon tohto procesu.
Konzorcium porovná obe možnosti, aby určilo ktorá cesta najlepšie zapadá do celého reťazcaBerúc do úvahy energetickú účinnosť, prevádzkové náklady, technickú zložitosť a integráciu s modulom zachytávania CO₂ a panelom fotokatalytickej výroby vodíka.
Podľa výskumníka Fernanda Bimbelu, vedúceho skupiny QuiProVal v UPNA, vyvinuté prototypy už umožnili Získanie solárneho metánu z CO₂ a zeleného vodíkaa prebiehajú práce na prechode na uhľovodíky s vyšším počtom atómov uhlíka, bližšie ku kvapalným palivám používaným denne.
Zakrivený dizajn, modulárny systém a európska podpora
Jedným z charakteristických prvkov konceptu Panel-to-Fuel je vývoj reaktor so zakriveným dizajnom Táto konštrukcia sústreďuje slnečné žiarenie presne do oblasti, kde prebiehajú najdôležitejšie chemické reakcie. Táto geometria umožňuje lepšie využitie slnečného žiarenia aj tepla, čím sa zvyšuje účinnosť systému.
Konečným cieľom je mať modulárna zostava schopná nepretržitej a stabilnej prevádzkyvykonávanie troch úloh súčasne: výroba vodíka, zachytávanie CO₂ zo vzduchu a jeho premena na syntetické palivá. Modularita by uľahčila prispôsobenie výrobnej kapacity rôznym prostrediam, od pilotných zariadení v blízkosti výskumných centier až po väčšie závody v blízkosti priemyselných alebo logistických sektorov.
Okrem technického návrhu projekt zahŕňa aj štúdie ekonomickej uskutočniteľnosti a vplyvov na životné prostredieJe nevyhnutné posúdiť, či tieto syntetické palivá dokážu konkurovať konvenčnej nafte, benzínu alebo petroleju, ako aj alternatívam, ako sú elektrické vozidlá alebo stlačený vodík.
Funkcie prepojenia medzi panelom a palivom financovanie zo Štátnej výskumnej agentúry, od Plán obnovy, transformácie a odolnosti a z európskych fondov NextGenerationEUako aj pomoc, ako napr. RENOcogenToto posilňuje úlohu tohto typu projektu v stratégii dekarbonizácie a zelenej reindustrializácie Španielska a Európskej únie.
Tím zahŕňa výskumníkov z UPNA, ako napríklad Luis Gandía, Fernando Bimbela a Ismael Pellejeroz Lurederry, ako Cristina Salazar a Carmen Garijo; a medzi nimi aj od spoločnosti Ingeniería Navarra Mecánica Uxue LlorenteTo demonštruje úzku spoluprácu medzi univerzitou, technologickým centrom a podnikateľským sektorom.
Umelá fotosyntéza: medzinárodný pokrok smerujúci k solárnym palivám
Zatiaľ čo v Navarre pracujú na integrácii celého procesu do jedného modulárneho systému, iné medzinárodné skupiny napredujú v oblasti doplnkovej zložky: vysokovýkonné fotonické katalyzátory schopný transformovať CO₂ iba s použitím slnečného žiarenia a vody ako hlavných vstupov.
Nedávny príklad pochádza z tímu v Čínska akadémia vied a z Hongkonskej univerzity vedy a techniky, ktorá predstavila systém umelá fotosyntéza publikované v časopise Nature Communications. Ich prístup zahŕňa použitie materiálu s názvom Ag/WO₃, čo je striebrom modifikovaný oxid volfrámu, ktorý funguje ako druh dočasné uloženie elektrónov v katalyzátore.
Keď je tento materiál osvetlený, môže ukladať a uvoľňovať elektróny kontrolovaným spôsobom, čo je kľúčom k efektívnejšiemu znižovaniu CO₂. V kombinácii s molekulárnym katalyzátorom na báze kobaltu kobaltový ftalocyanínSystém dokáže premeniť CO₂ a vodu na oxid uhoľnatý s rýchlosťou oveľa vyššou ako v predchádzajúcich konfiguráciách.
V laboratórnych podmienkach sú úrovne produkcie rádovo 1,5 milimólu oxidu uhoľnatého na gram katalyzátora za hodinupribližne stokrát viac ako rovnaký kobaltový katalyzátor bez „rezervoáru náboja“ zabezpečeného Ag/WO₃. Aj keď je toto zlepšenie výkonu stále v malom meradle, je vedecky významné.
