Pretvorite ugljikov dioksid i sunčeva svjetlost u tekućim gorivima To više nije samo egzotična laboratorijska ideja. Posljednjih godina nekoliko europskih i azijskih istraživačkih timova poduzima čvrste korake kako bi osigurali da neka od goriva budućnosti potječu od CO₂-a, koji se trenutno smatra otpadnim proizvodom.
U Španjolskoj, projekt koji je vodio Pučko sveučilište u Navarri Usko surađuje s tehnološkim centrima i tvrtkama kako bi dizajnirao uređaje koji proizvode obnovljiva sintetička goriva iz vode i CO₂U međuvremenu, u drugim zemljama usavršavaju se umjetni sustavi fotosinteze koji bi se mogli integrirati u te proizvodne lance, stvarajući sliku u kojoj "proizvodnja goriva iz zraka" više ne zvuči kao znanstvena fantastika.
Panel-to-Fuel: proizvodnja goriva pomoću sunca, vode i CO₂ u Španjolskoj
Projekt Od panela do goriva, koji promovira Javno sveučilište Navarra (UPNA) putem instituta INAMAT², Tehnološki centar Lurederra i tvrtke Strojarstvo u Navarri (INM)Cilj je pokazati da je moguće proizvode sintetička goriva koristeći samo obnovljivi izvorisunčevo zračenje, voda i CO₂ uhvaćeni iz zraka.
Središnja ideja je zamijeniti dio tekuća goriva dobivena iz nafte alternativama kompatibilnim s trenutnim motorima, ali generiranim procesima koji ne povećavaju CO₂ u atmosferi. U tu svrhu predlaže se ciklus u kojem CO₂ se hvata iz zraka, a zeleni vodik se dobiva pomoću sunčeve svjetlosti. i oboje se kombiniraju kako bi se stvorila sintetička goriva koja se mogu koristiti u prijevozu.
Ovaj pristup nastoji riješiti jedan od glavnih klimatskih izazova: dekarbonizacija sektora koje je teško elektrificirati, kao što su teški cestovni promet, pomorski ili zrakoplovni promet, gdje izravna zamjena baterijama nije uvijek tehnički ili ekonomski isplativa.
Projekt nije ograničen samo na kemijski razvoj, već uključuje i ekonomske i ekološke analize kako bi se utvrdilo može li se proces srednjoročno natjecati s tradicionalnim opcijama fosilnih goriva i drugim obnovljivim alternativama koje su već na tržištu.
Fotokatalitička ploča koja oponaša biljke
U srži Panel-to-Fuel leži fotokatalitička ploča koji radi drugačije od konvencionalnog fotonaponskog panela. Umjesto generiranja električne energije, ovaj uređaj koristi sunčevu svjetlost za odvojiti molekule vode i proizvesti vodikbez potrebe za korištenjem energije iz mreže.
UPNA dizajni reaktori proizvedeni 3D printanjems geometrijama dizajniranim za optimalno izlaganje aktivnih materijala sunčevom zračenju. Cilj je bolje rasporediti svjetlost po površini gdje se odvija reakcija, čime se povećava količina vodika koji se može dobiti iz vode.
Sa svoje strane, Tehnološki centar Lurederra doprinosi nanomaterijali sposobni za hvatanje i iskorištavanje sunčeve svjetlosti s visokom učinkovitošćuTi spojevi djeluju kao fotokatalizatori, odnosno pokreću i ubrzavaju kemijske reakcije kada prime fotone, slično onome što pigmenti u biljnom lišću rade tijekom prirodne fotosinteze.
Za to je zadužena tvrtka Ingeniería Navarra Mecánica inženjering prvog integriranog prototipa, demonstracijsku jedinicu koja će u jednom sustavu objediniti proizvodnju vodika, hvatanje CO₂ i naknadnu sintezu obnovljivih goriva.
Paralelno s razvojem ove opreme, konzorcij radi na adsorbentni materijali za hvatanje CO₂ iz zraka, sposobni zadržati taj plin na svojoj površini, a zatim ga kontrolirano otpustiti kako bi ga uveli u reakcije konverzije.
Od CO₂ i vodika do tekućih goriva: metanol i Fischer-Tropsch
Nakon što imate zeleni vodik i zarobljeni CO₂Sljedeća faza je transformirati ih u molekule koje se mogu koristiti kao tekuće gorivo. Tim koji vode Luis Gandía Pascual i Fernando Bimbela Serrano analizira dvije glavne rute da to postigne
Prva odmarališta za metanol kao međukorakU ovom slučaju, CO₂ reagira s vodikom i tvori metanol, molekulu koja se pak može transformirati u složenija goriva ili izravno koristiti u određenim industrijskim i energetskim primjenama.
Drugi put se temelji na prilagođenoj verziji procesa Fischer-Tropschdobro poznata tehnologija koja omogućuje pretvorbu smjesa ugljičnog monoksida i vodika u tekući ugljikovodici slični konvencionalnim gorivimaKljučno je ovdje prilagoditi uvjete i katalizatore za početak s CO₂ i dobiti odgovarajuće smjese plinova za pokretanje tog procesa.
Konzorcij uspoređuje obje opcije kako bi utvrdio koji put najbolje odgovara kompletnom lancuUzimajući u obzir energetsku učinkovitost, operativne troškove, tehničku složenost i integraciju s modulom za hvatanje CO₂ i fotokatalitičkim panelom za proizvodnju vodika.
Prema riječima istraživača Fernanda Bimbele, voditelja QuiProVal grupe pri UPNA-i, razvijeni prototipovi već su omogućili Dobivanje solarnog metana iz CO₂ i zelenog vodikai u tijeku je rad na povećanju proizvodnje ugljikovodika s većim brojem atoma ugljika, bližih tekućim gorivima koja se svakodnevno koriste.
Zakrivljeni dizajn, modularni sustav i europska podrška
Jedan od prepoznatljivih elemenata koncepta "Od panela do goriva" je razvoj reaktor sa zakrivljenim dizajnom Ovaj dizajn koncentrira sunčevo zračenje upravo na područje gdje se odvijaju najvažnije kemijske reakcije. Ova geometrija omogućuje bolje korištenje sunčeve svjetlosti i topline, povećavajući učinkovitost sustava.
Krajnji cilj je imati modularni sklop sposoban za kontinuirani i stabilan radistovremeno obavljajući tri zadatka: proizvodnju vodika, hvatanje CO₂-a iz zraka i njegovu pretvorbu u sintetička goriva. Modularnost bi olakšala prilagodbu proizvodnih kapaciteta različitim okruženjima, od pilotnih postrojenja u blizini istraživačkih centara do većih postrojenja uz industrijske ili logističke sektore.
Osim tehničkog dizajna, projekt uključuje studije ekonomske izvedivosti i utjecaja na okolišbitno je procijeniti mogu li se ta sintetička goriva natjecati s konvencionalnim dizelom, benzinom ili kerozinom, kao i s alternativama poput električnih vozila ili komprimiranog vodika.
Značajke od panela do goriva financiranje Državne agencije za istraživanjeOd Plan oporavka, transformacije i otpornosti i iz europskih fondova NextGenerationEUkao i pomoć kao što je RENOCogenTo jača ulogu ove vrste projekta u strategiji dekarbonizacije i zelene reindustrijalizacije Španjolske i Europske unije.
Tim uključuje istraživače s UPNA-e kao što su Luis Gandía, Fernando Bimbela i Ismael Pellejeroiz Lurederre, kao Cristina Salazar i Carmen Garijo; i iz tvrtke Ingeniería Navarra Mecánica, među njima Uxue LlorenteTo pokazuje blisku suradnju između sveučilišta, tehnološkog centra i poslovnog sektora.
Umjetna fotosinteza: međunarodni napredak koji ukazuje na solarna goriva
Dok u Navarri rade na integraciji cijelog procesa u jedinstveni modularni sustav, druge međunarodne skupine napreduju na komplementarnoj komponenti: visokoučinkoviti fotonski katalizatori sposoban transformirati CO₂ koristeći samo sunčevu svjetlost i vodu kao glavne ulazne podatke.
Nedavni primjer dolazi od tima u Kineska akademija znanosti i sa Sveučilišta znanosti i tehnologije u Hong Kongu, koje je predstavilo sustav umjetna fotosinteza objavljeno u časopisu Nature Communications. Njihov pristup uključuje korištenje materijala nazvanog Ag/WO₃, srebrom modificiranog volframovog trioksida, koji djeluje kao vrsta privremeno skladištenje elektrona unutar katalizatora.
Kada se ovaj materijal osvijetli, može pohranjivanje i otpuštanje elektrona na kontroliran način, što je ključno za učinkovitije smanjenje CO₂. U kombinaciji s molekularnim katalizatorom na bazi kobalta, kobaltov ftalocijaninSustav uspijeva pretvoriti CO₂ i vodu u ugljični monoksid s brzinom daleko većom od one kod prethodnih konfiguracija.
U laboratorijskim uvjetima, razine proizvodnje reda veličine 1,5 milimola ugljičnog monoksida po gramu katalizatora na satotprilike sto puta više od istog kobaltnog katalizatora bez "rezervoara naboja" koji pruža Ag/WO₃. Iako je još uvijek u malim razmjerima, poboljšanje performansi je znanstveno značajno.