Že oxid uhoľnatý nie je palivo pripravené na použitie v nádrži, ale predstavuje jednu z základné chemické stavebné bloky na výrobu syntetických palív, prostredníctvom už známych priemyselných ciest, ako je syntéza plynu (syngas), po ktorej nasledujú procesy typu Fischer-Tropsch, presne rovnaká logika, aká sa skúma v projektoch ako Panel-to-Fuel.
Čistejší dizajn: voda ako zdroj elektrónov
Jedným z bežných problémov mnohých schém umelej fotosyntézy je potreba použiť jednorazové látkyĎalšie látky uľahčujú reakciu, ale spotrebúvajú sa a vytvárajú odpad. Čínsky dizajn sa snaží prekonať toto obmedzenie použitím voda ako zdroj elektrónov, prístup bližší fungovaniu skutočného listu.
V prírode molekuly ako plastochinón krátkodobo ukladajú elektróny na koordináciu niekoľko fotochemických reakcií narazInšpirovaný týmto správaním, systém Ag/WO₃ umožňuje volfrámu meniť svoj oxidačný stav prijímaním a odovzdávaním elektrónov, takže katalyzátor, ktorý redukuje CO₂, má k dispozícii viac náboja po dlhšiu dobu.
Tento mechanizmus prerušované skladovanie náboja Znižuje straty a zlepšuje celkovú účinnosť procesu, čo je nevyhnutné, ak sa tieto systémy majú presunúť z laboratória do praktických aplikácií, kde sú náklady na kilogram produktu kľúčové.
Zaujímavosťou je, že zariadenie funguje nielen pod kontrolovaným umelým osvetlením, ale bolo testované aj s... prirodzené slnečné svetlopričom si zachováva schopnosť transformovať CO₂ na oxid uhoľnatý. Tento detail naznačuje, že technológia by sa mohla integrovať do reaktory napájané priamo z obnoviteľných zdrojov energie, bez nevyhnutného použitia elektrickej siete.
Z hľadiska návrhu materiálov sa stratégia Ag/WO₃ prezentuje ako relatívne všestranný prístup, pretože rovnakú podporu je možné kombinovať s rôzne špecifické katalyzátory v závislosti od požadovaného konečného produktu, čím sa otvárajú dvere širšej škále palív a chemických zlúčenín solárneho pôvodu.
Vplyv klímy, výzvy a zosúladenie s európskymi politikami
Možnosť premieňajú CO₂ na syntetické palivá pomocou slnečného žiarenia Dokonale zapadá do európskych stratégií dekarbonizácie, ale jeho skutočný príspevok bude závisieť od celého životného cyklu. Aby boli tieto palivá klimaticky neutrálne, používaný CO₂ musí pochádzať z zachytené zdroječi už ide o priemyselné emisie alebo priamo zo vzduchu, a celý proces musí byť zásobovaný energie z obnoviteľných zdrojov.
Aj keď sú tieto podmienky splnené, odborníci poukazujú na to, že Celková účinnosť je stále ďaleko od ideálu.Každá fáza – zachytávanie CO₂, výroba vodíka, premena na kvapalné palivá, skladovanie a distribúcia – zahŕňa energetické straty, ktoré sa premietajú do ekonomických nákladov a potreby väčšej inštalovanej kapacity obnoviteľných zdrojov.
Napriek tomu by tieto solárne palivá mohli zohrávať dôležitú úlohu v tých odvetviach, kde Nie je jednoduché priamo elektrifikovať alebo v krátkodobom horizonte nahradiť existujúce motory a infraštruktúru. Letecká doprava, námorná doprava a niektoré druhy ťažkého priemyslu sa opakovane objavujú na tomto zozname „ťažko redukovateľných“ odvetví.
Z hľadiska energetickej politiky vyvstávajú aj veľmi praktické otázky: Koľko bude stáť liter tohto druhu paliva? Ako bude v porovnaní s tradičnou naftou alebo benzínom integrovaný do existujúcich rafinérií a sietí a akú úroveň podpory tieto technológie dostanú v porovnaní s inými možnosťami, ako sú elektrické vozidlá alebo vodík pre palivové články?
V Európe kombinácia projektov ako Panel-to-Fuel s medzinárodný pokrok en umelá fotosyntéza a nové katalyzátory Poukazuje na scenár, v ktorom sa CO₂ už nepovažuje len za problém a čiastočne sa považuje za zdroj. S otepľovaním klímy a kolísaním cien palív sa rozvoj obnoviteľné syntetické palivá na báze slnečného žiarenia a CO₂ Vynára sa to ako doplnkový spôsob, ako sa priemysel a životné prostredie môžu začať uberať rovnakým smerom.