Da ugljični monoksid nije gorivo spremno za upotrebu u spremniku, ali predstavlja jedan od osnovni kemijski gradivni blokovi za proizvodnju sintetičkih goriva, kroz već poznate industrijske rute kao što je sinteza plina (syngas) nakon čega slijede Fischer-Tropschovi procesi, upravo ista logika koja se istražuje u projektima kao što je Panel-to-Fuel.
Čišći dizajn: voda kao izvor elektrona
Jedan od uobičajenih problema s mnogim shemama umjetne fotosinteze je potreba za korištenjem potrošni materijalDodatne tvari olakšavaju reakciju, ali se troše i stvaraju otpad. Kineski dizajn pokušava prevladati ovo ograničenje korištenjem voda kao izvor elektrona, pristup bliži funkcioniranju pravog lista.
U prirodi, molekule poput plastokinona nakratko pohranjuju elektrone za koordinaciju nekoliko fotokemijskih reakcija odjednomInspiriran ovim ponašanjem, Ag/WO₃ sustav omogućuje volframu promjenu oksidacijskog stanja primanjem i odavanjem elektrona, tako da katalizator koji reducira CO₂ ima više naboja dostupnog dulje vrijeme.
Ovaj mehanizam od povremeno skladištenje naboja Smanjuje gubitke i poboljšava ukupnu učinkovitost procesa, što je bitno ako se ovi sustavi žele preseliti iz laboratorija u praktičnu primjenu gdje je cijena po kilogramu proizvoda ključna.
Zanimljivo je da uređaj ne radi samo pod kontroliranom umjetnom rasvjetom, već je testiran i s prirodna sunčeva svjetlostuz zadržavanje sposobnosti pretvaranja CO₂ u ugljikov monoksid. Ovaj detalj sugerira da bi se tehnologija mogla integrirati u reaktori koji se izravno napajaju obnovljivim izvorima energije, bez nužnog korištenja električne mreže.
Iz perspektive dizajna materijala, strategija Ag/WO₃ predstavlja se kao relativno svestran pristup, budući da se ista podrška može kombinirati s različiti specifični katalizatori ovisno o željenom krajnjem proizvodu, otvarajući vrata širem rasponu goriva i kemijskih spojeva solarnog podrijetla.
Utjecaj klime, izazovi i usklađivanje s europskim politikama
La posibilidad de pretvaraju CO₂ u sintetička goriva uz pomoć sunčeve svjetlosti Savršeno se uklapa u europske strategije dekarbonizacije, ali njegov stvarni doprinos ovisit će o cijelom životnom ciklusu. Da bi ta goriva bila klimatski neutralna, korišteni CO₂ mora potjecati iz zarobljeni izvoribilo da se radi o industrijskim emisijama ili izravno iz zraka, a cijeli proces mora biti opskrbljen obnovljive energije.
Čak i kada su ti uvjeti ispunjeni, stručnjaci ističu da Ukupna učinkovitost je još uvijek daleko od idealne.Svaka faza - hvatanje CO₂, proizvodnja vodika, pretvorba u tekuća goriva, skladištenje i distribucija - uključuje gubitke energije koji se pretvaraju u ekonomske troškove i potrebu za većim instaliranim obnovljivim kapacitetima.
Unatoč tome, ova solarna goriva mogla bi igrati važnu ulogu u onim sektorima gdje Nije lako izravno elektrificirati ili zamijeniti postojeće motore i infrastrukturu u kratkom roku. Zrakoplovstvo, pomorski promet i određene teške industrije više se puta pojavljuju na ovom popisu „teško ih je smanjiti“.
S gledišta energetske politike, postavljaju se i vrlo praktična pitanja: Koliko će koštati litra ove vrste goriva? U usporedbi s tradicionalnim dizelom ili benzinom, kako će se integrirati u postojeće rafinerije i mreže, te kakvu će razinu podrške ove tehnologije dobiti u usporedbi s drugim opcijama poput električnih vozila ili vodika za gorivne ćelije?
U Europi, kombinacija projekata poput Panel-to-Fuel s međunarodni napredak en umjetna fotosinteza i novi katalizatori To ukazuje na scenarij u kojem se CO₂ više ne smatra isključivo problemom, već se djelomično smatra resursom. Kako se klima zagrijava, a cijene goriva fluktuiraju, razvoj obnovljiva sintetička goriva na bazi sunčeve svjetlosti i CO₂ Pojavljuje se kao komplementaran način da se industrija i okoliš počnu kretati u istom smjeru.